Wat goed is voor de een, is niet altijd het beste voor iedereen.

Solitaire windturbines produceren het meeste vermogen als ze direct in de wind staan. Maar wanneer dicht opeengepakte rijen turbines tegen de wind in staan ​​op windparken, kielzog van stroomopwaartse generatoren kan interfereren met die stroomafwaarts. Als een speedboot die wordt afgeremd door schokkerig water van een boot ervoor, het zog van een windturbine vermindert de output van degenen erachter.

Door turbines iets weg te richten van tegemoetkomende wind - zogsturing genoemd - kan die interferentie worden verminderd en zowel de kwantiteit als de kwaliteit van het vermogen van windparken verbeteren, en waarschijnlijk lagere bedrijfskosten, blijkt uit een nieuwe Stanford-studie.

"Om de wereldwijde doelstellingen voor de opwekking van hernieuwbare energie te halen, we moeten manieren vinden om veel meer energie op te wekken uit bestaande windparken, " zei John Dabiri, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek en werktuigbouwkunde en senior auteur van het artikel. "De traditionele focus lag op de prestaties van individuele turbines in een windpark, maar we moeten in plaats daarvan gaan nadenken over de boerderij als geheel, en niet alleen als de som der delen."

Turbinekielzog kan de efficiëntie van generatoren voor de wind met meer dan 40 procent verminderen. Eerder, onderzoekers hebben computersimulaties gebruikt om aan te tonen dat het verkeerd uitlijnen van turbines door de heersende winden de productie van stroomafwaartse turbines zou kunnen verhogen. Echter, om dit op een echt windpark te laten zien, werd tot nu toe gehinderd door uitdagingen bij het vinden van een windpark dat bereid is om de normale operaties voor een experiment te stoppen en bij het berekenen van de beste hoeken voor de turbine.

Eerst, de Stanford-groep ontwikkelde een snellere manier om de optimale uitlijningshoeken voor turbines te berekenen, die ze beschreven in een studie, gepubliceerd op 1 juli in Proceedings van de National Academy of Sciences .

Vervolgens, ze testten hun berekeningen op een windpark in Alberta, Canada in samenwerking met operator TransAlta Renewables. Het totale vermogen van het park steeg tot 47 procent bij lage windsnelheden - afhankelijk van de hoek van de turbines - en met 7 tot 13 procent bij gemiddelde windsnelheden. Wake Steering verminderde ook de eb en vloed van kracht die normaal gesproken een uitdaging zijn met windenergie.

"Door zogbesturing, de voorste turbine produceerde minder vermogen dan we hadden verwacht, " zei doctoraatsstudent werktuigbouwkunde Michael Howland, hoofdauteur van het onderzoek. "Maar we ontdekten dat vanwege de verminderde wake-effecten, de stroomafwaartse turbines genereerden aanzienlijk meer vermogen."

Variabiliteit

Variabele output van windparken maakt het beheer van het net op twee belangrijke manieren moeilijker.

Een daarvan is de behoefte aan back-upvoedingen, zoals aardgasgestookte elektriciteitscentrales en grote, dure batterijen. In de nieuwe studie de vermogensverbetering bij lage windsnelheden was bijzonder hoog omdat turbines doorgaans stoppen met draaien onder een minimumsnelheid, de productie volledig afsnijden en netbeheerders dwingen op back-upstroom te vertrouwen. Bij langzame wind, wake-steering verminderde de hoeveelheid tijd dat snelheden onder dit minimum daalden, vonden de onderzoekers. Opmerkelijk, de grootste winst was 's nachts, wanneer windenergie doorgaans het meest waardevol is als aanvulling op zonne-energie.

De andere is de noodzaak om elk moment exact de hoeveelheid geleverde en verbruikte elektriciteit in een regio op elkaar af te stemmen om het net betrouwbaar te houden. Luchtturbulentie van zog kan de productie van windmolenparken van minuut tot minuut grillig maken - een tijdsperiode die te kort is om een ​​gasgenerator op te starten. Dit maakt het voor netbeheerders op zeer korte termijn een grotere uitdaging om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen. Daar hebben ze tools voor, maar de tools kunnen duur zijn. In de studie, wake steering verminderde de variabiliteit van de vermogensproductie op zeer korte termijn met maximaal 72 procent.

Aanvullend, het verminderen van variabiliteit kan eigenaren van windparken helpen hun bedrijfskosten te verlagen. Turbulentie in zog kan turbinebladen belasten en reparatiekosten verhogen. Hoewel het experiment niet lang genoeg duurde om te bewijzen dat zogsturing de vermoeidheid van de turbine vermindert, de onderzoekers suggereerden dat dit zou gebeuren.

"De eerste vraag die veel operators ons stellen, is hoe dit de structurele gezondheid van hun turbines op de lange termijn zal beïnvloeden. " zei Dabiri. "We werken aan het lokaliseren van de exacte effecten, maar tot nu toe hebben we gezien dat je mechanische vermoeidheid daadwerkelijk kunt verminderen door zogsturing."

Modellering en levensvatbaarheid op lange termijn

Om de beste uitlijningshoeken voor deze studie te berekenen, de onderzoekers ontwikkelden een nieuw model op basis van historische data van het windpark.

"Het ontwerpen van windparken is typisch een zeer data- en rekenintensieve taak, " zei Sanjiva Lele, een professor in de luchtvaart en ruimtevaart, en van werktuigbouwkunde. "In plaats daarvan, we hebben vereenvoudigde wiskundige representaties vastgesteld die niet alleen werkten, maar ook de rekenbelasting met ten minste twee ordes van grootte verminderden."

Deze snellere berekening zou exploitanten van windparken kunnen helpen om zogbesturing op grote schaal te gebruiken.

"Ons model is in wezen plug-and-play omdat het locatiespecifieke gegevens over de prestaties van windparken kan gebruiken, " zei Howland. "Verschillende boerderijlocaties zullen het model kunnen gebruiken en hun turbinehoeken continu kunnen aanpassen op basis van windomstandigheden."

Hoewel de onderzoekers geen verandering in de jaarlijkse stroomproductie konden meten vanwege de beperkte duur van 10 dagen van deze veldtest, De volgende stap, zei Dabiri, is om een ​​heel jaar veldtesten uit te voeren.

"Als we het punt kunnen bereiken waarop we deze strategie voor langere tijd op grote schaal kunnen inzetten, kunnen we de aerodynamica optimaliseren, energieproductie en zelfs landgebruik voor windparken overal, ' zei Dabiri.