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风能潜力的三大挑战

日期:2019-10-29    来源:稀世知真

国际新能源网

2019
10/29
09:54

关键词: 可再生能源 风力发电 风力涡轮机

  来自美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的风能研究人员邀请了科学界应对三项挑战,这些挑战将推动风能创新成为全球低成本的主要来源之一发电。
  NREL研究学者和文章的合著者Paul Veers说:“人们认为,由于风力涡轮机已经使用了数十年,因此没有改进的空间。但是,还有很多事情要做。” “风能有可能成为世界上低成本能源的主要来源,但我们不会像往常一样发展。我们需要全世界的科学家和研究人员与我们一起应对风的研究挑战”。
  2017年秋天,NREL召集了代表15个国家/地区的70多位风能专家,讨论了未来的电力系统,其中风能可以满足全球对清洁能源的需求。在该研讨会的基础上,文章的主要作者Veers,NREL集团研究经理Eric Lantz和丹麦技术大学的Katherine Dykes确定了风能研究中的三个“重大挑战”,需要科学界进一步发展。
  第一个重大挑战:更好地了解风力发电厂所在的大气区域的风资源和流动。
  随着风力涡轮机的高度增加以捕获更多的能源,并且风力发电厂的距离越来越远,我们需要了解这些海拔和尺度上的风动力。过去使用简化的物理模型和基本的观测技术可以安装风力发电厂,并可以预测各种地形类型的性能。但是,在我们了解复杂地形或变化的大气稳定条件下的风流方面,存在重大差距。面临的挑战是如何对这些不同的条件进行建模,以便优化,成本有效且可控制的风电场,并将其安装在正确的位置。
  第二大挑战:解决世界上最大的旋转机械的结构和系统动力学问题。
  风力涡轮机现在是世界上最大的柔性旋转机械,叶片长度超过80米,塔筒高度超过100米。从这个角度来看,三架最大的客机-空客A380-800-可以在一个风力涡轮机转子的后掠区域内安放鼻子。随着机器的不断扩大,需要新的材料和制造工艺来解决可扩展性,运输和回收利用这一新兴问题。另外,涡轮与大气动力学的交叉提出了几个重要的研究问题。以前几代风力涡轮机的许多简化假设都不再适用。挑战不仅在于了解大气,还在于解读哪些因素对发电效率和结构安全都至关重要。
  第三大挑战:设计和运营风力发电厂,以支持和促进电网的可靠性和弹性。
  高风和太阳能的渗透将极大地改变未来的电网。风能可以提供基本的电网服务,例如频率控制,斜坡控制和电压调节。创新的控制措施可在提供这些基本服务的同时,利用风力涡轮机的特性来优化工厂的能源输出。例如,使用大数据技术处理分布在工厂周围机器上的传感器提供的信息,可以增强能量捕获,降低成本并优化运营,以满足电网需求。实现这一未来的道路将需要在大气流量建模,单个涡轮机动力学以及较大的电气系统运行的风电场控制的交叉点进行大量研究。
  这些风能研究的巨大挑战是相互依存的。对大气中的风力发电厂运行区域进行表征对于设计下一代甚至更大的低成本风力涡轮机取得进展至关重要。了解机器的动态控制并预测大气流入的性质将能够控制电网支持所需的设备。
  NREL机械与热力工程科学副实验室主任及文章合著者Johney Green表示:“通过采取跨学科的风能科学与工程方法来应对这些挑战,将带来解决方案,从而提高风电厂能源输出的最新水平。” 。 “这种方法还提供了推进整个系统(从涡轮机到电厂再到整个电网)所必需的集成解决方案,以使我们为未来的能源系统做好准备。”
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