一个旨在扩大风能利用的研究团队刚刚完成在世界上最难研究风的地区之一——阵风多变、蜿蜒曲折的哥伦比亚河峡谷——测量风力强度的工作。
位于华盛顿州和俄勒冈州之间的 80 英里峡谷相当于来自太平洋的风的高速公路。峡谷东端已经拥有世界上最大的风力发电场群之一。据美国能源部称，它们发电 5 吉瓦，是胡佛水坝年发电量的两倍多。
对于公用事业公司以及由美国能源部和国家海洋和大气管理局领导的研究人员来说，峡谷提出了一个诱人的问题。也就是说，如果国家气象局能够更准确地预测峡谷的每日风力发电量，那么整个美国可能会产生更多的无排放电力。
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“一个风力发电场可能是一笔巨大的投资，”美国能源部气象学家乔尔·克莱恩说，他正在领导这项 250 万美元的项目，“但燃料是免费的。” 他希望从这项研究中得到的是一个计算机模型，该模型足够通用和准确，可以测量美国任何地方的潜在风力。
对于气象学家来说，每日风力发电预测领域只有大约 10 年的历史。早期的天气预报侧重于地面以上 10 米（32.6 英尺）的风速。这是机场起飞和降落所需要的。风力发电场运营商需要知道风速在 80 米（262 英尺）和 120 米（394 英尺）的高度，即风力涡轮机轮毂和叶片尖端的高度。
在这些高度，风力更强劲，美国能源部和国家海洋和大气管理局早期的研究表明，在中西部上游和西德克萨斯州的相对平坦地区，风力发电场所有者可以通过使用更准确的每日风力预测，将其发电量提高 13% 至 15%。
这些信息让公用事业公司更有信心关闭昂贵的化石燃料发电厂，并在有希望的一天更多地依赖“免费燃料”，或者将多余的电力出售给邻居。早期研究指出，经济状况的显着改善“表明我们可能才刚刚开始触及表面，未来可能会有更大的改进。”
因此，在 2015 年，第二个实验，称为风力预报改进项目 (WFIP-2)，在国家海洋和大气管理局、四个美国能源部国家实验室以及几家公司和大学的研究人员的参与下启动。他们在峡谷中安装了 100 多件风力测试设备，那里绝非平坦。它被一连串高达 4,000 英尺的崎岖山脉所环绕，这些山脉产生了巨大的风“尾流”或空隙，使得测量涌入哥伦比亚河的风变得非常棘手。
结果可能是传统计算机模型看不到的小型风暴，以及看不见的冷空气池，这些冷空气池会减缓风速，然后在温度升高时再次加速风速。指导平原风力预报的数学无法应对峡谷中的情况。
“计算机知道垂直方向，但不知道水平方向，”克莱恩解释说。
在早期的中西部测试中，研究人员得到了该地区高塔上安装的风力测量设备的帮助，但在大部分环境受到保护的峡谷中，这样的设备并不多。那里的风力发电场提供了大量数据——通常作为专有信息持有——关于在任何给定的小时或一天到达其涡轮机轮毂的风。
但是这些风是可以预测的吗？
诗歌和仪器
研究人员掌握了大量数据，但其中存在许多空白。几十年来，诗人们一直在思考其中的一些问题。“谁见过风？” 维多利亚时代的英国流行童谣中，克里斯蒂娜·罗塞蒂问道。“你我都没有：/ 但当树叶颤动时，/ 风正在穿过。”
芬兰公司 Vaisala 的高级气象学家吉姆·麦卡为美国能源部协调了哥伦比亚河峡谷的研究，他使用的工具是罗塞蒂从未听说过的。
研究人员操纵强大的雷达，当他们发现漂浮在峡谷上空高处的浮质时，雷达会反射回信号。对于研究人员来说，浮质——空气中漂浮的小水滴、灰尘或其他物质，就像罗塞蒂的树叶一样。它们的信号告诉研究人员任何给定点的风向。
麦卡还拥有声达，或将声波发送到峡谷上方，然后使用强大的麦克风捕捉其回声的设备。峡谷中盘旋的谜团之一是彼此相邻的气柱中湿度和温度的巨大差异。这些差异产生了湍流，可以通过声达测量。
然后是激光雷达，这是一种使用光脉冲来跟踪云、烟雾和空气中其他移动物体的仪器，生成它们所在位置和去向的 3D 图片。
麦卡的公司 Vaisala 在解决天气难题方面有着悠久的历史。它的创始人维尔霍·韦萨拉在 1930 年发明了第一个现代气象气球。这是一种简单的、一次性的充氦气球，携带有效载荷仪器来测量给定的气柱。当它上升时，它会将信号无线电传输回地面，描述不同高度的大气层。
气象学家称它们为无线电探空仪，国家气象局为麦卡在峡谷周围准备了数十个。“当有趣的事件发生时，我们会打电话给国家气象局，他们会部署更多的气球，”他说。
所有这些的结果是如此多的数据，以至于需要一年的时间才能整理出来。“大气建模仍然是经典的计算机大问题之一。这就是国家实验室的用武之地，”麦卡指出，他指的是美国能源部。“世界上很少有地方有能力完成这项工作。”
麦卡认为，与主要将其风能资源转移到海上（设施建设和维护成本更高）的欧洲不同，大多数美国风力发电公司将继续在陆上发展，尤其是当测试表明复杂区域（如峡谷）的风力可以准确预测时。
“相对于欧洲，我们有很多人口略少的地方，我们有空间在陆地上放置更多的风力发电项目，而欧洲没有，”他说。
华尔街金融咨询公司拉扎德在 12 月报告称，公用事业公司已经收到了风力发电变得更具成本竞争力的信息。去年，公用事业公司和其他公司对陆上风力发电的投资是 2009 年的六倍。
“科罗拉多州的 Xcel 等公用事业公司正在运营更大数量的风能。由于预测的准确性更高，他们能够达到比几年前他们认为可能的更高的风能水平，”华盛顿特区美国风能协会的高级研究主管迈克尔·戈金解释说。
与此同时，他指出，风力涡轮机变得更高，使用更大的叶片，并且比以前更有效地处理较慢的风速。他指出，纽约州和马萨诸塞州等一些州的目标是建设更多的海上风力发电场。
“陆上和海上都有机会，但美国陆地上的风能资源是世界上最好的资源之一，”戈金说。
转载自 Climatewire，经 E&E News 许可。 E&E 在 www.eenews.net 提供有关重要能源和环境新闻的每日报道。