Tre udfordringer for vindenergipotentialet

Vindenergiforskere fra det amerikanske energiministeriums National Renewable Energy Laboratory (NREL) er blandt et team af forfattere, der inviterer det videnskabelige samfund til at tage fat på tre udfordringer, der vil drive den innovation, der er nødvendig for, at vind kan blive en af ​​verdens primære kilder til lavpris. elproduktion.

Deres opfordring til handling dukkede op i en ny tidsskriftsartikel offentliggjort i Videnskab .

"Folk tror, ​​at fordi vindmøller har fungeret i årtier, der er ikke plads til forbedringer. Og stadigvæk, der er så meget mere at gøre, " sagde NREL Research Fellow og artikel medforfatter Paul Veers. "Vindenergi har potentialet til at være en primær kilde til billig energi for verden, men vi kommer ikke dertil på en business-as-usual-bane. Vi har brug for videnskabsmænd og forskere fra hele verden til at slutte sig til os for at løse vindens forskningsudfordringer."

I efteråret 2017, NREL indkaldte mere end 70 vindeksperter, der repræsenterede 15 lande, for at diskutere et fremtidigt elsystem, hvor vind kunne tjene den globale efterspørgsel efter ren energi. Med udgangspunkt i denne workshop, artikel hovedforfattere Veers, NREL Group Research Manager Eric Lantz, og Katherine Dykes fra Danmarks Tekniske Universitet identificerede tre "store udfordringer" inden for vindenergiforskning, som kræver yderligere fremskridt fra det videnskabelige samfund.

Første store udfordring:Forbedret forståelse af vindressourcen og -strømmen i det område af atmosfæren, hvor vindkraftværker opererer.

Efterhånden som vindmøller øges i højden for at fange større energiressourcer, og vindanlæg spredes over større afstande, vi er nødt til at forstå dynamikken i vinden på disse højder og skalaer. Tidligere brug af forenklede fysiske modeller og grundlæggende observationsteknologi har givet mulighed for installation af vindkraftværker og forudsigelser af ydeevne i en række forskellige terræntyper. Men der er store huller i vores viden om vindstrømme i komplekst terræn eller under varierende atmosfæriske stabilitetsforhold. Udfordringen er at modellere de forskellige forhold, så vindanlægget kan optimeres, omkostningseffektiv, og kontrollerbar - og installeret på det rigtige sted.

Anden store udfordring:At adressere struktur- og systemdynamikken i de største roterende maskiner i verden.

Vindmøller er nu de største fleksible, roterende maskiner i verden, med bladlængder på over 80 meter og tårne, der rejser sig et godt stykke over 100 meter. For at sætte dette i perspektiv, tre af de største passagerfly – Airbus A380-800s – kunne passe næse mod næse inden for det fejede område af en vindmøllerotor. Efterhånden som maskinerne bliver større, nye materialer og fremstillingsprocesser er nødvendige for at løse de nye problemer med skalerbarhed, transport, og genbrug. Ud over, skæringspunktet mellem turbine og atmosfærisk dynamik rejser flere vigtige forskningsspørgsmål. Mange forenklede antagelser, som tidligere generationer af vindmøller blev designet ud fra, gælder ikke længere. Udfordringen ligger ikke kun i at forstå atmosfæren, men også ved at dechifrere, hvilke faktorer der er kritiske i både elproduktionseffektivitet og strukturel sikkerhed.

Tredje store udfordring:Design og drift af vindkraftværker for at understøtte og fremme nettets pålidelighed og robusthed.

Høje vind- og solindtrængninger vil drastisk ændre fremtidens elnet. Vind kan levere væsentlige nettjenester, såsom frekvensstyring, rampe, og spændingsregulering. Innovativ kontrol kunne udnytte vindmøllernes egenskaber til at optimere anlæggets energiproduktion, mens de leverer disse væsentlige tjenester. For eksempel, at bruge big data-teknikker på information fra sensorer fordelt på maskiner rundt om på anlægget kan forbedre energifangsten, reducere omkostningerne, og optimere driften for at opfylde netkravene. Vejen til at realisere denne fremtid vil kræve betydelig forskning i skæringspunkterne mellem atmosfærisk strømningsmodellering, individuel turbine dynamik, og vindanlægsstyring med det større elektriske systemdrift.

Disse store vindforskningsmæssige udfordringer bygger på hinanden. At karakterisere vindkraftværkets driftszone i atmosfæren vil være afgørende for at gøre fremskridt med at designe den næste generation af endnu større lavprisvindmøller. Forståelse af både dynamisk styring af maskinerne og forudsigelse af arten af ​​den atmosfæriske tilstrømning vil muliggøre kontrol af anlægget, der er nødvendigt for netunderstøttelse.

"At løse disse udfordringer ved at tage en tværfaglig vindenergi-videnskab og ingeniørtilgang vil føre til løsninger, der fremmer det nyeste inden for vindkraftværkers energiproduktion, " sagde NREL Associate Lab Director for Mechanical and Thermal Engineering Sciences og artiklens medforfatter Johney Green. "Denne tilgang giver også de integrerede løsninger, der er nødvendige for at fremme hele systemet - fra turbinen til anlægget til det overordnede elektriske net - for at gøre os klar til fremtidens energisystem."