Разрабатывают ветряные турбины, устойчивые к ураганам

Прочитано: 139 раз(а)


Ветряные технологии развиваются буквально. Современные морские ветряные турбины могут возвышаться на высоту более 490 футов над землей, а их вращающиеся лопасти производят до 8 мегаватт (МВт) каждая — этого достаточно для питания 4000 домов в США.

Но с их увеличением возникают проблемы. У восточного побережья, где в США расположены морские турбины, все более мощные атлантические ураганы представляют опасность для самих сооружений и для будущего ветровой энергетики. Чтобы сделать эти турбины более устойчивыми к ураганам, команда исследователей из Калифорнийского университета в Боулдере берет пример с природы и поворачивает турбину .

«Мы очень вдохновлены пальмами, которые могут выжить в этих ураганных условиях», — сказала Люси Пао, заведующая кафедрой электротехники, вычислительной техники и энергетики.

Традиционные ветряные турбины обращены к набегающему ветру, и, чтобы их не унесло в башню, их лопасти должны быть достаточно жесткими. Для создания этих относительно толстых и массивных лезвий требуется много материала, что увеличивает их стоимость. Однако лопасти турбины на подветренных роторах обращены в сторону от ветра, поэтому риск их удара о башню при усилении ветра меньше. Это означает, что они могут быть легче и гибче, что требует меньше материала и, следовательно, меньше денег для производства. Эти лопасти с подветренной стороны также могут сгибаться, а не ломаться при сильном ветре, как пальмы .

За последние шесть лет команда Пао совместно с сотрудниками из Университета Вирджинии, Техасского университета в Далласе, Школы горного дела Колорадо и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии разработала SUMR (сегментированный сверхлегкий морфинг-ротор). турбина, двухлопастной несущий винт, чтобы проверить производительность этой легкой концепции в действии. 10 июня на Американской конференции по контролю исследователи из CU представили результаты нового исследования реальных данных за четыре года испытаний их демонстрационной установки мощностью 53,38 киловатт (SUMR-D) в кампусе Flatirons Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), только что к югу от Боулдера, Колорадо.

Увеличение масштабов мировой ветроэнергетики

Они обнаружили, что их турбина стабильно и эффективно работала в периоды пиковых порывов ветра — удовлетворительный результат.

«Лопасти изготовлены легкими и очень гибкими, поэтому они могут выровняться с ветровыми нагрузками. Таким образом, мы можем снизить стоимость лопастей и снизить стоимость энергии», — сказал Мандар Фаднис, ведущий автор нового проекта. изучает материалы Американской конференции по управлению 2022 года и является аспирантом в области электротехники, вычислительной техники и энергетики.

Эта инновационная работа как нельзя кстати. Изменение климата требует не только быстрого расширения масштабов использования более экономичных и надежных возобновляемых источников энергии, но и повышение глобальной температуры также, вероятно, вызывает усиление ураганов.

Ураганная активность в этом году в Атлантике, по прогнозам, будет выше среднего: Центр прогнозирования климата NOAA оценивает до шести крупных ураганов со скоростью ветра 111 миль в час или выше в период с 1 июня по 30 ноября.

Скрытый мозг турбины

Одним из самых сложных элементов производства энергии ветра является работа с недостаточным или слишком сильным ветром одновременно. Когда скорость ветра слишком низкая, турбина не может производить полезное количество энергии. Когда порывы ветра слишком быстры, они могут раздвинуть пределы мощности турбины, заставив ее отключиться, чтобы избежать перегрузки системы.

Непостоянство скорости ветра преследует ветроэнергетику с момента ее появления; потерянное время, затраченное на отключение системы, приводит к уменьшению выработки энергии и снижению эффективности производства.

Ключом к инновационному вкладу Пао являются усовершенствования контроллера — части турбины, которая определяет, когда следует быть более или менее агрессивным в выработке энергии.

«Нам нравится думать о контроллере как о мозге системы», — сказал Пао, старший автор исследования и научный сотрудник Института возобновляемых и устойчивых источников энергии (RASEI).

Этот скрытый мозг призван производить эффективную энергию ветра по низкой цене и с низким износом. По словам Пао, контроллер с обратной связью делает это, используя измерения того, как работает система, а затем корректируя ее для лучшего улучшения производительности.

Контроллер рыскания следит за тем, чтобы турбина была обращена в правильном направлении, контроллер шага лопастей определяет направление лопастей (в зависимости от скорости ветра), а контроллер крутящего момента генератора решает, какую мощность от турбины передать в сеть. Хотя он управляет физическими компонентами турбины, эти контроллеры, по сути, представляют собой программный алгоритм, который сообщает двигателям, что делать.

Группа Пао не только переворачивает турбину, чтобы уменьшить ущерб от сильного ветра, но и работает за кулисами над своим программным обеспечением, чтобы максимизировать способность системы продолжать работать во время пиковых ветров.

«Наша работа пытается предсказать вероятность или вероятность пиковых порывов ветра, а затем пытается смягчить пики скорости, действуя до того, как они произойдут», — сказал Фаднис.

Кампус NREL во Флэтайронс был идеальным местом, чтобы проверить это в действии, поскольку он стратегически расположен для приема сильных ветров, которые дуют с шоссе 93 на плато, после того как они направляются через каньон Эльдорадо прямо на запад.

Там исследователи обнаружили, что даже в ходе обширных экспериментальных испытаний пиковые скорости генератора были ниже порогового значения, позволяющего их операционному контроллеру поддерживать работу турбины.

В отдельном сотрудничестве Пао и ее исследовательская группа работали с Ольденбургским университетом в Германии, чтобы оценить полезность датчиков, которые сканируют перед турбиной, чтобы измерить дующий ветер, и усовершенствованных контроллеров, которые дают команду турбине реагировать упреждающе.

Увеличение масштабов мировой ветроэнергетики

По словам Пао, несмотря на то, что подветренные или двухлопастные турбины, такие как SUMR-D, возможно, не станут доминирующими в отрасли ветроэнергетики, проводя эти многолетние испытания в реальных условиях, исследователи могут лучше понять, что может быть возможно.

Алгоритмы управления, которые они разработали, также могут быть в равной степени применимы к традиционным трехлопастным ветряным турбинам, которые до сих пор доминируют как на наземных, так и на морских рынках.

«Преимущество конфигурации с подветренной стороны, однако, действительно проявляется, когда вы получаете турбины экстремального размера, а они в первую очередь предназначены для оффшорной», — сказал Пао.

Группа Пао уже достигла этих больших высот: вместе со своими сотрудниками они спроектировали и смоделировали (но не испытали экспериментально) крупномасштабные морские турбины SUMR мощностью 25 МВт и 50 МВт (по ветру).

В конечном счете, она считает, что сочетание улучшенных контроллеров, более легких и эластичных материалов и стратегических конфигураций турбин может позволить гигантским морским турбинам опередить конкурентов. Они не только более рентабельны и энергоэффективны, позволяя использовать одну большую турбину вместо множества меньших (что уменьшит затраты на установку и техническое обслуживание), и способны улавливать более высокие скорости ветра выше земли, но они также могут выдерживать более суровая погода обязательно придет.

«Лопасти ветряных турбин, как правило, рассчитаны на срок службы не менее 20 лет, и мы хотим, чтобы наши новые концептуальные лопасти имели такой же длительный срок службы», — сказал Пао.

Разрабатывают ветряные турбины, устойчивые к ураганам



Новости партнеров