Исследователи из Ольденбургского университета в Германии разработали новую статистическую модель, с помощью которой они могут описывать турбулентность ветра со значительно большей точностью, чем когда-либо прежде. Группа ученых из Института физики и Центра исследований ветроэнергетики ForWind также разработала метод, использующий эту модель для расчета полностью трехмерных полей ветра на основе данных из ограниченного числа реальных точек измерения.
Как сообщает группа под руководством доктора Яна Фридриха в научном журнале PRX Energy , метод подходит для применения не только в области ветроэнергетики , но и в других областях, например, при расчете концентрации аэрозолей или распределения загрязняющих веществ в атмосфере. турбулентные потоки.
Производители ветряных турбин должны иметь возможность максимально точно описать ветровую нагрузку на лопасти ротора, чтобы оценить нагрузку на компоненты. Операторы ветряных электростанций также должны знать уже на этапе планирования, каковы ожидаемые ветровые условия в определенном месте, чтобы прогнозировать переменные, такие как электрическая мощность или генерация шума.
Для проведения такого анализа ветроэнергетика работает с математическими моделями, в которых используются статистические описания колебаний скорости ветра. Однако эти «модели поля ветра» имеют большой недостаток, как объясняет Фридрих: «В этих моделях отсутствуют порывы ветра. В моделях ветер дует гораздо более стабильно, чем в реальном мире».
Когда выигрыш в лотерею не такая уж и редкость
Группа под руководством физика из Ольденбурга профессора доктора Йоахима Пейнке еще в 2012 году доказала, что экстремальные колебания скорости ветра в естественной среде происходят гораздо чаще, чем в обычно используемых моделях. «Событие, которое, согласно широко применяемой гауссовской статистике, должно происходить только раз в 1250 лет, в реальном мире происходит один раз в час», — объясняет Пейнке, который также принимал участие в текущем исследовании.
Другими словами, события, которые должны быть такими же невероятными, как выигрыш в лотерею, например, порывы ветра , выкорчевывающие дерево, на самом деле не так уж редки. До сих пор существовало только временное решение этой проблемы: в приложениях порывы ветра искусственно добавляются к моделям ветра. Но такой подход неадекватно воспроизводит реальные условия, а также отнимает много вычислительного времени.
С помощью своей новой модели Фридрих и его коллеги из Ольденбурга смогли синтезировать трехмерные реалистичные поля ветра, включая турбулентность, с относительно небольшими вычислительными затратами. Ключевым достижением их работы было случайное наложение нескольких слегка различающихся классических гауссовых статистик на каждую из пространственных точек. Команда может настроить статистические свойства результирующего поля ветра, называемого «суперстатистическим случайным полем», по мере необходимости, чтобы интенсивность и частота турбулентности в соответствующем месте соответствовали реальным условиям.
Полная картина всего по нескольким точкам измерения
В своем исследовании команда также описывает, как их модель можно использовать для точного создания полностью трехмерного реалистичного поля ветра с использованием данных всего из нескольких точек измерения. «Мы можем заполнить, так сказать, промежутки между точками, расположенными в массиве мачт метеорологических измерений», — объясняет Фридрих. Этот новый подход также интересен для практического применения в секторе ветроэнергетики, и в то же время позволяет решать важные исследовательские вопросы с использованием новых методов.
По словам команды, этот метод восстановления полей ветра физических параметров измерения на основе ограниченного количества данных имеет широкий спектр применений . Например, его можно использовать для подробного моделирования концентрации загрязняющих веществ или распределения температуры в городских условиях с использованием всего нескольких точек данных реальных измерений.
