引领风力发电新方向:斯坦福大学的研究显示了如何提高风力发电场的产量

对一个人有好处的不一定对所有人都是最好的。

Sanjiva Lele, John Dabiri和Michael Howland通过将风力涡轮机稍稍远离风,他们可以增加风力发电厂的发电量和质量。(图片来源:洛杉矶·西塞罗)

单独的风力涡轮机在直接指向风的时候产生最多的能量。但是当风力发电场中紧密排列的涡轮机面对风时,上游发电机的尾流会干扰下游发电机。就像快艇被前一艘船的波涛汹涌的水流减速一样,风力涡轮机的尾流会降低后一艘船的输出功率。

斯坦福大学的一项新研究表明,将涡轮机稍稍远离迎面而来的风——称为“尾流转向”——可以减少这种干扰,提高风力发电场的电量和质量,并可能降低运营成本。

“为了实现可再生能源发电的全球目标,我们需要找到从现有的风力发电场中生产更多能源的方法,”土木与环境工程、机械工程教授、该论文的资深作者约翰·达贝里(John Dabiri)说。“传统的关注点一直是风电场中单个涡轮机的性能,但我们需要开始把整个风电场作为一个整体来考虑,而不仅仅是各个部分的总和。”

涡轮尾迹能使顺风发电机的效率降低40%以上。此前,研究人员曾利用计算机模拟显示,在盛行风的作用下,涡轮位置失调可能会提高下游涡轮的产量。然而,在一个真正的风电场中展示这一点,一直受到各种挑战的阻碍,包括找到一个愿意停止正常实验操作的风电场,以及计算涡轮机的最佳角度——直到现在。

首先,斯坦福大学的研究小组开发了一种更快的方法来计算涡轮机的最佳失调角度,他们在7月1日发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一项研究中对此进行了描述。

然后,他们与TransAlta可再生能源公司合作,在加拿大阿尔伯塔省的一个风电场测试了他们的计算结果。根据风力涡轮机的角度,农场的总发电量在低速时增加了47%,平均风速时增加了7%到13%。尾流控制还减少了风力发电通常面临的能量涨落。

“通过尾流转向,前涡轮产生的能量比我们预期的要少,”该研究的第一作者、机械工程博士生迈克尔·豪兰德(Michael Howland)说。“但我们发现,由于尾流效应减弱,下游涡轮机产生的电力明显增加。”

可变性

风力发电场的可变产量在两个重要方面加大了电网管理的难度。

Wind farm art

传统上,风电场运营商将涡轮机直接对着风。新的研究表明,将涡轮机稍稍偏离风向可以使尾流远离下游的涡轮机,从而提高风电场的产量。(图片来源:丽贝卡·康特)

其一是需要备用电源,比如天然气发电厂和昂贵的大型电池。在这项新的研究中,低风速下的电力改善尤其显著,因为涡轮机通常会在最低转速以下停止转动,完全减产,迫使电网管理人员依赖备用电力。研究人员发现,在风速较慢的情况下,尾流控制可以减少速度降到最低速度以下的时间。值得注意的是,风力发电的最大收益出现在夜间,而夜间风能作为太阳能的补充通常是最有价值的。

另一个是需要精确匹配一个地区每时每刻的供电量和用电量,以保持电网的可靠性。尾迹产生的空气湍流会使风力发电场的生产分分秒秒都不稳定——时间太短,无法启动燃气发电机。这使得在非常短的时间内,匹配供需对系统运营商来说更具挑战性。他们有这样做的工具,但是工具可能很昂贵。在这项研究中,尾流转向将发电的短期可变性降低了72%。

此外,降低风电场的变异性可以帮助风电场所有者降低运营成本。尾迹的紊流会使涡轮叶片变形,增加维修成本。虽然实验没有持续足够长的时间来证明尾流转向可以减少涡轮疲劳,但研究人员认为这是可能发生的。

“许多运营商问我们的第一个问题是,这将如何影响他们涡轮机的长期结构健康,”达贝里说。“我们正在努力找出确切的效果,但到目前为止,我们已经看到,通过尾流控制,实际上可以减少机械疲劳。”

建模和长期生存能力

为了计算这项研究的最佳角度偏差,研究人员基于风电场的历史数据开发了一个新的模型。

“设计风电场通常是一项非常数据和计算密集型的任务,”航空航天和机械工程教授桑吉瓦莱勒(Sanjiva Lele)说。“相反,我们建立了简化的数学表示,不仅有效,而且还将计算负载减少了至少两个数量级。”

这种更快的计算速度可以帮助风电场运营商广泛使用尾流控制。

Howland说:“我们的模型基本上是即插即用的,因为它可以使用特定站点的风电场性能数据。”“不同的农场将能够使用该模型,并根据风力条件不断调整涡轮机的角度。”

达贝里说,尽管研究人员无法测量年发电量的变化,因为现场测试的时间有限,只有10天,但下一步是进行为期一年的现场测试。

达贝里说:“如果我们能够大规模长期部署这一战略,我们就有可能优化各地风力发电场的空气动力学、电力生产甚至土地利用。”

达比利也是Precourt能源研究所的高级研究员和斯坦福大学Bio-X的成员。乐乐也是斯坦福大学Bio-X的成员。

这项研究得到了国家科学基金会、斯坦福大学研究生奖学金和斯坦福大学TomKat可持续能源中心的支持。现场测试是与TransAlta公司合作进行的。

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