Mật độ công suất gió là gì?
Mật độ công suất gió (WPD) là lượng động năng đi qua một mét vuông diện tích vuông góc với hướng gió, được biểu thị bằng watt trên mét vuông (W/m²). Đây là chỉ số hữu ích nhất để đánh giá tiềm năng gió của một địa điểm, bởi nó phản ánh rõ sự phụ thuộc mạnh mẽ của công suất vào tốc độ gió. Vì công suất tỉ lệ với lập phương của tốc độ gió, nên khi tốc độ gió tăng gấp đôi thì công suất sẵn có tăng khoảng tám lần.
Cách sử dụng công cụ
Nhập tốc độ gió tính bằng mét trên giây và mật độ không khí tính bằng kilôgam trên mét khối. Ở mực nước biển và nhiệt độ 15 °C, mật độ không khí xấp xỉ 1,225 kg/m³ — đây cũng là giá trị mặc định. Không khí lạnh, đặc hơn sẽ cho công suất lớn hơn; ngược lại, độ cao lớn và nhiệt độ ấm hơn sẽ làm giảm công suất. Công cụ sẽ trả về mật độ công suất gió lý thuyết theo đơn vị W/m² (và kW/m²).
Giải thích công thức
Công thức là $$\frac{P}{A} = \frac{1}{2} \cdot \text{Air Density (kg/m}^3\text{)} \cdot \text{Wind Speed (m/s)}^{3}$$ trong đó \(\rho\) là mật độ không khí và \(v\) là tốc độ gió. Số hạng \(\frac{1}{2}\cdot\rho\cdot v^2\) chính là áp suất động (năng lượng trên một đơn vị thể tích), và khi nhân thêm với \(v\) ta được lưu lượng thể tích trên một đơn vị diện tích, vì vậy kết quả là công suất trên một đơn vị diện tích. Lưu ý rằng đây là công suất chứa trong gió, không phải công suất mà tua-bin có thể khai thác — giới hạn Betz giới hạn công suất sử dụng được ở mức khoảng 59,3%.
Ví dụ minh họa
Với tốc độ gió 10 m/s ở mật độ không khí tiêu chuẩn 1,225 kg/m³:
$$\frac{P}{A} = 0{,}5 \times 1{,}225 \times 10^3 = 0{,}5 \times 1{,}225 \times 1000 = 612{,}5 \ \text{W/m}^2$$Giá trị này tương ứng với phân hạng tài nguyên gió "tốt".
Câu hỏi thường gặp
Tại sao mật độ không khí lại quan trọng? Không khí đặc hơn mang theo nhiều khối lượng hơn, do đó chứa nhiều động năng hơn ở cùng một tốc độ, làm tăng công suất sẵn có theo tỉ lệ tương ứng.
Đây có phải là công suất mà tua-bin tạo ra không? Không. Đây là công suất thô chứa trong gió. Tua-bin thực tế chỉ khai thác được một phần, bị giới hạn bởi giới hạn Betz (~59,3%) cùng với hiệu suất cơ và điện.
Mật độ công suất gió bao nhiêu là tốt? Những địa điểm có mật độ trên khoảng 400 W/m² (tại độ cao trục tua-bin) thường được xem là tốt để phát triển điện gió.
