Методика анализа
Усовершенствованный анализ энергии ветра на высоте 50 м над территорией США был разработан путем синтеза и пересмотра существующих оценок национальных запасов энергии ветра и других источников. При этом не предпринималось попыток использовать различные системы данных и заново рассчитать энергию ветра. Вследствие природы используемых данных, касающихся ветра, можно считать, что сами по себе эти попытки, как и другие, подобные им, могут дать относительно небольшие положительные результаты. Определение энергии ветра и анализ каждой из применяемых оценок рассматривались с учетом применяемой методики и репрезентативности данных и анализа. Для районов, где имеются большие расхождения между данными, полученными разными методами, предусмотрено также определение причин расхождений.
Разница в типе используемых данных по ветру, принятых допущениях, применяемой методики экстраполяции вертикального профиля ветра и в методах анализа является в основном причиной расхождения в оценках энергии ветра и ее географического распределения.
При разработке усовершенствованного анализа использовались данные оценок энергии ветра у поверхности земли на небольших высотах по наблюдениям с помощью радиозондов распределений скорости на высоте 150 м, оценки энергии ветра в прибрежных водах, рассчитанные для квадранта Марсдена, и данные для баз военно-морского ведомства. Были использованы также данные, относящиеся к оценке энергии ветра в верхних слоях атмосферы и у горных вершин, материалы из других источников, включая сводные климатологические данные центра NCC. Наконец, речь идет о карте изменений топографического рельефа США для оценки изменений средних высот местности на умеренно возвышенной и холмистой территории и карте топографических особенностей для определения районов с гористой местностью.
Был сделан упор на представительность и надежность оценок энергии ветра. Там, где это возможно, использованы сводные Данные о ветре из других источников за более поздний период времени для сравнения с данными, использованными при оценке ресурсов ветра. Например, среднегодовая скорость ветра, которая дается в сводных климатологических данных за последний период (при постоянной высоте расположения анемометра и в основном при хорошем быстродействии приборов), сопоставляется с данными таблиц, полученных фирмой Lockheed. В умеренно возвышенных и холмистых районах на некоторых из станций проверялось влияние того, что они укрыты от ветра.
Над негористой местностью энергетические показатели, основанные на данных радиозондов на высоте 150 м, оцениваются в основном как характерные для сравнительных энергетических моделей. Однако энергия ветра по оценкам, основанным на данных радиозондов, считается в большинстве случаев более низкой на 30—60 °/о и соответственно корректируется.
При анализе ресурсов ветра не рассматриваются большие- величины данных об энергии у поверхности для изолированных, станций. Многие из этих относительно больших величин получены; на станциях, где проведены наблюдения за короткий период по, четырем или менее классам скорости ветра.
Следует иметь в виду, что существует несколько факторов или их комбинаций, в результате действия которых энергия ветра, оцениваемая для станций на суше, может давать значения, завышенные в два раза.
Оценка энергии ветра вдоль прибрежных районов основывается на данных об энергии ветра в прибрежных водах, рассчитанных, для квадранта Марсдена и территорий военно-морских баз, и на оценках для прибрежных мест, подвергающихся воздействию ветра. Оценка энергии ветра над территорией, простирающейся в сторону моря на 300 км или более, дает значения более высокие (коэффициент 2), чём в квадранте Марсдена протяженностью вдоль побережья 100 км. Относительное распределение энергии ветра вдоль прибрежного района оказывается подобным распределению для военно-морских баз и в большинстве случаев составляет по значениям примерно его половину.
Значения энергии ветра для прибрежных вод, основанные на данных измерений на судах и прибрежных станциях, применяются: с осторожностью при оценках энергии ветра вдоль прибрежных районов. Для прибрежных вод при оценках GE рассчитывались только среднегодовые значения. Таким образом, при обобщении сезонные значения для прибрежных вод изменялись пропорционально сезонным изменениям среднегодовых значений для выбранных прибрежных станций.
Оценки энергии ветра, указанные для атлантического и тихоокеанского побережий и морских заливов, применяют для прибрежных мест (мысов и островов), находящихся под действием ветра и прибрежных вод. Для определенной цели эти зоны прибрежных вод могут оценивается на протяжении от линии прилива до 50 км в сторону моря. Предполагается, что энергия ветра может несколько увеличиваться от линии прилива в сторону моря, но это не подтверждается достоверной информацией. Предполагается также, что энергия ветра в прибрежных водах, находящихся под действием ветра и простирающихся до 1 км в сторону моря, более типична для энергии на расстоянии от 10 до 50 км в сторону моря, чем на 1 км в глубь суши, прежде всего вследствие; влияния шероховатости подстилающей поверхности. Вследствие резкого градиента энергии ветра вдоль прибрежной зоны избегалось использование изодин.
Оказалось, что энергия ветра над вершинами гор сильно изменяется и может быть больше на относительно изолированной верхнине, чем на более высокой вершине при гребне горы в том же районе. Поэтому все районы со значительными горами или гребнями гор, т. е. высотой на 500 м и более выше окружающей местности, необходимо анализировать, оценивая действие ветра у вершины горы. Таким образом, районы с разбросанными или изолированными гребнями гор рассчитывают при типовых оценках как для вершин гор, а не на меньшие значения для бассейнов. Эти гористые районы определяются с использованием карты режимов местности и соответствуют заштрихованным площадям на карте ветроэнергетических ресурсов США.
Оценка мощности ветра, приводимая для горных вершин, имеет нижний предел, ожидаемый для типовых мест. Места, где скорость ветра увеличивается благодаря влиянию топографии местности, могут иметь величину, более чем вдвое превышающую значение, полученное по анализу (в северной части штата Нью-Йорк примерно 1500 Вт/м2, на юге центральной части штата Вашингтон 1000 Вт/м2, в прибрежной зоне южной Калифорнии 1500 Вт/м2). Кроме того, сопоставимую мощность ветра, близкую ж горным вершинам, могут иметь горные проходы и ущелья.
Зональные характеристики распределения энергии ветра
Районами с большой удельной мощностью ветра 400 Вт/м2 или выше (рис.1) являются южные и центральные районы озера Транд-Лейк, прибрежные воды и находящиеся под действием ветра прибрежные зоны вдоль северного атлантического и тихоокеанского побережий, южного побережья штата Техас, высокие плато в южной части штата Вайоминг и площади к востоку от Скалистых гор в штате Монтана. Более гористые площади на востоке и западе имеют места, находящиеся под действием ветра со значительным запасом энергии. Многие более низкие, но изолированные горные вершины характеризуются значительной энергией ветра и предпочтительны для установки ветродвигателей, чем более высокие горные хребты. 
Рис. 1. Среднегодовая мощность ветра, Вт/м2, оцениваемая на высоте 50 м над открытой местностью.
Значительная удельная мощность ветра (300 Вт/м2 или более) зарегистрирована также над северными районами озера Гранд-Лейк. Некоторые изолированные площади северной части озера Гранд-Лейк располагают более чем 400 Вт/м2. Фактическое распределение по площади и сопоставимость данных недостаточны для определения масштабов этой площади.
Над районами со сложным рельефом местности (холмы и гористые территории) и прибрежными зонами влияние местного рельефа средних масштабов может привести к большим скоростям ветра. Поэтому может оказаться, что энергия ветра некоторых мест будет превышать на 100 % энергию, получаемую при анализе всех энергоресурсов.
Ограниченные данные имеются для прибрежных вод или прибрежных мест, находящихся под действием ветра, расположенных вдоль озера Гранд-Лейк. Эти данные показывают, что мощность ветра значительно больше над прибрежными водами и зонами, чем над материковыми районами.
Среднегодовая мощность ветра над прибрежными водами озера Гранд-Лейк по оценке составляет 300 Вт/м2, что примерно на 100 Вт/м2 больше, чем средняя мощность над материковыми районами. Предполагается, что восточные берега озера имеют большую энергию ветра, чем западные, вследствие господствующих, западных ветров. В некоторых местах с благоприятными ветровыми условиями предельные значения достигают 500 Вт/м2 .
Рис. 2. Максимальная сезонная мощность ветра над гористыми районами (заштрихованные площади); сезоны относятся к открытым горным местам: W — зима; SP— весна.
На рис. 2 показана максимальная сезонная мощность ветра. Над восточными районами, составляющими одну треть территории страны, максимальная величина энергии ветра приходится на зиму и раннюю весну, за исключением горных вершин, где максимум имеет место зимой. Весной максимум наблюдается над Великими озерами, северо-центральными штатами, побережьем Техаса, большинством негористых районов на западе, т. е. бассейнами и широкими долинами, и прибрежными водами в центральной и южной Калифорнии. Зимой максимум достигается над всеми горными районами, кроме некоторых площадей в штате Нью-Мексико и Аризона, где энергия ветра весной и зимой примерно одинакова.
Зимний максимум имеют также районы северо-западного побережья, высокое плато на южном Вайоминге и полоса в штате Монтана, идущая на восток от Скалистых гор. Единственный район, имеющий максимум летом, — это побережье и прибрежные воды в Южном Орегоне и Северной Калифорнии.
Исследования энергии ветра на Аляске и возможностей ее применения показало, что большинство прибрежных вод и зон побережья располагает здесь большими потенциальными запасами энергии ветра. Как и во всех типичных зонах побережий, энергия ветра резко уменьшается в сторону берега, в особенности вдоль более неровной береговой линии. Область наиболее высокой энергии ветра расположена на Аляске вдоль Алеутского полуострова и цепи островов между 160 и 172° долготы. Побережье и прибрежные воды на Алеутах имеют среднегодовую скорость ветра 7 м/с и более и среднегодовую удельную мощность ветра, превышающую 500 Вт/м2.
Хорошими данными по мощности ветра (от 400 до 500 Вт/м2) располагают также остальные зоны побережья и прибрежных вод Аляски. Энергия ветра по всей внутренней части Аляски и укрытых районов побережья, т. е. заливов, бухт, проливов, оказывается очень малой, исключая горы и изолированные вершины. Некоторые внутренние районы имеют мощность, превышающую 200 Вт/м2. Это прежде всего каньоны и долины, где ветер усиливается благодаря топографии местности, подобно тому, как это происходит на Большой дельте (около 130 км южнее Фербенкса).
Наибольшая среднегодовая скорость ветра уменьшается от юго-запада к северо-востоку Аляски, но ветер при 850 и 700 мбар достаточно сильный, так как для благоприятных в ветровом отношении гористых мест по всей Аляске среднегодовая мощность ветра оценивается по крайней мере в 300—400 Вт/м2.
Мощность ветра вдоль побережья и в прибрежных водах Гавайских островов [23—25] оценивается в 200—300 Вт/м2, однако в некоторых местах с предельными данными превышает 400 Вт/м2. На материковой части островов энергия ветра значительно меньше.
Вертикальный профиль в субтропиках сильно отличается от средних широт. Выше 850 мбар скорость ветра в основном уменьшается здесь с высотой, так что на Гавайях меньшие горные ^вершины имеют большую энергию ветра, чем высокие вулканы.
Суточные изменения энергии ветра, описанные при оценке ресурсов, показывают, что в поверхностных слоях на высоте до 100—200 м ветер на большей части территории имеет тенденцию усиливаться после полудня и затихает после полуночи. Над горными вершинами ветер в основном сильнее ночью. Однако суточные характеристики скорости ветра могут заметно различаться в зависимости от конкретных условий в гористой местности.
Таким образом, можно сделать вывод, что оценка энергий ветра на отдельных метеостанциях сопровождается различными ошибками некоторой неопределенностью в применяемой методике.
Вариации в высоте расположения анемометра и его местоположении и быстродействие приборов могут сказаться на значениях энергии ветра, которая для районов с обычным рельефом местности может различаться в три раза и более. Таким образом, оценки энергии ветра на основе данных измерений метеостанциями должны использоваться с осторожностью.
Обобщенные данные радиозондов, полученные на высоте 150 м: от поверхности, пригодны для определения крупномасштабных энергетических характеристик, но в основном они занижают энергию ветра на 30—60 %. Оценки, полученные при этом, рассматриваются в основном как заниженные. Над прибрежными водами и районами со сложной топографией могут быть места с хорошими ветровыми условиями, где полная энергия ветра превышает указанную выше более чем на 100 % В числе всех районов могут быть несколько изолированных мест или площадей со значительно большей (вплоть до 50 %) энергией ветра.
Анализ показывает, что ряд негористых районов имеет высокую (400 Вт/м2) среднегодовую мощность ветра на высоте 50 м.. К ним относятся центральная и южная часть Великих равнин часть штатов Вайоминг и Монтана, прибрежные воды и побережье северо-восточной и северо-западной Аляски, Гавайи и юг Техаса. Умеренно высокая мощность ветра (13=300 Вт/м2) отмечена в северной части Великих равнин и озера Гранд-Лейк. Имеется возможность выделить места с хорошими ветровыми условиями.
Показано, что гористые районы имеют несколько гор, холмов или перевалов с высоким ветроэнергетическим потенциалом. Исключение составляют районы со сравнительно низкой наибольшей энергией ветра (такие, как, например, юго-запад). Энергия ветра весьма изменчива над гористыми районами и зависит от формы: гор, их ориентации, а также высоты.
Сезонные максимумы энергии ветра приходятся преимущественно на зимний период (для большинства горных районов) в позднюю зиму и раннюю весну — над восточной частью страны и: весну — над центральными штатами США и Великой равниной. По данным большинства наземных метеостанций энергия ветра бывает наибольшей после полудня и снижается после полуночи. Над горными вершинами ветер, как правило, сильнее ночью.
Обобщение ветроэнергетических ресурсов США показало, что значения энергии ветра у поверхности земли необходимо оценивать, используя данные не менее чем за 5—10-летний период я при постоянной высоте расположения анемометра за этот период должны быть использованы результаты обработки данных ежечасных или трехчасовых измерений, имеющихся в центре NCC. Это должно исключить ошибки вследствие изменения или неопределенности в высоте расположения анемометра или числа классов скорости ветра. Кроме того, уменьшается число ошибок, вызванных неправильным расположением приборов. Репрезентативность оценок энергии ветра для отдельных станций должна проверяться более тщательно с учетом ее расположения по отношению окружающей местности и шероховатости подстилающей поверхности, а также расположения анемометра относительно близко находящихся препятствий.
Должны быть более детально исследованы горизонтальная и вертикальная структуры ветра над прибрежными районами и водами. Большинство пригодных для этого прибрежных станций расположено слишком далеко на материке; имеется также неопределенность в использовании данных, полученных на судах.
Для многочисленных мест на территории США имеются ветровые данные, полученные на башнях. Эти обобщения очень полезны при оценке местных и общенациональных энергоресурсов ветра. Ветровые данные, полученные на атомных электростанциях, собраны за последнее время в США. Целесообразно накопление данных, полученных на башнях, включая и башни тепловых электростанций. При использовании существующих данных, полученных на башнях, зависимость скорости ветра от высоты должна оцениваться с учетом шероховатости поверхности, влияния местных особенностей территории, скорости ветра, сезонных и суточных ее изменений, региональных и климатологических характеристик. Имеющиеся зависимости основываются на измерениях, проведенных на ряде башен, разбросанных на большом расстоянии друг от друга по территории страны.
Дополнительную информацию дают особые ветровые данные, собранные и систематизированные университетами, частными и федеральными агентствами. Она необходима для усовершенствования анализа энергии ветра, в особенности в местностях, где данные в настоящее время недостаточны или сомнительны. Обзор рабочих программ для ветроэнергетических систем средней мощности дается программой использования энергии ветра. Подобные обзоры проводятся для отождествления с другими источниками данных путем обзора литературы, телефонной связи и т. п.
Используемая энергия ветра и ее географическое распределение должны оцениваться и описываться для выбранных типов ветроэнергетических установок подобно тому, как это было сделано, с использованием дополнительных данных и усовершенствованной методики анализа. Необходимо оценивать надежность оценок энергии ветра, получаемых с помощью радиозондов, при сопоставлении с оценками, рассчитанными по данным измерений ветра на башнях. Однако необходимо, чтобы число рассматриваемых мест измерений было достаточным для таких сравнений.
