Vindmøllepark ydeevne-forudsigelse og optimering spotlight

Den amerikanske vindindustri vokser - næsten 9 procent op i 2017, da udviklere tilføjede nok kapacitet til at drive 27 millioner amerikanske hjem, ifølge American Wind Energy Association.

Alligevel har vindenergi et stort udækket potentiale. Det amerikanske energiministerium vurderer, at gennemsnitlig, vindmølleparker har kun produceret 30 procent af deres kapacitet siden 1999. Da vindmølleparkejere og ingeniører har forsøgt at forbedre disse odds, en del af problemet er mangel på præcise og overkommelige modeller.

Modellering af vindkraft er en kompliceret bedrift, der involverer at forudsige, hvordan luft vil strømme hen over de enkelte vindmøllevinger, når de interagerer med vinden nær jordens overflade, en region kalder forskerne det atmosfæriske grænselag. Netop at fange et sådant spænd af variable – der strækker sig i størrelse fra meter til kilometer – kræver en ekstraordinær mængde computerkraft.

Eller, som professor John Dabiri udtrykker det:"Når du er færdig med nok simulering til at træffe et designvalg, muligheden er forbi."

Da han flyttede til Stanford i 2015, Dabiri var opsat på at samarbejde med professor Sanjiva Lele, en kollega på Ingeniørskolen. Lele og hans gruppe har banebrydende tilgange til effektivt at simulere atmosfæren. En metode udviklet af hans kandidatassistent Aditya Ghate, MS '14, Ph.D., '18, bruger fysik-motiverede tilnærmelser til at reducere omkostningerne ved at simulere vindmølleparker på en dramatisk måde. Hvor dramatisk?

"Jeg vil sige et tusind gange fald i omkostningerne, " siger Lele.

Efterhånden som Ghate og Lele's metode fik indpas i marken, herunder en fremtrædende publikation i Journal of Fluid Mechanics , Dabiri så synergi mellem deres arbejde og hans baggrund i biologi-inspireret vindenergi. Han har skudt en forskerkarriere i gang ved at øge vindmølleparkernes effekttæthed ved hjælp af design inspireret af stimefisk og søgræssenge, og ved at fokusere på mindre møller, der drejer lodret, snarere end traditionelle propel-stil.

"At starte et projekt og sikre finansieringskilder kan være udfordrende, hvis du ikke allerede har en track record for at have udviklet ideerne, " siger Dabiri. "Det, vi begyndte at arbejde på, var stadig i begyndelsesstadiet."

Så, at indlede deres samarbejde, de søgte om et frøbevilling fra TomKat Center for Sustainable Energy i 2016, og med den støtte på plads, de begyndte at udforske den komplementære rækkevidde af deres forskning. Stanford har sin egen vindmøllepark i det nordlige Los Angeles County, og det virkede som et logisk sted at starte.

"På vores feltsted i det sydlige Californien, du kan bevæge dig rundt i de fysiske turbiner, " siger Dabiri. "Men du skal vælge, OKAY, hvad er den første eksperimentelle konfiguration? Hvad er det andet? Og hvordan prioriterer du dem?"

Det er her, Leles teoretiske ramme kommer ind. Sammen, han og Dabiri kan bruge fysik til at vise vej til lovende retninger for det eksperimentelle design, og, på tur, teststedet rapporterer vindkraftdata tilbage, der enten bekræfter eller omdirigerer de videnskabelige beregninger.

"I den nuværende tidsalder af maskinlæring, data er ofte blevet brugt til at informere modeller - men det, der har manglet, er fysikken, " siger Lele. "Væskemekanikere har en lang tradition for at forsøge at forstå fysikken og komme med enkle modeller."

Deres samlede ekspertise har åbnet nye muligheder for at optimere de mere end 200, 000 vindmøller i øjeblikket i drift verden over. Deres videnskab er allerede ude af laboratoriet og ind i egentlige vindmølleparker, gennem alliancer med et canadisk vindkraftselskab, samt et vindenergikompleks planlagt i det sydlige USA. Med 170, 000 acres og op til 3, 000 megawatt vindkraft, dette kompleks kan blive en af ​​de største vindmølleparker, der nogensinde er bygget.

Professorerne håber, at deres analytiske sweet spot vil give vindmølleparkudviklere den information, de har brug for til at vælge møllestørrelse og -orientering, inden for et budget og en tidslinje, der gør processen handlekraftig. Hvis deres modeller viser sig at være så høj kvalitet, som de håber, så kunne vindmøller verden over bruge værktøjet til at skabe mere overskud og mere vedvarende energi.

"To år siden, Jeg kunne ikke have forestillet mig, hvad John og jeg udretter nu, " siger Lele.