Loading...
HomeMy WebLinkAboutNaknek Wind Resource Report, Cape Suwarof, final, rev. 0Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind  Resource Report  Report written by:  Douglas Vaught, P.E., V3 Energy, LLC  Date of Report: September 16, 2009         Photo © Doug Vaught   V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  1  Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  2  Summary Information  The wind resource at proposed Cape Suwarof wind power site in Naknek shows very good potential for  wind energy development as a high Class 4 (near Class 5) wind power class resource with excellent tur‐ bulence behavior.  Note that the measured wind power class is higher than predicted by the Alaska  Wind Resource Map (see below) which forecast a Class 3 resource at the test site.  Test Site Location    Alaska Wind Resource Map    Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  3  Meteorological Tower Data Synopsis  Wind power class (High) Class 4 – Good   Wind speed annual average (30 meters) 6.73 m/s  Maximum ten‐minute average wind speed 28.2 m/s  Maximum two second wind gust  37.1 m/s   Wind power density (50 meters) 468 W/m2 (projected)  Wind power density (30 meters) 395 W/m2 (measured)  IEC 61400‐1 3rd edition classification Class III C‐  Weibull distribution parameters k = 1.93, c = 7.59 m/s  Surface roughness .0096 m (rough pasture)  Power law exponent 0.128 (moderate wind shear)  1‐hr autocorrelation coefficient 0.921  Diurnal pattern strength 0.060  Hour of peak wind speed 18  Frequency of calms (4 m/s threshold) 24%  Mean turbulence intensity (30 meters) 0.104 (excellent)  Data start date July 20, 2006  Data end date  July 7, 2009  Tower Sensor Information  Channel Sensor type Height Multiplier Offset Orientation  1 NRG #40 anemometer 30 m 0.765 0.35 ESE  2 NRG #40 anemometer 30 m 0.765 0.35 NNW  3 NRG #40 anemometer 20 m 0.765 0.35 ESE  7  NRG #200P wind vane  (up to 9/18/07) 30 m 0.351 110 290° T  8  NRG #200P wind vane  (after 10/18/07) 28 m 0.351 205 025° T  9 NRG #110S Temp C 2 m 0.136 ‐86.383 N/A  General Site Information  Site number 3398  Site Description Site west of the city of Naknek at Cape Suwarof, on a sloping  bluff above Naknek Bay  Latitude/longitude N 58° 43.709’ W 157° 03.496’, WGS 84  Site elevation 30 meters  Datalogger type NRG Symphonie  Tower type NRG 30‐meter tall tower, 152 mm (6 in) diameter  Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  4    Measured Wind Speeds  The 30 meter anemometer annual wind speed averages (anemometer A and B) are 6.72 and 6.70 m/s.   The 20 meter anemometer annual average wind speed is 6.35 m/s. The maximum recorded wind gust  was 37.1 m/s recorded in January, 2009.    30 m A speed 30 m B speed 20 m speed  Month Mean   Max  10  min.  Max  gust  Weibull  k Weibull c Mean  Max  gust Mean  Max  gust    (m/s) (m/s) (m/s)   (m/s) (m/s) (m/s) (m/s) (m/s)  Jan 7.28 28.2 36.7 1.93 8.22 7.24 37.1 6.73 35.5  Feb 7.53 22.4 28.7 2.18 8.48 7.47 29.1 7.08 28.3  Mar 7.71 23.2 27.1 2.00 8.71 7.71 27.5 7.35 26.0  Apr 7.19 21.3 27.5 1.89 8.09 7.07 27.9 6.85 27.1  May 6.08 26.6 33.6 1.93 6.86 6.14 34.4 5.91 33.6  Jun 5.58 20.5 27.5 2.11 6.30 5.54 28.3 5.36 27.5  Jul 5.98 17.4 22.1 1.99 6.74 5.87 22.9 5.66 21.4  Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  5  Aug 5.76 19.3 24.0 1.91 6.50 5.77 23.7 5.47 24.0  Sep 6.03 20.3 26.3 1.89 6.79 5.97 27.1 5.72 25.6  Oct 6.93 25.9 33.6 2.12 7.81 6.89 33.6 6.53 32.4  Nov 7.55 20.9 27.9 1.99 8.50 7.60 27.9 7.09 26.8  Dec 7.44 22.6 28.7 1.97 8.38 7.45 29.1 6.95 28.7  Annual 6.75 28.2 36.7 1.93 7.59 6.72 37.1 6.39 35.5  Note:  max gust is a two second time average wind speed measurement   Wind Speed Sensor Summary  Variable  Speed 30 m  A  Speed 30 m  B  Speed 20  m  Measurement height (m) 30.0 30.0 20.0  Mean wind speed (m/s) 6.73 6.70 6.37  MMM wind speed (m/s) 6.75 6.72 6.39  Median wind speed (m/s) 6.2 6.1 5.8  Min wind speed (m/s) 0.4 0.4 0.4  Max wind speed (m/s) 28.2 28.5 27.0  Weibull k 1.93 1.96 1.93  Weibull c (m/s) 7.59 7.56 7.19  Mean power density (W/m²) 392 383 336  MMM power density (W/m²) 395 386 338  Mean energy content (kWh/m²/yr) 3,434 3,355 2,940  MMM energy content (kWh/m²/yr) 3,460 3,382 2,960  Energy pattern factor 2.0 2.0 2.0  Frequency of calms (%) 24.5 24.3 27.9  1‐hr autocorrelation coefficient 0.921 0.92 0.922  Diurnal pattern strength 0.060 0.060 0.063  Hour of peak wind speed 18 18 17  MMM = mean of monthly means  Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  6  Monthly Time Series of Wind Speed    Seasonal Wind Profile    Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  7  Daily Wind Profile  The daily wind profile indicates that the lowest wind speeds of the day occur in the morning hours of 4  to 7 a.m. and the highest wind speeds of the day occur during the afternoon and evening hours of 3 to 6  p.m.  The daily variation of wind speed is minimal on an annual basis but more pronounced on a  monthly basis.      Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  8  Wind Shear   The power law exponent was calculated at 0.128 with wind speeds filtered to include only those greater  than 4 m/s, the cut‐in speed for most turbines, indicating moderately low wind shear at the Cape Suwa‐ rof met tower site.  The practical application of this data is that a higher turbine tower height may be  desirable as there will be a worthwhile marginal gain in wind speed and hence power recovery with ad‐ ditional height.  A tower height/power recovery/construction cost tradeoff study is advisable.      Wind Power Density   Another view of wind shear is wind power density by height above ground level. Wind power densi‐ ty is defined as the power per unit area of the wind with units of Watts per square meter.  It is cal‐ culated by multiplying ½ times the air density times the wind speed cubed for each time step.  The  Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  9  equation is P/A = ½*ρ*U3.  The time step values are averaged to produce an overall wind power  density.  The wind power density at 50 meters elevation is a wind industry standard method of comparing  and evaluating sites.  If the anemometer measurement heights are at other than 50 meters, the  wind analysis software uses the power law exponent derived from the two (or more) measurement  heights to extrapolate up or down.  As can be seen in the figure below, power density and hence potential turbine power production  increases substantially with turbine hub height at Naknek’s Cape Suwarof, as is true at most sites.  Note that the measured power densities in the figure below differ from those reported in the data  summary table on page 2 of this report. The figure below uses all collected data (July 2006 through  July 2009) while in the summary table these data are presented as annual averages.    An observation of some interest is to compare by scatter plot the power density and, separately, the  mean wind speed to temperature.  As one can see below, the power producing winds (winds greater  than 4 m/s, the typical wind turbine cut‐in speed) are present through all temperature ranges, even as  low as ‐30° C.  For this reason, it will be important that a turbine for Naknek is capable of cold climate  operation, with a minimum operating temperature at least ‐30° C.  Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  10  Scatterplots       Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  11  Extreme Wind Analysis  Using a Gumbel distribution, one can predict the probability of winds exceeded a certain value within a  defined period of time.  Another way to consider the analysis though is by the concept of return period.   In other words, in a defined period of time, typically 50 years, one can determine the maximum wind  speed likely to occur.  This is important when selecting a wind turbine as manufacturers classify their  turbines by IEC standards of Class (see IEC 61400‐1, edition 3).  At the Naknek test site, using data col‐ lected to date, the maximum predicted 50 year wind speed (ten minute average) at 30 meters is 31.4  m/s  while the maximum predicted 50 year wind gust (two second average) at 30 meters is 41.8 m/s.   This qualifies the site as IEC (International Electrotechnical Commission) Class III, the lowest and most  common extreme wind designation.  Note below for reference the graph of the return period for 10‐ minute average wind speed.    Probability Distribution Function  The probability distribution function provides a visual indication of measured wind speeds in one meter  per second “bins”.  Note that most wind turbines do not begin to generate power until the wind speed  at hub height reaches 4 m/s, known as the “cut‐in” wind speed.  The black line in the graph is a best fit  Weibull distribution.  At the 30 meter level, Weibull parameters are k = 1.93 and c = 7.59 m/s (“k” is the  shape factor and “c” is the scale factor) for the data period.  This shape factor is indicative of a normal  wind distribution for wind power sites.  The PDF information is shown visually in another manner in the second graph, the Cumulative Distribu‐ tion Function.  In this view, one can see that about 25 percent of winds (at 30 meters) are less than 4  m/s, the standard cut‐in speed of most turbines and essentially 100 percent of the winds are less than  25 m/s, the standard high wind cut‐out speed for most turbines.   Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  12      Wind Roses  Naknek winds are multi‐directional with the wind frequency rose indicating frequent north, northeast,  southeast and southwest winds.  This observation is reinforced with reference to the mean value and  total value power density roses below.  Power producing winds are chiefly north‐northeast and south‐ east with secondary power winds from the east and west.  The practical application of this information is  that a site should be selected with adequate freedom from ground interference to the north‐northeast  and southeast directions and if more than one turbine is installed, the turbines should be adequately  spaced apart to prevent downwind shadowing and turbulence problems between the turbines.    Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  13  Note also that a wind threshold of 4 m/s was selected for the definition of calm winds.  This wind speed  represents the cut‐in wind speed of most wind turbines.  By this definition, Naknek experienced approx‐ imately 25 percent calm conditions during the measurement period (see wind frequency roses below).  Wind Frequency Rose, Ch. 7 Vane         Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  14  Wind Frequency Rose, Ch. 8 Vane    Mean Value Rose, Ch. 7 Vane    Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  15  Mean Value Rose, Ch. 8 Vane    Total Value (power density) Rose, Ch. 7 Vane    Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  16  Total Value (power density) Rose, Ch. 8 Vane    Turbulence Intensity  The turbulence intensity is acceptable with a mean turbulence intensity of 0.104 and a representa‐ tive turbulence intensity of 0.130 at 15 m/s wind speed, indicating quite smooth air for wind turbine  operations.  This equates to an International Electrotechnical Commission (IEC) 3rd Edition (2005)  turbulence category C, which is the lowest defined category.  Turbulence Table  Turbulence Intensity (TI) Table, 30 m A speed, 7/20/06 to 7/07/09  Bin Bin Endpoints Records Standard  Midpoint Lower Upper In Mean Deviation Representative Peak  (m/s) (m/s) (m/s) Bin TI of TI TI TI  1 0.5 1.5        3,877 0.430 0.165 0.641 1.444  2 1.5 2.5        7,857 0.208 0.098 0.333 1.000  3 2.5 3.5     13,039 0.142 0.060 0.218 0.697  4 3.5 4.5     16,514 0.116 0.046 0.175 0.667  5 4.5 5.5     18,032 0.104 0.038 0.153 0.574  6 5.5 6.5     16,859 0.098 0.034 0.142 0.419  7 6.5 7.5     15,038 0.096 0.031 0.135 0.370  8 7.5 8.5     12,479 0.095 0.028 0.131 0.383  Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  17  9 8.5 9.5     10,039 0.096 0.026 0.130 0.348  10 9.5 10.5        7,991 0.097 0.025 0.128 0.284  11 10.5 11.5        6,377 0.099 0.023 0.129 0.292  12 11.5 12.5        4,669 0.100 0.022 0.129 0.269  13 12.5 13.5        3,553 0.102 0.022 0.130 0.267  14 13.5 14.5        2,573 0.102 0.021 0.128 0.209  15 14.5 15.5        1,816 0.104 0.021 0.130 0.203  16 15.5 16.5        1,233 0.105 0.020 0.131 0.226  17 16.5 17.5           792 0.106 0.019 0.131 0.237  18 17.5 18.5           485 0.105 0.018 0.127 0.171  19 18.5 19.5           277 0.106 0.020 0.132 0.205  20 19.5 20.5           196 0.105 0.019 0.129 0.159  21 20.5 21.5           103 0.105 0.017 0.127 0.168  22 21.5 22.5              55 0.106 0.024 0.138 0.193  23 22.5 23.5              35 0.111 0.019 0.136 0.147  24 23.5 24.5              34 0.113 0.015 0.132 0.148  25 24.5 25.5              25 0.112 0.011 0.126 0.135  26 25.5 26.5              19 0.114 0.014 0.132 0.141  27 26.5 27.5                9 0.124 0.016 0.144 0.151  28 27.5 28.5                3 0.107 0.005 0.113 0.113  29 28.5 29.5               ‐    30­meter Turbulence Intensity Rose    Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  18  IEC 3rd Edition Turbulence Category Graph    Air Temperature and Density  During the study period, the Cape Suwarof test site recorded an  average temperature of 2.2° C.  The minimum recorded tempera‐ ture during the measurement period was ‐32.8° C and the maxi‐ mum temperature was 29.0° C, indicating a wide variability of an  ambient temperature operating environment important to wind  turbine operations.    Consequent to Naknek’s cool temperatures, the average air density  of 1.274 kg/m3 is over four percent higher than the standard air  density of 1.222 kg/m3 (14.8° C and 100.9 kPa standard temperature and pressure at 30 m elevation),  indicating that Naknek has denser air than the standard air density used to calculate turbine power  curves (note that all turbine power curves are calculate at a sea level standard of 15° C and 101.3 kPa  pressure).    Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  19  Temperature Air Density  Month Mean Min Max Mean Min Max    (°C) (°C) (°C) (kg/m³) (kg/m³) (kg/m³)  Jan ‐10.4 ‐32.8 11.4 1.330 1.221 1.463  Feb ‐8.3 ‐29.1 8.8 1.318 1.221 1.441  Mar ‐7.4 ‐22.5 8.0 1.296 1.221 1.403  Apr 1.7 ‐14.2 15.9 1.280 1.217 1.358  May 7.7 ‐2.9 21.7 1.252 1.193 1.301  Jun 11.1 2.3 29.0 1.236 1.164 1.277  Jul 13.3 6.6 24.9 1.227 1.180 1.257  Aug 13.9 4.8 23.4 1.225 1.186 1.265  Sep 11.1 1.7 20.4 1.235 1.198 1.279  Oct 2.9 ‐16.6 15.0 1.264 1.220 1.371  Nov ‐4.3 ‐23.4 10.6 1.309 1.239 1.408  Dec ‐6.1 ‐25.5 9.7 1.318 1.243 1.420  Annual 2.2 ‐32.8 29.0 1.274 1.164 1.463  Data Quality Control  Data was filtered to remove presumed icing events that yield false zero wind speed data.  Data that met  the following criteria were filtered:  wind speed < 1 m/s, wind speed standard deviation = 0, and tem‐ perature < 3 °C.  Other obvious icing event data not meeting these criteria were filtered manually.  Note that the met tower collapsed on September 18, 2007 due to a guy wire anchor that failed.  Fortu‐ nately, the tower fell straight over and sustained only minor damage.  On October 18, 2007, the met  tower was reinstalled at the same location with new sensors.  The new wind vane was connected to  Channel 8 because of anomaly with Channel 7 after the tower collapse.    Possible Valid Recovery  Label Units Height Records Records Rate (%)  Speed 30 m A m/s 30 m 155,952 145,266 93.2 Speed 30 m A SD m/s 155,952 145,266 93.2 Speed 30 m A Max m/s 155,952 147,367 94.5 Speed 30 m A Min m/s 155,952 147,367 94.5 Speed 30 m B m/s 30 m 155,952 145,189 93.1 Speed 30 m B SD m/s 155,952 145,189 93.1 Speed 30 m B Max m/s 155,952 147,367 94.5 Speed 30 m B Min m/s 155,952 147,367 94.5 Speed 20 m m/s 20 m 155,952 145,680 93.4 Speed 20 m SD m/s 155,952 145,680 93.4 Speed 20 m Max m/s 155,952 147,367 94.5 Naknek, Alaska (Cape Suwarof) Wind Resource Report     V3 Energy, LLC, Eagle River, Alaska  20  Speed 20 m Min m/s 155,952 147,367 94.5 Direction 30 m ° 30 m 155,952 62,963 40.4 Direction 30 m SD ° 155,952 62,963 40.4 Direction 30 m  Max ° 155,952 63,940 41.0 Direction 30 m  Min ° 155,952 63,940 41.0 Direction 28 m ° 28 m 155,952 85,003 54.5 Direction 28 m SD ° 155,952 81,767 52.4 Direction 28 m  Max ° 155,952 85,279 54.7 Direction 28 m  Min ° 155,952 92,419 59.3 Temperature °C 155,952 143,756 92.2 Temperature SD °C 155,952 143,772 92.2 Temperature Max °C 155,952 143,301 91.9 Temperature Min °C 155,952 143,748 92.2