评估宾夕法尼亚州西北部的风能潜力

卡琳·约翰逊与理查德·D·鲍登博士
阿勒格尼学院环境与经济发展中心

摘录自阿勒格尼学院环境与经济发展中心
出版物CEED-2010-2：宾夕法尼亚州西格特敦Acutec精密机械加工公司的风能潜力

图像

图1. 在Acutec的信号塔上安装风速计。照片由比尔·欧文拍摄。

背景：

制造商寻求发电替代方案：风能

宾夕法尼亚州西格特敦的Acutec精密机械加工公司在其机械加工运营中使用大量电力，且随着即将到来的发电放松管制，预计电力使用支出将会增加。由于其运营地点位于多风的山脊上，该公司希望确定是否有足够的风力来驱动商用风力涡轮机，以满足其年度电力需求。根据美国国家可再生能源实验室的宾夕法尼亚州风能资源图，Acutec所在的西格特敦地区，在离地80米（262英尺）高度处的年平均风速约为4.0米/秒至5.5米/秒（8.9英里/小时至12.3英里/小时）。这些风速处于通常认为足以安装风力涡轮机的范围内，但这些数据是模拟得出的，并非通过直接测量获得。由于风力涡轮机需要大量资本投资，因此在拟议地点直接测量风速至关重要。因此，本研究的目的是测量Acutec精密机械加工公司所在地的实际风速和风向。

方法

测量风速和风向以评估风能潜力

Acutec在西格特敦的设施位于宾夕法尼亚州西格特敦的一座山脊上，海拔约1100英尺。2007年，在该地点的一座商用信号塔上，分别在离地50英尺、110英尺、170英尺和230英尺的高度安装了风速计，以建立垂直风切变模型，评估在不同高度运行的风力涡轮机设计（图1）。风速计还测量了阵风和风压。Onset S-WCA-M003型风速计（图2）安装在6英尺（2米）长的延伸臂上，延伸臂固定在信号塔的西南位置，并编程为每分钟记录平均风速、阵风和风压。大约每1至3个月下载一次数据，然后进行处理。风传感器的数据存储在Onset的HOBO®微型站数据记录仪（型号H21-002）中，并上传到数据组织和分析软件HOBOware®Pro。该软件对数据进行格式化，以与我们的风能数据分析软件Windographer 1.47版兼容，该软件由加拿大阿尔伯塔省卡尔加里的Mistaya工程公司提供。

图像

图2. Onset S-WCA-M003型风传感器。风向标高317毫米（12.5英寸）×宽419毫米（16.5英寸）。

结果与讨论

经过13个月的数据收集（2008年10月至2009年11月），数据从Hoboware Pro导出为文本格式。所有高度的记录恢复率均超过70%，四个高度中的三个恢复率超过80%。由于数据收集故障，2009年1月和2月230英尺高度的数据丢失。

平均风速夏季最低，冬季最高，230英尺高度处7月最低（8.7英里/小时），12月最高（13.1英里/小时）（图3）。正如预期的那样，年平均风速和最大风速随高度增加而增加。我们确定了风速与高度的关系（称为垂直风切变）。然后，这些数据被用于建立0至330英尺高度范围内基于高度的风速预测方程。这很有用，因为不同的风力涡轮机型号具有不同的轮毂高度。风速在一天中有所变化，通常在12:00至18:00之间最高，夜间最低。

230英尺高度的数据显示风能资源可用性最有前景。阵风始终比平均风速大约2英里/小时。季节性风速分布显示，最高平均风速（13.55英里/小时）出现在12月，最低风速（8.80英里/小时）出现在7月。该高度的年平均风速为10.66英里/小时。

平均风速玫瑰图显示，最高平均风速约为12.5英里/小时，来自南方和东南方。总风能玫瑰图显示，大部分风能来自西南方。最后，风概率分布显示，风最常（约9.5%的时间）处于9至10英里/小时的范围内。风速为0英里/小时的时间约占3.4%，低于7英里/小时（大多数风力涡轮机发电所需的最低风速）的时间不到14%。

图像

图3. Acutec站点50英尺、110英尺、170英尺和230英尺高度的季节性风速分布。

结论与建议

我们的数据表明，风能资源足以驱动大型商用风力涡轮机，满足Acutec的年度电力需求。我们利用Windographer的输出结果和我们的风数据，估算了多款商用风力涡轮机的年发电量（表1）。根据Acutec 2008年2,879,936千瓦时的能源需求，年发电量为1兆瓦至3兆瓦的风力涡轮机最为合适。更大的涡轮机发电量更多，单个大型涡轮机有可能满足Acutec的年度能源需求。更大的涡轮机成本更高；然而，规模经济和建设成本可能表明，单个涡轮机比多个涡轮机更经济。全面的经济分析必须包括资本和维护成本、联邦和州激励措施、税收抵免、赠款、贷款和利息支付以及投资回收期。

我们的结果表明，宾夕法尼亚州西北部该地区的其他地点可能也适合风能发电。观察该地区起伏的丘陵和山谷地形，很明显还有其他地区具有与Acutec站点相似的海拔以及山脊和山谷地形特征。因此，尽管宾夕法尼亚州风能地图显示伊利湖内陆地区的风能资源潜力有限，但从我们的数据以及该地区的地形特征来看，显然风能潜力可能比已公布的估计值更大。