The growth of wind generation capacities in the past decades has shown that wind energy can contribute to the energy transition in many parts of the world. Being highly variable and complex to model, the quantification of the spatio-temporal variation of wind power and the related uncertainty is highly relevant for energy planners. Machine Learning has become a popular tool to perform wind-speed and power predictions. However, the existing approaches have several limitations. These include (i) insufficient consideration of spatio-temporal correlations in wind-speed data, (ii) a lack of existing methodologies to quantify the uncertainty of wind speed prediction and its propagation to the wind-power estimation, and (iii) a focus on less than hourly frequencies. To overcome these limitations, we introduce a framework to reconstruct a spatio-temporal field on a regular grid from irregularly distributed wind-speed measurements. After decomposing data into temporally referenced basis functions and their corresponding spatially distributed coefficients, the latter are spatially modelled using Extreme Learning Machines. Estimates of both model and prediction uncertainties, and of their propagation after the transformation of wind speed into wind power, are then provided without any assumptions on distribution patterns of the data. The methodology is applied to the study of hourly wind power potential on a grid of 250 by 250 squared meters for turbines of 100 meters hub height in Switzerland, generating the first dataset of its type for the country. The potential wind power generation is combined with the available area for wind turbine installations to yield an estimate of the technical potential for wind power in Switzerland. The wind power estimate presented here represents an important input for planners to support the design of future energy systems with increased wind power generation.


翻译:在过去几十年中,风力发电能力的增长表明,风能可以促进世界许多地区的能源转型。由于风速预测的不确定性及其向风能估计的传播具有高度的变数和复杂性,因此,将风能的时空变异量化对于能源规划者来说非常重要。机器学习已成为一个流行的风速和电力预测工具。然而,现有办法有若干局限性,其中包括:(一) 风速数据对时空相关关系考虑不够;(二) 缺乏现有方法,无法量化风速预测的不确定性及其向风能估计的传播;(三) 以小时频率以外的频率为重点。为克服这些限制,我们引入了一个框架,在固定电网上重建一个云层-时空场以进行风速预测和电力预测。在将数据分解为时间参照的基础功能及其相应的空间分布系数后,后者是使用极端学习机器进行空间模拟的。在将风速预测和预测的不确定性以及风速转换为风速估计的今后风能预测结果,以及(三)侧重于小时频率的频率;为克服这些限制,我们引入一个框架框架,从定期电流电流电流电场重建的电流数据模式到瑞士的电流数据生成模式。

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