Det som är bra för en är inte alltid bäst för alla.

Solitära vindkraftverk producerar mest kraft när de pekar direkt in i vinden. Men när tätt packade rader av turbiner möter vinden på vindkraftsparker, vaknar från uppströmsgeneratorer kan störa de nedströms. Som en motorbåt saktad av hackigt vatten från en båt framför, kölvattnet från ett vindturbin minskar effekten från de bakom det.

Att peka turbiner en aning bort från mötande vind – kallad wake-steering – kan minska denna störning och förbättra både kvantiteten och kvaliteten på kraften från vindkraftsparker, och förmodligen lägre driftskostnader, visar en ny Stanford-studie.

"För att uppfylla globala mål för förnybar energiproduktion, vi måste hitta sätt att generera mycket mer energi från befintliga vindkraftsparker, sa John Dabiri, professor i byggnads- och miljöteknik och i maskinteknik och senior författare till uppsatsen. "Det traditionella fokuset har varit på prestanda hos enskilda turbiner i en vindkraftpark, men vi måste istället börja tänka på gården som helhet, och inte bara som summan av dess delar."

Turbinvak kan minska effektiviteten hos vindkraftsgeneratorer med mer än 40 procent. Tidigare, Forskare har använt datorsimuleringar för att visa att felinriktning av turbiner från de rådande vindarna kan öka produktionen av nedströms turbiner. Dock, att visa detta på en riktig vindkraftspark har hindrats av utmaningar med att hitta en vindkraftspark som är villig att stoppa normal drift för ett experiment och att beräkna bästa vinklar för turbinen – fram till nu.

Först, Stanford-gruppen utvecklade ett snabbare sätt att beräkna de optimala felinställningsvinklarna för turbiner, som de beskrev i en studie, publicerad 1 juli i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Sedan, de testade sina beräkningar på en vindkraftspark i Alberta, Kanada i samarbete med operatören TransAlta Renewables. Den totala effektuttaget från gården ökade med upp till 47 procent i låga vindhastigheter – beroende på turbinernas vinkel – och med 7 till 13 procent i genomsnittliga vindhastigheter. Wake steering minskade också ebb och flöden av kraft som normalt är en utmaning med vindkraft.

"Genom väckningsstyrning, den främre turbinen producerade mindre effekt som vi förväntade oss, " sa maskinteknik doktorand Michael Howland, huvudförfattare på studien. "Men vi fann att på grund av minskade vakna effekter, nedströms turbinerna genererade betydligt mer kraft."

Variabilitet

Variabel produktion från vindkraftsparker gör det svårare att hantera elnätet på två viktiga sätt.

En är behovet av reservströmförsörjning, som naturgaseldade kraftverk och stora, dyra batterier. I den nya studien, effektförbättringen vid låga vindhastigheter var särskilt hög eftersom turbiner vanligtvis slutar snurra under en lägsta hastighet, minska produktionen helt och tvinga nätförvaltare att förlita sig på reservkraft. I långsamma vindar, wake-steering minskade den tid som hastigheterna sjönk under detta minimum, fann forskarna. I synnerhet, de största vinsterna var på natten, när vindenergi vanligtvis är mest värdefull som komplement till solenergi.

Den andra är behovet av att exakt matcha mängden el som levereras och används i en region varje ögonblick för att hålla nätet tillförlitligt. Luftturbulens från vaknar kan göra vindkraftsproduktionen oregelbunden minut för minut - en tidsperiod som är för kort för att tända en gasgenerator. Detta gör att matcha utbud och efterfrågan mer utmanande för systemoperatörer på mycket kort sikt. De har verktyg för att göra det, men verktygen kan vara dyra. I studien, Wake steering minskade den mycket kortsiktiga variationen i kraftproduktionen med upp till 72 procent.

Dessutom, Att minska variationen kan hjälpa vindkraftsägare att sänka sina driftskostnader. Turbulens i vågor kan belasta turbinbladen och höja reparationskostnaderna. Även om experimentet inte varade tillräckligt länge för att bevisa att wake steering minskar turbintrötthet, forskarna föreslog att detta skulle hända.

"Den första frågan som många operatörer ställer oss är hur detta kommer att påverka den långsiktiga strukturella hälsan hos deras turbiner, ", sa Dabiri. "Vi arbetar med att lokalisera de exakta effekterna, men hittills har vi sett att du faktiskt kan minska mekanisk trötthet genom wake steering."

Modellering och långsiktig lönsamhet

För att beräkna de bästa vinklarna för snedställning för denna studie, forskarna utvecklade en ny modell baserad på historiska data från vindkraftsparken.

"Att designa vindkraftsparker är vanligtvis en mycket data- och beräkningsintensiv uppgift, sa Sanjiva Lele, en professor i flygteknik och astronautik, och maskinteknik. "Istället, vi etablerade förenklade matematiska representationer som inte bara fungerade utan också minskade beräkningsbelastningen med minst två storleksordningar."

Denna snabbare beräkning kan hjälpa vindkraftsoperatörer att använda wake steering i stor utsträckning.

"Vår modell är i huvudsak plug-and-play eftersom den kan använda platsspecifika data om vindkraftsparksprestanda, Howland sa. "Olika gårdsplatser kommer att kunna använda modellen och kontinuerligt justera sina turbinvinklar baserat på vindförhållandena."

Även om forskarna inte kunde mäta en förändring i den årliga kraftproduktionen på grund av den begränsade 10-dagarslängden av detta fälttest, nästa steg, sa Dabiri, är att köra fälttester under ett helt år.

"Om vi ​​kan komma till den punkt där vi kan implementera den här strategin i stor skala under långa tidsperioder, vi kan potentiellt optimera aerodynamiken, kraftproduktion och till och med markanvändning för vindkraftsparker överallt, sa Dabiri.