這一變化從風電場獲得更多力量

這一變化從風電場獲得更多力量

(信用: Don Sniegowski / Flickr)

研究發現,將渦輪機略微遠離迎面而來的風 - 稱為尾流轉向 - 可以減少干擾並提高風電場的電量和質量。

這種變化也可能會降低運營成本。

單獨的風力渦輪機在直接指向風時產生最大的功率。 但是當緊密排列的風力渦輪機面對風力發電場的風時,上游發電機的尾流會干擾下游。 就像一艘快艇從前方船隻的波濤洶湧的水中減速一樣,風力渦輪機的尾流減少了後面船隻的輸出。

“為了實現可再生能源發電的全球目標,我們需要找到從現有風電場獲得更多能源的方法,”斯坦福大學土木與環境工程和機械工程教授,資深作者John Dabiri說。 “傳統的焦點一直是風電場中單個渦輪機的性能,但我們需要開始考慮整個農場,而不僅僅是其各個部分的總和。”

渦輪機尾流可以將順風發電機的效率降低超過40%。 此前,研究人員已經使用計算機模擬來證明,與盛行風不同的渦輪機可以提高下游渦輪機的產量。 然而,尋找願意停止實驗的正常運行和計算渦輪機最佳角度的風電場的挑戰阻礙了在真正的風電場上顯示這一點 - 直到現在。

首先,研究人員開發了一種更快的方法來計算渦輪機的最佳偏差角,他們在此描述 訴訟中的國家科學院院士.

然後,他們與運營商TransAlta Renewables合作,在加拿大阿爾伯塔省的一個風電場測試了他們的計算結果。 在低風速下,農場的總功率輸出增加了47% - 取決於渦輪機的角度 - 以及平均風速的7到13百分比。 喚醒轉向還減少了通常是風力發電挑戰的動力和潮流。

“通過尾流轉向,前輪機產生的動力比我們預期的要少,”主要作者,機械工程博士生Michael Howland說。 “但我們發現,由於尾流效應減少,下游渦輪機產生的功率顯著增加。”

改善風電場

風電場的可變輸出使得以兩種重要方式管理電網變得更加困難。

一個是需要備用電源,如天然氣發電廠和大型昂貴的電池。 在該研究中,低風速下的功率改善特別高,因為渦輪機通常停止旋轉到最低速度以下,完全削減產量並迫使電網管理者依賴備用電源。 研究人員發現,在慢速風中,尾流轉向減少了速度降至最低值以下的時間。 值得注意的是,最大的收益是在夜間,當風能通常作為太陽能的補充最有價值。

另一個是需要精確匹配每個時刻供應和使用的電量以保持電網可靠。 來自尾流的空氣湍流會使風電場的生產逐漸變得不穩定 - 一段時間太短,無法啟動燃氣發電機。 這使得供應和需求的匹配在短期內對系統運營商來說更具挑戰性。 他們有這樣做的工具,但工具可能很昂貴。 在該研究中,尾流轉向將發電的短期可變性降低了72%。

此外,減少可變性可以幫助風電場所有者降低運營成本。 尾流中的湍流會使渦輪葉片變形並增加維修成本。 雖然實驗沒有持續足夠長的時間來證明尾流轉向可以減少渦輪疲勞,但研究人員認為這種情況會發生。

“許多運營商問我們的第一個問題是這將如何影響其渦輪機的長期結構健康,”Dabiri說。 “我們正在努力確定精確的效果,但到目前為止,我們已經看到你可以通過尾流轉向實際上減少機械疲勞。”

獲得正確的角度

為了計算這項研究的最佳偏差角度,研究人員根據風電場的歷史數據開發了一個新模型。

“設計風電場通常是一項非常重要的數據和計算任務,”航空航天和機械工程教授Sanjiva Lele說。 “相反,我們建立了簡化的數學表示,不僅可以工作,而且還可以將計算負荷降低至少兩個數量級。”

這種更快的計算可以幫助風電場運營商廣泛使用尾流轉向。

“我們的模型本質上是即插即用的,因為它可以使用特定於站點的風電場性能數據,”Howland說。 “不同的農場位置將能夠使用該模型,並根據風況不斷調整其渦輪角度。”

雖然研究人員無法測量年度發電量的變化,因為該現場測試的10天持續時間有限,但Dabiri說,下一步是進行整整一年的現場測試。

“如果我們能夠在很長一段時間內大規模部署這一戰略,我們就可以為各地的風電場優化空氣動力學,電力生產甚至土地利用,”Dabiri說。

支持這項研究來自國家科學基金會,斯坦福大學研究生獎學金和斯坦福大學TomKat可持續能源中心。 研究人員與TransAlta公司合作進行了現場測試。

資源: 斯坦福大學

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