Windenergieonderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy maken deel uit van een team van auteurs die de wetenschappelijke gemeenschap uitnodigen om drie uitdagingen aan te gaan die de innovatie zullen stimuleren die nodig is om wind een van 's werelds belangrijkste bronnen van goedkope elektriciteitsopwekking.

Hun oproep tot actie verscheen in een nieuw tijdschriftartikel gepubliceerd in Wetenschap .

"Mensen denken dat omdat windturbines al tientallen jaren werken, er is geen ruimte voor verbetering. En toch, er moet nog zoveel gebeuren, ", zegt NREL Research Fellow en co-auteur van het artikel Paul Veers. "Windenergie heeft het potentieel om een ​​primaire bron van goedkope energie voor de wereld te zijn, maar we zullen er niet komen op een business-as-usual traject. We hebben wetenschappers en onderzoekers over de hele wereld nodig om samen met ons de onderzoeksuitdagingen van wind aan te pakken."

In het najaar van 2017, NREL riep meer dan 70 windexperts uit 15 landen bijeen om te discussiëren over een toekomstig elektriciteitssysteem waarin wind kan voorzien in de wereldwijde vraag naar schone energie. Op basis van deze workshop artikel hoofdauteurs Veers, NREL Groepsonderzoeksmanager Eric Lantz, en Katherine Dykes van de Technische Universiteit van Denemarken identificeerden drie "grote uitdagingen" in windenergieonderzoek die verdere vooruitgang van de wetenschappelijke gemeenschap vereisen.

Eerste grote uitdaging:beter begrip van de windbron en stroming in het gebied van de atmosfeer waar windenergiecentrales werken.

Naarmate windturbines in hoogte toenemen om meer energiebronnen op te vangen en windcentrales zich over grotere afstanden verspreiden, we moeten de dynamiek van wind op deze hoogten en schalen begrijpen. Het gebruik in het verleden van vereenvoudigde fysieke modellen en elementaire observatietechnologie heeft de installatie van windenergiecentrales en voorspellingen van prestaties in verschillende terreintypen mogelijk gemaakt. Maar er bestaan ​​grote hiaten in onze kennis van windstromen in complex terrein of onder wisselende atmosferische stabiliteitsomstandigheden. De uitdaging is om die verschillende omstandigheden te modelleren, zodat de windinstallatie kan worden geoptimaliseerd, kostenefficiënt, en controleerbaar en geïnstalleerd op de juiste locatie.

Tweede grote uitdaging:de structurele en systeemdynamiek van de grootste roterende machines ter wereld aanpakken.

Windturbines zijn nu de grootste flexibele, roterende machines ter wereld, met bladlengtes van meer dan 80 meter en torens die ruim boven de 100 meter uitsteken. Om dit in perspectief te plaatsen, drie van de grootste passagiersvliegtuigen - Airbus A380-800s - zouden neus-aan-neus kunnen passen in het geveegde gebied van één windturbinerotor. Naarmate machines steeds groter worden, nieuwe materialen en productieprocessen zijn nodig om de opkomende problemen van schaalbaarheid aan te pakken, vervoer, en recyclen. In aanvulling, het snijpunt van turbine- en atmosferische dynamiek roept een aantal belangrijke onderzoeksvragen op. Veel vereenvoudigende aannames waarop eerdere generaties windturbines zijn ontworpen, zijn niet meer van toepassing. De uitdaging ligt niet alleen in het begrijpen van de atmosfeer, maar ook om te ontcijferen welke factoren van cruciaal belang zijn voor zowel de efficiëntie van de elektriciteitsopwekking als de structurele veiligheid.

Derde grote uitdaging:het ontwerpen en exploiteren van windenergiecentrales om de betrouwbaarheid en veerkracht van het net te ondersteunen en te bevorderen.

Hoge wind- en zonne-penetraties zullen de elektriciteitsnetten van de toekomst drastisch veranderen. Wind kan essentiële netdiensten leveren, zoals frequentieregeling, rampen, en spanningsregeling. Innovatieve controles kunnen gebruikmaken van de eigenschappen van windturbines om de energie-output van de fabriek te optimaliseren en tegelijkertijd deze essentiële diensten te leveren. Bijvoorbeeld, het gebruik van big data-technieken op informatie van sensoren die op machines in de fabriek worden verspreid, kan het vastleggen van energie verbeteren, kosten verlagen, en optimaliseer de operaties om aan de netvereisten te voldoen. Het pad naar het realiseren van deze toekomst vereist substantieel onderzoek op de kruispunten van atmosferische stromingsmodellering, individuele turbinedynamiek, en windinstallatiebesturing met de grotere elektrische systeemwerking.

Deze grote uitdagingen voor windonderzoek bouwen op elkaar voort. Het karakteriseren van de werkingszone van de windenergiecentrale in de atmosfeer zal essentieel zijn om vooruitgang te boeken bij het ontwerpen van de volgende generatie van nog grotere goedkope windturbines. Inzicht in zowel de dynamische besturing van de machines als het voorspellen van de aard van de atmosferische instroom zal de besturing van de installatie mogelijk maken die nodig is voor ondersteuning van het net.

"Het aanpakken van deze uitdagingen door een interdisciplinaire wetenschappelijke en technische benadering van windenergie te volgen, zal leiden tot oplossingen die de stand van de techniek op het gebied van energie-output van windenergie bevorderen, " zei NREL Associate Lab Director for Mechanical and Thermal Engineering Sciences en co-auteur van het artikel Johney Green. "Deze aanpak biedt ook de geïntegreerde oplossingen die nodig zijn om het hele systeem - van de turbine tot de fabriek tot het algehele elektriciteitsnet - te laten groeien klaar voor het energiesysteem van de toekomst."