文摘

风能获得更多关注每天的清洁可再生能源资源。我们预测风速垂直外推法通过使用扩展幂律。在这项研究中,一个扩展的垂直风速外推公式推导出微扰理论的基础上,通过考虑幂律和威布尔风速概率分布函数。提出的方法不仅风速在不同海拔高度的平均值,但他们的标准差和不同海拔高度之间的互关联系数是考虑。给出了方法的应用进行风速测量在卡拉布兰/伊斯坦布尔,土耳其。在这个位置,每小时风速测量可用于三种不同高度高于地球表面。

1。介绍

风能,作为世界上最主要的可再生能源之一,吸引了许多国家的关注随着高效的涡轮技术的发展。风速推断可能被视为一个最重要的不确定性因素影响风能评估,当考虑现代multi-MW风力涡轮机的增加大小。如果风速测量在风能开发缺乏高度相关,常常需要推断观测风速高度可用的涡轮中心高度(1),导致一些关键的错误估计和实际之间的能量输出,如果风切变系数,正确,不能确定。预测和观察风能生产之间的差异可能会高达40%,由于湍流的影响,时间间隔的风力数据测量和数据的外推从参考高度中心高度2]。

在文献中,风切变系数通常近似在0.14和0.2之间。然而,在实际情况下,风切变系数不是常数,取决于许多因素,包括大气环境,温度、压力、湿度、时间,季节,平均风速,方向,和自然地形的3- - - - - -6]。表1展示了各种风切变系数为不同类型的地形和地理位置3]。

根据风力资源的计算分析程序(包装)报告,在39个不同地区,7082种不同的风切变的系数,7.3%分布在0和0.14和0.14高出91.9%,而0.8%计算为负7),由于测量误差。

不同的方法已经开发分析风速资料,如电力、对数,loglinear法律[8]。除此之外,在文献中各种研究进行为了估计风切变系数幂律只有表面数据可用手头(9- - - - - -11]。

风速经历反复变化,由于粗糙度和摩擦系数还取决于景观功能,一天的时间,温度,高度和风向。风速的不确定性是inhereted数据及其外推到中心高度应考虑仔细,仔细地12]。此外,这种不确定性加剧了在近海环境中包含的动态表面(13]。因此,对数的平均风速剖面类型是由稳定调整申请海外网站(14]。

是关键的能源投资者准确预测在不同的风力涡轮机的平均风速中心高度,使现实的可行性项目为这些高度。在这项研究中,一个简单但有效的方法的基础上,提出了微扰理论为了得到一个扩展的幂律垂直风速外推,然后威布尔概率分布函数(pdf)参数。是观察到相反的经典方法不仅意味着风速在不同的海拔,而且标准差和互关联系数应该考虑,如果风速在不同海拔不是互相独立的。

2。幂律

本法是最简单的方法,可以评估在风力发电机风速中心高程测量的参考水平。一般来说,幂律表达式给出, 在括号中速度和高度比率,和,分别。此外,和;和是幂律指数,它是一个复杂的功能当地气候学、地形、表面粗糙度、环境条件,气象递减率,天气稳定。很明显,所有这些因素的影响是嵌入在风速的时间记录,因此,他们的总反射也预期指数的价值,。因此,一个倾向于认为是否有一种方法获得的估计风速时间序列的指数。使用权力的法律几乎完全没有任何普遍接受的方法。通常,只有在两个海拔的算术平均风速是数值计算的指数。从逻辑上讲,除了平均值,标准差和互关联系数应进入计算,因为这些额外的参数产生的结果不稳定,粗糙度,等等。只要有风速记录在两个或两个以上的海拔,下面的方法提供了一个客观的解决方案。

3所示。扩展幂律

在(1),唯一的随机变量,表示天气情况是风速,可以写的平均值和扰动项的平均值,呈现(1) 在哪里和扰动项与平均等于零,。仅仅最后一个表达式可以改写 这个表达式称为扩展幂律。第三架右边对应于一个几何级数,这二项展开式可以表示为 这个表达式可以简化后的扩张右边第二个和第三个括号,然后通过考虑二阶项约收益率 在双方的算术平均值,然后考虑到奇数阶功率项平均等于零,(5)收益率 通过定义,完全正确。事实上,对于对称(即。,Gaussian) perturbation terms, the odd number arithmetic averages such as也约等于零的定义。

在(6),常见的算术平均扰动乘法,在两个不同海拔高度等于扰动的协方差。这可以用标准差和和互相关,,乘法。二阶微扰项平均水平,,相当于扰动项的方差。最后这两个表达式的替换成(6)导致 在哪里和标准偏差和吗之间的互关联系数是两个海拔高度的风速时间序列。在实践中,最经常的互相关项(7)是由假设忽视了周围没有随机波动的平均速度值把暗示标准差等于零。这些假设是无效的,因为在一个实际的天气,总会有波动风速记录如图1。在统计的定义,标准偏差比算术平均变异系数,因此(7)可以重写在参数化的形式, 在此,和的变异系数是风速记录,和,分别在两个不同海拔高度。

4所示。威布尔分布参数外推

外推的风速数据标准海拔构成,而主观的方法只基于平均风速。不可靠的推断是反映在随后的风能,,通过经典公式计算 在哪里是标准的大气空气密度等于1.226克/厘米吗³25°C是风的速度。最常见的风速气象测量站在塔在不同的海拔高度,并期望能够在本站找到风剖面进行进一步的风载荷或能量的计算。一些研究人员使用经验风速的威布尔pdf相对频率分布(直方图),和一组公式推导的推断pdf威布尔参数(15- - - - - -18]。一般来说,两个参数威布尔pdf风速、给药, 在哪里是一个无量纲形状参数,是一个规模与速度参数维度。在许多应用程序中,基本的威布尔pdf统计特性的期望,方差,,阶矩在明确可用的起源(19] 分别。

本文的目的是提供详细的外推公式的威布尔pdf参数摄动方法和幂律的基础上的垂直风速变化。

两个参数威布尔pdf的平均和标准偏差(11)和(12);由定义他们比的变异系数 的价值可以通过使用的近似关系最好的估计(14),由贾斯特斯和米哈伊尔•17),即: 和(11)收益率的尺度参数 最后这两个表达式的替换两个海拔与标签1和2 (8导致在一些代数 通过双方的对数,给予 因此,一旦威布尔pdf格式的参数,和可以计算,确定指数提供了互关联系数,发现从可用的风速时间序列数据。必须注意到,最后一个表达式可以减少古典同行(1替换后的)。因此,这个表达式可以写成

5。应用程序

本文从卡拉布兰风风速数据站在伊斯坦布尔,土耳其,和本站位于28.677经度和纬度41.338′N′E(图2)。在这个位置每小时风速测量可用在三个不同的高度(10米,20米,30米)以上的地球表面。平均风速、标准差和变异系数为每个高度在表2。风速数据测量经验相对频率分布函数(直方图)在10米,20米、30米一起给出理论上符合威布尔pdf的图3为每一个高度。经验和理论之间的适合同行在不同高度通过Kolmogorov-Smirnov测试在5%的显著性水平。表1介绍了pdf威布尔参数,(规模)和(形状)。规模参数是8.32,8.77,9.54,高10米,20 m,分别和30米。形状参数确定,2.11和2.06,分别对相同的高度。

很明显从这个表,随着高度的增加,平均速度和标准偏差增加。变异系数随不同高度如表2。这也表明,越接近地球表面的高度,更大的是空气的不稳定。幂律指数,计算任意两个山庄之间发现,(18从()和经典19);他们展示在表3。

古典和威布尔pdf方法之间的最大价值在于20米、30米,而最小值是10米至20米。所有级别的平均值是0.1360和0.1238在古典和长权力法律,分别。

6。结论

一个简单的方法的基础上,提出了微扰理论为了得到一个扩展的幂律垂直风速外推,然后威布尔概率分布参数。是观察到相反的经典方法不仅意味着风速在不同的海拔,而且标准差和互关联系数应该考虑,如果风速在不同海拔不是互相独立的。否则,考虑计算体现了古典幂律的假设没有周围的风速时间序列的波动各自的平均值。必要的公式并给出了风速的威布尔分布函数参数推断。的应用开发方法提出了卡拉布兰,伊斯坦布尔,黑海海岸附近的风速测量站数据在三个不同的水平。