風力資源評価

風力資源評価は、風力発電開発者が風力発電所の将来のエネルギー生産量を予測するプロセスです。正確な風力資源評価は、風力発電所の開発を成功させる上で非常に重要です。

現代の風力資源評価は、1970 年代後半に最初の風力発電所が開発されて以来行われてきました。使用された手法は、現代の風力発電産業が最初に開発されたデンマークの開発者と研究者によって開拓されました。

高解像度の風力発電資源ポテンシャルのマッピングは、プロセスの複雑さや大量の計算が必要となることから、従来は政府や研究機関によって国レベルで行われてきました。しかし、2015年にデンマーク工科大学は、クリーンエネルギー大臣会合の枠組みの下、世界の風力資源ポテンシャルに関するデータを自由に利用できるようにするために、世界風力アトラス（バージョン1.0）を立ち上げました。世界風力アトラスは、世界銀行と提携して2017年11月にリニューアルされ（バージョン2.0）、現在ではすべての国の風力資源マップが250mの解像度で利用可能です。

同様の国際的な例としては、欧州連合が資金提供している新欧州風力アトラス プロジェクトの下で更新が進められている欧州風力アトラスがあります。

国別風力資源マップの例としては、カナダ風力アトラス、米国風力資源アトラス、および2013年にESMAPが開発途上国に焦点を当てて開始したイニシアチブの下で世界銀行が発行した一連の風力マップなどがあります。 ^{[1]これは、}国連環境計画の以前のイニシアチブである太陽風エネルギー資源評価（SWERA）プロジェクトに続くもので、2002年に地球環境ファシリティの資金提供を受けて開始されました。しかし、これらの国別風力資源マップは、データ品質、方法論、および出力解像度の点で、世界風力アトラスに大きく取って代わられました。

上記の世界および国別のマッピング出力、およびその他の多くの出力は、国際再生可能エネルギー機関（IRENA）が開発した再生可能エネルギーのための世界地図^[2]からも入手できます。この地図には、風力やその他の再生可能エネルギー資源の取り組みに関する公開されているGISデータがまとめられています。

風況調査はこのような地図の使用から始めることができるが、正確性と詳細さに欠けるため、風速データを収集する場所の予備的な選択にしか役立たない。^[3]特別に設置された風速計ステーションからの地上測定や委託された風力発電所からの運用データの増加に伴い、多くの国の風力資源地図の精度は時間とともに向上しているが、ほとんどの発展途上国ではカバー範囲がまだ不完全である。上記の公開されている情報源に加えて、専門のコンサルタントを通じて地図を市販製品として入手したり、GISソフトウェアのユーザーが米国国立再生可能エネルギー研究所の高解像度風力データセットなどの公開されているGISデータを使用して独自の地図を作成したりすることができる。^[4]

精度は向上しているものの、公的または商業的な風力資源マップによって、実用規模の風力発電プロジェクトにおける現地測定の必要性がなくなる可能性は低い。^[5]しかし、マッピングはサイトの特定プロセスをスピードアップするのに役立ち、高品質の地上データがあれば、現地測定に必要な時間を短縮できる。

複数年にわたる風速と電力密度の推定値を平均化した「静的」な風力資源地図に加えて、Renewables.ninjaなどのツールは、さまざまな風力タービンモデルからの風速と電力出力を時間ごとに変化するシミュレーションを1時間ごとの解像度で提供します。^[6]

風力発電所のエネルギー生産量を見積もるには、開発者はまず現場で風を測定する必要があります。風速計、風向計、場合によっては温度、圧力、相対湿度センサーを備えた気象塔が設置されます。これらの塔からのデータは、年間の代表的な風速頻度分布を計算するために、少なくとも 1 年間記録する必要があります。

SODARやLiDARなどのリモートセンシングデバイスによって収集された測定値は、風力業界で受け入れられつつあります。洋上測定キャンペーンでは、浮体式LiDARシステムが標準となっています。^[7]

現場での測定は通常、短期間しか利用できないため、近くの長期基準ステーション(通常は空港) からもデータが収集されます。このデータは、現場で測定されたデータを調整するために使用され、平均風速は現場での測定が利用できない長期間の代表値となります。これらのマップのバージョンは、WindNavigator などのソフトウェア アプリケーションで表示および使用できます。

提案された風力発電所プロジェクトのエネルギー生産量を正確に見積もるには、次の計算が必要です。

• 現地の気象塔間の相関関係:
  • 大規模な風力発電所の敷地には、通常、複数の気象塔が設置されています。各塔には、データが欠落している期間がありますが、別の敷地内の塔では記録されています。欠落しているデータを補うには、最小二乗 線形回帰法や、風に特化したその他の回帰法を使用できます。これらの相関関係は、塔が互いに近く (数 km の距離) にあり、異なる塔のセンサーが同じタイプで、地上から同じ高さに設置されている場合に、より正確になります。
• 長期気象観測所と現地の気象塔との相関関係:
  • 風は年ごとに変化し、発電量は風速の 3 乗に関係するため、短期間 (5 年未満) のオンサイト測定ではエネルギー推定値が非常に不正確になる可能性があります。そのため、オンサイト データの調整には、近くの長期気象観測所 (通常は空港に設置) からの風速データが使用されます。通常は最小二乗線形回帰が使用されますが、他にもいくつかの方法があります。
• 測定された風速をタービンハブの高さに外挿するための垂直せん断:
  • 現代の風力タービンのハブの高さは通常 80 メートル以上ですが、米国ではFAA の許可が必要であり、コストがかかることから、開発者は 60 メートルを超える高さのタワーを設置することに消極的になることが多いです。測定された風速をハブの高さに外挿する最も一般的な方法は、べき乗法則と対数法則の垂直せん断プロファイルです。
• 敷地全体の風速を推定するための風の流れモデリング:
  • 地形が複雑(丘陵) であったり、起伏(植生や建物の高さ)が異なっていたりすると、風速は風力​​発電所の敷地全体で大幅に変化することがあります。風速のこのような変化を計算するには、従来のWAsP線形アプローチまたは新しいCFDアプローチに基づく風の流れモデリング ソフトウェアを使用します。
• 風力タービンメーカーのパワーカーブを使用したエネルギー生産:
  • 長期的なハブ高さの風速が計算されると、メーカーの電力曲線を使用して、風力発電所内の各タービンの総電気エネルギー生産量が計算されます。
• エネルギー損失係数の適用:
  • 風力発電所の純エネルギー生産量を計算するには、総エネルギー生産量に次の損失係数を適用します。
    • 風力タービンの航跡損失
    • 風力タービンの可用性
    • 電気損失
    • 氷、汚れ、虫によるブレードの劣化
    • 高温/低温シャットダウン
    • 強風によるシャットダウン
    • 電力系統の問題による電力削減

風力発電開発者は、さまざまな種類のソフトウェア アプリケーションを使用して風力資源を評価します。

風データ管理ソフトウェアは、風データの収集、保存、取得、分析、検証をユーザーを支援します。通常、風データ セットは気象監視サイトにあるデータ ロガーから直接収集され、データベースにインポートされます。データ セットがデータベースに格納されると、システムに組み込まれたツールを使用して分析および検証したり、外部の風データ解析ソフトウェア、風の流れモデリング ソフトウェア、または風力発電所モデリング ソフトウェアで使用するためにエクスポートしたりできます。

多くのデータ ロガー メーカーは、自社のロガーと互換性のある風データ管理ソフトウェアを提供しています。これらのソフトウェア パッケージは通常、メーカー独自のロガーからのデータのみを収集、保存、分析します。

さまざまなロガーからデータを受け入れ、より包括的な分析ツールとデータ検証を提供できるサードパーティのデータ管理ソフトウェアとサービスが存在します。

風データ分析ソフトウェアは、ユーザーが風データセットから測定エラーを除去し、専門的な統計分析を実行するのに役立ちます。

風の流れのモデリング法では、風の流れの非常に高解像度のマップを計算します。水平解像度は 100 メートル未満であることが多いです。高解像度のモデリングを行う場合、利用可能なコンピューティング リソースを超えないように、これらの小規模モデルで使用される典型的なモデル領域は、水平方向に数キロメートル、垂直方向に数百メートルです。このような小さな領域のモデルでは、風のパターンを左右する中規模の大気現象を捉えることができません。この制限を克服するために、ネストされたモデリングが使用されることがあります。^[8]

風の流れをモデリングするソフトウェアは、測定が不可能な場所における風資源の重要な特性を予測することを目的としています。最も一般的に使用されているソフトウェアアプリケーションは、デンマークのRisø国立研究所で作成されたWAsPです。WAsPは、潜在的な流れモデルを使用して、サイトの地形上を風がどのように流れるかを予測します。Meteodyn WTとWindStationは、代わりに数値流体力学（CFD ）計算を使用する同様のアプリケーションであり、特に複雑な地形ではより正確になる可能性があります。^[9]

風力発電所モデリング ソフトウェアは、計画中の、または既存の風力発電所の挙動をシミュレートし、最も重要なのは、そのエネルギー生産量を計算することを目的としています。ユーザーは通常、風のデータ、高さと粗さの等高線、風力タービンの仕様、背景マップを入力し、環境制限を表すオブジェクトを定義できます。この情報は、制限と建設上の問題を考慮しながら、エネルギー生産を最大化する風力発電所を設計するために使用されます。ZephyCFD、Meteodyn WT、Openwind、Windfarmer、WindPRO、WindSim、WAsPなど、いくつかの風力発電所モデリング ソフトウェア アプリケーションが利用可能です。

近年、^{地元の風力資源からの分散型発電のニーズが高まり、新しいタイプの風力発電所開発が進んでいます。このタイプの風力プロジェクトは、主に農家や工業用地管理者など、}エネルギー要件の高い土地所有者によって推進されています。風力モデリングの観点から特に必要なのは、タービンハブの高さがわずか10メートルから50メートルの範囲であるため、木、生け垣、建物など、すべての地元の特徴を含めることです。風力モデリングのアプローチではこれらの特徴を含める必要がありますが、市販の風力モデリングソフトウェアでこの機能を備えているものはほとんどありません。このモデリング要件を検討するために、世界中でいくつかの作業グループが設立されており、Digital Engineering Ltd (英国)、NREL (米国)、DTU Wind Energy (デンマーク) などの企業がこの分野の開発の最前線に立っており、この目的でメソ CFD 風力モデリング技術の適用を検討しています。