将风力发电引向新的方向研究表明如何提高风电场的产量

对一个人有益的并不总是对所有人最好。单独的风力涡轮机在直接指向风时产生最大的功率。但是当紧密排列的风力涡轮机面对风力发电场的风时,上游发电机的尾流会干扰下游。就像一艘快艇从前方船只的波涛汹涌的水中减速一样,风力涡轮机的尾流减少了后面船只的输出。

斯坦福大学的一项新研究表明,将涡轮机略微远离迎面而来的风 - 称为尾流转向 - 可以减少干扰并改善风电场的电力数量和质量,并可能降低运营成本。

“为了实现可再生能源发电的全球目标,我们需要找到从现有风电场产生更多能源的方法,”土木与环境工程和机械工程教授,该论文的高级作者John Dabiri说。“传统的焦点一直是风电场中单个涡轮机的性能,但我们需要开始考虑整个农场,而不仅仅是其各个部分的总和。”

涡轮机尾流可将顺风发电机的效率降低40%以上。此前,研究人员已经使用计算机模拟来证明,与盛行风不同的涡轮机可以提高下游涡轮机的产量。然而,在真正的风电场上显示这一点已经受到了寻找风电场的挑战的阻碍,该风电场愿意停止实验的正常运行并且计算涡轮机的最佳角度 - 直到现在。

首先,斯坦福小组开发了一种更快的方法来计算涡轮机的最佳偏差角,他们在美国国家科学院院刊上发表的一项研究中对此进行了描述。

然后,他们与运营商TransAlta Renewables合作,在加拿大艾伯塔省的一个风电场测试了他们的计算结果。在低风速下,农场的总输出功率增加了47% - 取决于涡轮机的角度 - 平均风速为7%至13%。唤醒转向还减少了通常是风力发电挑战的动力和潮流。

“通过尾流转向,前轮机产生的动力比我们预期的要少,”该研究的第一作者,机械工程博士生Michael Howland说。“但我们发现,由于尾流效应减少,下游涡轮机产生的功率显着增加。”

变化性

风电场的可变输出使得以两种重要方式管理电网变得更加困难。

一个是需要备用电源,如天然气发电厂和大型昂贵的电池。在这项新研究中,低风速下的功率改善特别高,因为涡轮机通常会停止低于最低速度的旋转,完全减少生产并迫使电网管理人员依赖备用电源。研究人员发现,在慢速风中,尾流转向减少了速度降至最低值以下的时间。值得注意的是,最大的收益是在夜间,当风能通常作为太阳能的补充最有价值。

另一个是需要精确匹配每个时刻供应和使用的电量以保持电网可靠。来自尾流的空气湍流会使风电场的生产逐渐变得不稳定 - 这个时间段太短,无法启动燃气发电机。这使得供应和需求的匹配在短期内对系统运营商来说更具挑战性。他们有这样做的工具,但工具可能很昂贵。在该研究中,尾流转向将发电的短期变化降低了72%。

此外,减少可变性可以帮助风电场所有者降低运营成本。尾流中的湍流会使涡轮叶片变形并增加维修成本。虽然实验没有持续足够长的时间来证明尾流转向可以减少涡轮疲劳,但研究人员认为这种情况会发生。

“许多运营商问我们的第一个问题是这将如何影响其涡轮机的长期结构健康,”Dabiri说。“我们正在努力确定精确的效果,但到目前为止,我们已经看到你可以通过尾流转向实际上减少机械疲劳。”

建模和长期生存能力

为了计算这项研究的最佳偏差角度,研究人员根据风电场的历史数据开发了一个新模型。

“设计风电场通常是一项非常重要的数据和计算任务,”航空航天教授和机械工程教授Sanjiva Lele说。“相反,我们建立了简化的数学表示,不仅可以工作,而且还可以将计算负荷降低至少两个数量级。”

这种更快的计算可以帮助风电场运营商广泛使用尾流转向。

“我们的模型基本上是即插即用的,因为它可以使用特定于站点的风电场性能数据,”Howland说。“不同的农场位置将能够使用该模型,并根据风况不断调整其涡轮角度。”

虽然研究人员无法测量年度发电量的变化,因为这次现场测试的持续时间有限10天,下一步,Dabiri表示,将进行一整年的现场测试。

“如果我们能够在很长一段时间内大规模部署这一战略,我们就可以为各地的风电场优化空气动力学,电力生产甚至土地利用,”Dabiri说。

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