Lepsze modele komputerów potrzebne do mega farm wiatrowych

Ponieważ energia wiatrowa staje się coraz tańsza, deweloperzy farm wiatrowych opracowują plany farm o rząd wielkości większych niż cokolwiek w dzisiejszych czasach, niektóre z ponad 1000 turbin. Ale jest jeden duży problem: ekonomia farm wiatrowych zależy od dokładnych prognoz mocy, a modelowanie zachowania takich dużych farm wiatrowych jest znacznie trudniejsze.

Zmienne wiatry: Symulacja pokazuje wpływ turbulentnych fal na turbiny wiatrowe znajdujące się poniżej. Turbulencja wpływa na powietrze na wysokości nawet kilometra nad ziemią.

W skali od kilkuset do ponad tysiąca turbin wiatrowych symulowanie interakcji między tak wieloma turbinami wiatrowymi w różnych warunkach pogodowych może być zbyt skomplikowane dla obecnych modeli komputerowych. Kwestia ta może mieć poważne konsekwencje dla kosztów energii wiatrowej i jej zdolności do skalowania w celu zastąpienia dużych ilości paliw kopalnych.

Około pięć lat temu słabe gromadzenie danych i nieefektywne modele komputerowe sprawiły, że deweloperzy wiatrowi byli skłonni do przeszacowywania produkcji energii swoich farm o ponad 10 procent, co wystarczyło, aby zniszczyć zyski, a w niektórych przypadkach uniemożliwić im spłatę kredytów. Modele uległy poprawie, ale przeskok do większych farm wiatrowych i rosnąca przewaga zwykłych farm wiatrowych zbudowanych wystarczająco blisko siebie, aby wzajemnie się zakłócały, ponownie podnosi ten problem.

Niektórzy badacze i eksperci branżowi twierdzą, że chociaż modele komputerowe są dobre w szacowaniu produkcji typowych farm wiatrowych liczących od 50 do 100 turbin wiatrowych, będą miały problemy w znacznie większej skali. Gdybyś miał przejść do 1000 turbin wiatrowych, narzędzia branżowe zaczęłyby się psuć, mówi Keith Longtin, dyrektor generalny ds. zarządzania produktami w GE Power and Water.

Mając miliardy dolarów na koncie, deweloperzy nowych, bardzo dużych farm wiatrowych podejmują nadzwyczajne środki, aby spróbować przewidzieć moc wyjściową.

Oczekuje się, że budowa jednej z proponowanych mega farmy wiatrowej z tysiącami turbin, projektu Chokecherry i Sierra Madre na ranczu Overland Trail w Wyoming, rozpocznie się w przyszłym roku.

Deweloperzy projektu mierzyli prędkość wiatru, kierunek, temperaturę i inne warunki pogodowe na miejscu przez pięć lat (dwa lata to standard). Zgromadzili dane z 32 wyposażonych w czujniki wież meteorologicznych, które wznoszą się od 60 do 80 metrów nad pagórkowatymi, porośniętymi szałwią wzgórza rancza, wraz z pomiarami z radaru dźwiękowego (zwanego sodarem), który może skanować wiatr na wysokościach do 200 metrów, wysokość niektórych turbin wiatrowych.

Twórcy wykorzystali również superkomputery do przepuszczania danych przez najnowsze modele komputerowe, opracowane w celu uwzględnienia sposobu, w jaki turbiny wiatrowe wchodzą ze sobą w interakcje — gdy wiatr przez nie przepływa, turbiny wytwarzają fale, które mogą zakłócać działanie turbin znajdujących się w dolnym biegu. Doszli do wniosku, że farma wiatrowa może generować co najmniej 8,76 miliarda kilowatogodzin rocznie, czyli wystarczającą moc dla 770 000 domów.

Jednym z problemów z obecnymi modelami jest to, że nie odzwierciedlają one dokładnie zmienności wiatru, nie tylko na poziomie gruntu, ale nawet setki metrów nad poziomem turbin wiatrowych. Najnowsze badania sugerują, że w niektórych warunkach pogodowych modele mogą drastycznie zaniżać straty w śladzie, mówi Michael Drunsic, starszy konsultant w DNV KEMA, która pomaga programistom oszacować produkcję energii wiatrowej. Ślady niosą dużo dalej niż wcześniej szacowano, mówi. Nie stanowi to dużego problemu w farmach wiatrowych, które mają tylko jeden rząd – na przykład te, które podążają za graniami. Jednak w przypadku dużych farm wiatrowych z wieloma rzędami dłuższe fale mogą mieć wpływ na wiele turbin wiatrowych, obniżając ich wydajność.

Tego rodzaju ustalenia mogą mieć wpływ na rozmieszczenie turbin wiatrowych, zwłaszcza w większych farmach wiatrowych z wieloma rzędami turbin. Charles Meneveau, profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, opracował modele sposobu, w jaki bardzo duże farmy wiatrowe zakłócają powietrze nawet na kilometr nad nimi. Na podstawie niektórych swoich symulacji wykazał, że turbiny powinny być rozmieszczone dwa razy dalej niż zwykle, aby jak najlepiej wykorzystać wiatr. Twierdzi jednak, że jego obecne modele nadal nie są w stanie dokładnie przewidzieć wydajności bardzo dużych farm wiatrowych — patrzą tylko na wydajność przy średnich prędkościach wiatru, a wydajność turbiny wiatrowej może się znacznie różnić w zależności od różnic w warunkach wiatrowych.

Jednak chociaż nowe modele komputerowe identyfikują wyzwania dla dużych farm wiatrowych, przynoszą również dobre wiadomości, mówi Meneveau. Pokazał na przykład, że turbulencje, choć mogą stanowić problem, są również niezbędne w przypadku dużych farm wiatrowych. Bez żadnych turbulencji, pierwsze rzędy farmy wiatrowej zasadniczo blokowałyby wiatr, ograniczając liczbę rzędów, które można zainstalować. Pokazał, że turbulencje faktycznie ściągają wiatr znad farmy wiatrowej. W rezultacie ostatni rząd farmy wiatrowej, choć otrzymuje nieco mniej energii niż pierwszy, może nadal generować energię elektryczną, o ile turbiny wiatrowe są odpowiednio rozmieszczone. Zła wiadomość jest taka, że ​​w przypadku dużych farm wiatrowych ludzie nie do końca wiedzieli, jak radzić sobie z turbulencją, mówi. Dobrą wiadomością jest to, że możesz powiększyć farmę tak, jak chcesz, ponieważ możesz ściągać powietrze z góry.

Meneveau twierdzi, że modele można również wykorzystać do optymalizacji projektu i działania turbin wiatrowych. Na przykład te w pierwszym rzędzie można zaprogramować tak, aby ustawić łopaty tak, aby przepuszczało przez nie więcej wiatru, poprawiając w ten sposób wydajność turbin w kolejnych rzędach, a tym samym zwiększając wydajność całej farmy wiatrowej. Powiązane badania są prowadzone w Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej w Golden w Kolorado (patrz Nowatorskie projekty przenoszą energię wiatrową na wyższy poziom i czy turbiny pionowe będą bardziej wykorzystywać wiatr? ).

Ulepszone modele komputerowe będą miały kluczowe znaczenie dla obniżenia kosztów energii wiatrowej, mówi Drunsic. Im dokładniejsze modele i im pewniejszy deweloper, tym niższy koszt finansowania – mówi.

ukryć