一個旨在擴大風能利用的研究團隊剛剛完成在世界上最難研究風的地區之一——陣風多變、蜿蜒曲折的哥倫比亞河峽谷——測量風力強度的工作。
位於華盛頓州和俄勒岡州之間的 80 英里峽谷相當於來自太平洋的風的高速公路。峽谷東端已經擁有世界上最大的風力發電場群之一。據美國能源部稱，它們發電 5 吉瓦，是胡佛水壩年發電量的兩倍多。
對於公用事業公司以及由美國能源部和國家海洋和大氣管理局領導的研究人員來說，峽谷提出了一個誘人的問題。也就是說，如果國家氣象局能夠更準確地預測峽谷的每日風力發電量，那麼整個美國可能會產生更多的無排放電力。
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“一個風力發電場可能是一筆巨大的投資，”美國能源部氣象學家喬爾·克萊恩說，他正在領導這項 250 萬美元的專案，“但燃料是免費的。” 他希望從這項研究中得到的是一個計算機模型，該模型足夠通用和準確，可以測量美國任何地方的潛在風力。
對於氣象學家來說，每日風力發電預測領域只有大約 10 年的歷史。早期的天氣預報側重於地面以上 10 米（32.6 英尺）的風速。這是機場起飛和降落所需要的。風力發電場運營商需要知道風速在 80 米（262 英尺）和 120 米（394 英尺）的高度，即風力渦輪機輪轂和葉片尖端的高度。
在這些高度，風力更強勁，美國能源部和國家海洋和大氣管理局早期的研究表明，在中西部上游和西德克薩斯州的相對平坦地區，風力發電場所有者可以透過使用更準確的每日風力預測，將其發電量提高 13% 至 15%。
這些資訊讓公用事業公司更有信心關閉昂貴的化石燃料發電廠，並在有希望的一天更多地依賴“免費燃料”，或者將多餘的電力出售給鄰居。早期研究指出，經濟狀況的顯著改善“表明我們可能才剛剛開始觸及表面，未來可能會有更大的改進。”
因此，在 2015 年，第二個實驗，稱為風力預報改進專案 (WFIP-2)，在國家海洋和大氣管理局、四個美國能源部國家實驗室以及幾家公司和大學的研究人員的參與下啟動。他們在峽谷中安裝了 100 多件風力測試裝置，那裡絕非平坦。它被一連串高達 4,000 英尺的崎嶇山脈所環繞，這些山脈產生了巨大的風“尾流”或空隙，使得測量湧入哥倫比亞河的風變得非常棘手。
結果可能是傳統計算機模型看不到的小型風暴，以及看不見的冷空氣池，這些冷空氣池會減緩風速，然後在溫度升高時再次加速風速。指導平原風力預報的數學無法應對峽谷中的情況。
“計算機知道垂直方向，但不知道水平方向，”克萊恩解釋說。
在早期的中西部測試中，研究人員得到了該地區高塔上安裝的風力測量裝置的幫助，但在大部分環境受到保護的峽谷中，這樣的裝置並不多。那裡的風力發電場提供了大量資料——通常作為專有資訊持有——關於在任何給定的小時或一天到達其渦輪機輪轂的風。
但是這些風是可以預測的嗎？
詩歌和儀器
研究人員掌握了大量資料，但其中存在許多空白。幾十年來，詩人們一直在思考其中的一些問題。“誰見過風？” 維多利亞時代的英國流行童謠中，克里斯蒂娜·羅塞蒂問道。“你我都沒有：/ 但當樹葉顫動時，/ 風正在穿過。”
芬蘭公司 Vaisala 的高階氣象學家吉姆·麥卡為美國能源部協調了哥倫比亞河峽谷的研究，他使用的工具是羅塞蒂從未聽說過的。
研究人員操縱強大的雷達，當他們發現漂浮在峽谷上空高處的浮質時，雷達會反射回訊號。對於研究人員來說，浮質——空氣中漂浮的小水滴、灰塵或其他物質，就像羅塞蒂的樹葉一樣。它們的訊號告訴研究人員任何給定點的風向。
麥卡還擁有聲達，或將聲波傳送到峽谷上方，然後使用強大的麥克風捕捉其回聲的裝置。峽谷中盤旋的謎團之一是彼此相鄰的氣柱中溼度和溫度的巨大差異。這些差異產生了湍流，可以透過聲達測量。
然後是雷射雷達，這是一種使用光脈衝來跟蹤雲、煙霧和空氣中其他移動物體的儀器，生成它們所在位置和去向的 3D 圖片。
麥卡的公司 Vaisala 在解決天氣難題方面有著悠久的歷史。它的創始人維爾霍·韋薩拉在 1930 年發明了第一個現代氣象氣球。這是一種簡單的、一次性的充氦氣球，攜帶有效載荷儀器來測量給定的氣柱。當它上升時，它會將訊號無線電傳輸回地面，描述不同高度的大氣層。
氣象學家稱它們為無線電探空儀，國家氣象局為麥卡在峽谷周圍準備了數十個。“當有趣的事件發生時，我們會打電話給國家氣象局，他們會部署更多的氣球，”他說。
所有這些的結果是如此多的資料，以至於需要一年的時間才能整理出來。“大氣建模仍然是經典的計算機大問題之一。這就是國家實驗室的用武之地，”麥卡指出，他指的是美國能源部。“世界上很少有地方有能力完成這項工作。”
麥卡認為，與主要將其風能資源轉移到海上（設施建設和維護成本更高）的歐洲不同，大多數美國風力發電公司將繼續在陸上發展，尤其是當測試表明覆雜區域（如峽谷）的風力可以準確預測時。
“相對於歐洲，我們有很多人口略少的地方，我們有空間在陸地上放置更多的風力發電專案，而歐洲沒有，”他說。
華爾街金融諮詢公司拉扎德在 12 月報告稱，公用事業公司已經收到了風力發電變得更具成本競爭力的資訊。去年，公用事業公司和其他公司對陸上風力發電的投資是 2009 年的六倍。
“科羅拉多州的 Xcel 等公用事業公司正在運營更大數量的風能。由於預測的準確性更高，他們能夠達到比幾年前他們認為可能的更高的風能水平，”華盛頓特區美國風能協會的高階研究主管邁克爾·戈金解釋說。
與此同時，他指出，風力渦輪機變得更高，使用更大的葉片，並且比以前更有效地處理較慢的風速。他指出，紐約州和馬薩諸塞州等一些州的目標是建設更多的海上風力發電場。
“陸上和海上都有機會，但美國陸地上的風能資源是世界上最好的資源之一，”戈金說。
轉載自 Climatewire，經 E&E News 許可。 E&E 在 www.eenews.net 提供有關重要能源和環境新聞的每日報道。