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風能潛力的三大挑戰

2019-11-14 12:59:54   原文來源:中國財經觀察報

NREL風能研究人員,作為文章的其中一組作者,他們邀請科學界共同應對三大挑戰——挑戰將會驅動風力發電的創新需求,使之成為世界上最主要的低成本發電能源之一。

他們的行動號召出現在《科學》(Science)雜志新發表的一篇文章中。

“人們認為,風力發電機已投入工作幾十年,已無改善空間。但實際仍有很多工作要去完成。”NREL的研究員、文章的合作者Paul Veers說道,“風能有潛力成為世界低成本能源的主要來源,但如果一切照舊,我們無法實現這一目標。我們需要世界各地的科學家和研究人員加入,應對風能研究的挑戰。”

2017年秋季,NREL召集了15個國家70多位的風能專家代表,探討未來的電力系統,在該系統中,風能可滿足全球清潔能源的需求。基于這個研討會,文章的主要作者Veers,NREL小組研究組長Eric Lantz和丹麥科技大學的Katherine Dykes確定風能研究中,需要科學界有進一步發展的三個“重大挑戰”。

第一個重大挑戰:增進對風力發電廠所在大氣區域內的風力資源和流動的了解

為捕獲更多的能源,風機越來越高,風力發電廠分布得越來越遠,需了解風能在這些高度與規模下的動力。過去,人們使用的簡化物理模型與基本觀測技術,就可以安裝風電廠,預測各類地形的性能。但對風在復雜地形或不穩定大氣條件下流動的情況,我們知之甚少。這一挑戰在于我們要模擬這些條件,優化風力發電站,使其成為經濟實用、可控的發電站——并安裝在恰當的地方。

第二個重大挑戰:解決世界上最大旋轉機器的結構與動力學問題

現在,風力發電機是世界上最大的柔性旋轉機器,有80米多米長的葉片和100多米高的塔樓。換句話說,三架最大的客機——空客A380-800s——可面對面處在同一風力發電機轉子掃過的區域內。隨著風機不斷變大,我們需要新材料與制造工藝,解決可擴展性、運輸、循環這些新出現的問題。此外,風機與大氣動力學的交叉引出幾個重要的研究問題。前幾代風機的許多簡化假設已不再適用。這一挑戰在于不僅要理解大氣知識,也要辨認出影響發電效率與結構安全的最重要的因素。

第三個重大挑戰:設計運營風力發電站,以支持增強電網的可靠性與彈性

風能與太陽能的高穿透,將極大地改變未來的電網。風能可提供基本的電網服務,如頻率控制、傾斜裝置、電壓調節。新型控制可在提供這些基本服務時,利用風機的特性,優化發電站的能量輸出。比如,運用大數據技術,處理發電廠周圍機器上的傳感器信息,可提高能源捕獲,減少成本,優化操作,滿足電網要求。為實現這一目標,在大氣流動模擬的交叉點、單個渦輪動力學、由風電廠控制的大型電力系統運行這些方面,需要進行大量研究。

這些風能研究的重大挑戰相互依存。找到大氣中風電廠運行區特征,對實現下一代低成本風機設計改進,十分重要。理解機器的動態控制、預測大氣流入的特性,有可能實現對發電站的控制,進而獲得電網支持。

“通過跨學科方法,利用風能科學與工程應對這些挑戰,將有利于找到提升發電廠能源輸出水平的最優解決方案,”NREL機械與熱力工程科學實驗室副主任、文章的合作者Johney Green說道,“這一方法也為推進整個系統——從發電機到發電廠再到整個電網,提供了必要的綜合解決方案——使我們為未來的能源系統做好準備。

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