Undersøgelse giver ny indsigt i udsving i vindenergi, med konsekvenser for teknik og politik

Mængden af ​​energi, der genereres af vedvarende energikilder, svinger afhængigt af den naturlige variation af ressourcer til enhver tid. Solen skinner ikke altid, vinden blæser heller ikke altid, så de traditionelle kraftværker skal køres, klar til at udfylde energigabet med et øjebliks varsel. Fordi nettet ikke har lagerplads, og i modsætning til kul eller atomkraft, der er ingen kontrol over den svingende produktion af vedvarende energi, den energi, de producerer, skal forbruges med det samme, eller risiko for at kollapse det elektriske net. På særligt blæsende dage, for eksempel, strømstigninger genereret af vindmøller har været kendt for at overvælde det elektriske net, forårsager strømafbrydelser. For at undgå dette, operatører af store kraftværker tyder undertiden på at betale forbrugere for at bruge elektricitet på særligt solrige og blæsende dage, når der er for meget overskydende strøm i systemet, for at balancere udbud og efterspørgsel efter energi på nettet.

At håndtere toppe og trug med intermitterende vedvarende energi vil blive stadig mere udfordrende, efterhånden som regeringerne forsøger at udfase mere stabile kuldrevne energikilder i de kommende årtier. For at afbøde eller håndtere disse udsving i vedvarende energi, vi er nødt til at forstå arten af ​​disse udsving bedre. Professor Mahesh Bandi, leder af Collective Interactions Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har brugt turbulensteori kombineret med eksperimentelle vindværksdata til at forklare den statistiske karakter af udsving i vindkraft i et enkelt forfatterpublikat publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .

Vindhastighedsmønstre kan afbildes som et vindhastighedsspektrum på en graf. I 1941, Den russiske fysiker Andrei Kolmogorov udarbejdede spektret af udsving i vindhastigheden. Efterfølgende, det blev vist, at spektret for vindkraft følger nøjagtig samme mønster. Imidlertid, indtil nu, det blev simpelthen antaget, at disse spektre var identiske på grund af forholdet mellem kraft og hastighed, hvor strøm er lig med vindhastighed i terninger. Men dette viste sig at være en rød sild. Professor Bandi har for første gang vist, at spektret af udsving i vindkraft følger det samme mønster som vindhastighedsudsving af en anden grund.

Kolmogorovs resultat fra 1941 gælder for målinger af vindhastighed foretaget på flere distribuerede steder i rummet på samme tid. Men vindkraftudsving ved en turbine måles på et fast sted over en længere periode. De to målinger er fundamentalt forskellige, og ved omhyggeligt at redegøre for denne forskel, Professor Bandi var i stand til at forklare spektret af vindkraftsudsving for en individuel turbine.

Vi kan tænke på turbulens som en luftbold, eller en 'virvel', af svingende vindhastighed. Lang tidsskala, lavfrekvente hvirvler kan strække sig over hundredvis af kilometer. Inde i disse store hvirvler er der kortere tidsskala, højfrekvente hvirvler, der kan strække sig over et par kilometer. Derfor, hvis alle møllerne i det samme vindværk falder inden for de samme korte og lange tidsskalaer, energien, de producerer, svinger, som om hele anlægget var en kæmpe turbine. Det er præcis, hvad professor Bandi fandt, da han så på vindkraftudsvingene på alle møllerne i et vindmølleværk i Texas.

Faktisk, selv geografisk spredte vindkraftværker kan udvise korrelerede svingninger i magt, hvis de falder inden for de samme korte og lange tidsskalaer. Imidlertid, efterhånden som afstanden mellem vindplanter stiger, deres strømudsving begynder at frakoble hinanden. To geografisk spredte vindanlæg kan støde på de samme langsigtede vindhastighedsudsving, mens de støder på helt forskellige kortere tidsskalaudsvingninger.

I fortiden, nogle forskere har undervurderet problemet med turbulens, argumenterer for, at den effekt, der produceres af geografisk spredte vindmøller på blæsende og rolige steder på et hvilket som helst tidspunkt, vil gennemsnitsværdi, når de når et centraliseret net. Imidlertid, Professor Bandi's resultater viser for første gang, at dette fænomen, kendt som 'geografisk udjævning', virker kun i et vist omfang.

Den effekt, der genereres af geografisk spredte mølleanlæg, er gennemsnitlig ved høje frekvenser, fordi mens en plante kan falde inden for den korte tidsmæssige virvel, den anden måske ikke. Med andre ord, stigningen i udgangseffekten på et anlæg er gennemsnittet af et trug i effektudgang fra et andet, langt væk anlæg ved høje frekvenser. Men fordi planterne stadig falder inden for den samme langvarige virvel, den effekt, de producerer, vil have korrelerede udsving ved lave frekvenser. En strømstigning på et vindmølleværk vil falde sammen med stigningen på et fjernt anlæg inden for den samme langvarige virvel, hvilket betyder, at den strøm, de leverer til nettet, ikke kan beregnes i gennemsnit. Det betyder, at der er en naturlig grænse for, hvor meget man kan gennemsnitlige udsving i vindkraft; en grænse, ud over hvilken udsving kan fortsætte med at ødelægge nettet. Ved hjælp af data fra 20 vindmøller i Texas og 224 vindmølleparker i Irland viste professor Bandi, at denne grænse eksisterer i virkeligheden.

"At forstå karakteren af ​​udsving i vindmøllestrøm har umiddelbare konsekvenser for økonomisk og politisk beslutningstagning, "siger professor Bandi.

På grund af variationen i vedvarende energikilder, kulfyrede kraftværker, der leverer backup-energi, holdes kørende i tilfælde af pludselige strømafbrydelser, hvilket betyder, at der produceres mere energi end nødvendigt. Det betyder, at 'grøn' energi stadig bidrager til kulstofemissioner, og der er en tilknyttet omkostning ved opretholdelse af reserveenergi, det vil kun stige, når andelen af ​​vedvarende energikilder stiger i de kommende år. Opdagelsen af ​​en grænse for geografisk udjævning, artikuleret af professor Bandi, vil muliggøre bedre skøn over den operationelle mængde reserver, der skal opretholdes.

Denne opdagelse vil også påvirke miljøpolitikken. Ved at overveje grænsen for gennemsnitlige udsving i magt, kombineret med tilgængeligheden af ​​forskellige vedvarende ressourcer såsom sol, vind og bølger i et bestemt område, beslutningstagere vil være bedre rustet til at udarbejde optimale kombinationer af forskellige energikilder til bestemte regioner

"At forstå karakteren af ​​udsving i vindmøller kan også åbne op for andre muligheder for forskning i andre svingende systemer, "siger professor Bandi.