能量模式因子（EPF）在估算风能密度中的应用外文翻译资料

 2022-12-06 15:40:30

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能量模式因子（EPF）在估算风能密度中的应用

摘要：能量模式因子（EPF）方法是估算区域可用风能密度的一种较少的计算方法，风速变化是指给定时段内的能量功率密度。使用位于卡杜纳机场附近尼日利亚气象站（NIMET）站11年间（2004年至2014年）日平均风速数据。卡杜纳的年平均能量模式因子估计为1.03，从能量模式因子计算，年平均可用风能密度为222.13 W/m2。该计算的风能密度在美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（NERE）的风电等级中评定为4级，并且被认为非常适合驱动实用尺寸的风力涡轮机。

关键词：能量模式因子、风速、风能密度、实用尺寸的风力涡轮机。

一、引言

风能是可再生能源的另一种形式。风是运动中的空气，它是由地球的旋转和太阳的大气加热产生的。当赤道地区的空气被太阳加热时，空气变得更轻并开始上升；在两极的冷空气开始下沉，赤道上上升的空气得到动能，它向南和向北移动。海洋的差异加热和地形的性质（从山脉和山谷到建筑物和树木等的局部障碍）导致风的流动发生微小变化，因此，它们对风有重要影响（Walker和詹金斯，1997）。

为了开发风能发电，评估不同地区的可用风能潜力非常重要；对潜在能量资源或可用风能的估计是风能调查、分析和研究（NGALA等，2007）的一个重要方面。风速是估算一个地区可用风能的一个重要参数。为了估算可用风能，已经使用了各种方法来分析一个区域的风速。能量模式因子（EPF）提供了估算可用风能的另一种方法。Pam和Bala（2006）利用五年风速数据（1998—2002年）估算了尼日利亚北部部分地区的月和年能量模式因子，并发现了卡杜纳的年能量模式因子为1.61，扎里亚的为1.46。风速是动态的，随着时间的推移而变化，因此有必要对这些研究进行更新，以确定气候条件（速度）状态，并与以往的研究进行比较。其次，除了计算卡杜纳镇的EPF之外，可用风能密度的估算也从EPF获得。因此，这项工作是十分有必要的。

风力发电的原理可以表述为：“对于所有的风力涡轮机来说，风能与风速立方成正比”。因为风能是运动空气的动能（Ourkain，2010），质量为m速度为v的空气的动能为：

空气质量m可以根据空气密度和体积V确定：

所以，

由于功率是能量除以时间，我们考虑一段很短的时间,空气块运动了一段距离s=v，我们用风力涡轮机的转子面积A乘以这段距离，推出体积

它使风机转动很短的时间。因此风能可以由下式计算：

风速的变化，使得单独使用风速和空气密度分析风能潜力是不可靠的。能量模式因子法，分析这些变化和估计每一个地点的独特的风能密度。Manwell et.al（2002）定义在任何位置的可用平均功率密度为：

其中是平均风速，是能量模式因子。Spiegel（1992）将平均风速定义为：

二、能量模式因子（EPF）

能量模式因子（EPF）方法由Akdag和Ali（2009）定义为“更简单和更少计算”的方法，由以下方程：

其中（m/s）为风速的观测值，n为风速样本的个数，为月平均风速。

三、方法

11年期（2004年至2014年）的日平均风速数据是从尼日利亚气象站（NIMET）获得的，经度07°19rsquo;E，纬度10°41rsquo;N，海拔632米，位于Kaduna Mando的卡杜纳机场。

四、仪表和数据采集

日平均风速资料由10m高度处的风杯测速器测量，并将其转换为m/s。风杯测速器由链接在垂直轴上的三个杯状物组成。当风吹动时，推动风杯转动，并推动转动轴（Encyclopaelig;dia Britanica, 2012）。每分钟的转数由一个类似于汽车速度计的齿轮系统转化为风速。

其中r为风速计一个臂的长度。计算每日风速的立方，并绘制11年间的月平均表（表1），以及每月和每年平均立方（表2）。然后利用方程（8）计算月度和年度能量模式因子（表3）并绘制条形图（图1）。从方程（6）可以算得可用风能密度（表3）。

五、结果与讨论

对逐日平均风速资料（2004—2014年）的分析表明，10m高度处5月平均风速最高为8.8m／s，其次为六月，为8.6m/s，最低平均风速出现在10月为6m/s，11年平均年风速为7.15m/s，表1中，2014年6月达到月平均最高风速为11.91m/s，2004年12月达到月平均最低风速为4.67m/s。Kaduna的月能量模式因子在1.02～1.11间，四月达到最高EPF为1.11，十一月达到最低EPF为1.02，见表（3）和图（1），年平均能量模式因子为1.03。这低于Pam和Bala（2006）所测得结果的0.58倍。风速变化和其他气候变化说明了这一差异。因此，如果要利用风能来提升尼日利亚的电力资源，需要对风能评估进行持续更新。

全年可用平均功率密度估计为222.13 W/m2，5月达到最高435.25W/m2，10月达到最低135.09 W/m2。基于美国国家可再生能源实验室（NERE），美国能源部（DOE）风力发电等级图（表4），估计的年度可用平均功率密度222.13W/M2，功率等级4级，这足以推动实用规模的风力涡轮机。此外，风力发电机在五月期间产生的过剩风能可以存储在十月使用。因此，在Kaduna整年的风能都可以商业规模利用。

六、总结

在Kaduna尼日利亚气象站观测利用风杯测速计测得10m高度处11年的日平均风速数据。该地区的月平均能量模式因子估计为1.02至1.11，其中四月达到最高EPF为1.11，十一月达到最低EPF为1.02，年平均能量模式因子为1.03。这些能量模式因子计算所得的平均可用功率密度为222.13 W/m2。这种功率密度对尼日利亚电力部门的发展具有重要意义，因此，能量模式因子在研究风的气候和季节变化方面有重要作用。

表1 Kaduna市11年间（2004-2014）月平均风速（m/s）

表2 Kaduna市11年间（2004-2014）月平均风速立方（）

表3 11年间（2004-014）EPF、空气密度、和预估可用风能密度

图1 Kaduna市月平均能量模式因子

表4 10m高度处风能等级表

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