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受棕榈树启发,科学家开发出抗飓风风力涡轮机
2022年06月19日    阅读量:449     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

风力技术正在发展鈥攍总之。今天的海上风力涡轮机可以高出地面490英尺以上,它们的旋转叶片每台可产生8兆瓦的功率鈥攁大约足以为美国4000户家庭供电。

但随着规模的不断扩大,挑战也随之而来。在美国近海涡轮机所在的东海岸,越来越强烈的大西洋飓风对建筑物本身和风能的未来构成了风险。为了使这些涡轮机更能抵御飓风,加拿大博尔德大学(CUBoulder)的一个研究小组正从大自然中汲取线索,将涡轮机扭转过来。

帕尔默基金会电气、计算机和能源工程系主席Lucy Pao说:“我们从棕榈树身上获得了很大的生物灵感,棕榈树可以在飓风条件下生存。”。

传统的逆风涡轮机面对迎面而来的风,为了避免被吹进风塔,它们的叶片必须足够坚硬。建造这些相对厚实的叶片需要大量的材料,这就推高了它们的成本。然而,顺风转子上的涡轮叶片背对着风,因此当风力增强时,它们撞击风塔的风险较小。这意味着它们可以更轻、更灵活,这就需要更少的材料,因此可以赚更少的钱。这些顺风叶片也可以在强风面前弯曲而不是折断鈥攎像棕榈树。

在过去六年中,Pao的团队与弗吉尼亚大学、德克萨斯大学达拉斯分校、科罗拉多矿业学院和国家可再生能源实验室的合作者合作开发了SUMR(分段超轻变形转子)涡轮机,这是一种双叶下风转子,用于测试这种轻质概念的性能。6月10日,在美国控制会议上,CU研究人员介绍了一项新研究的结果,该研究对他们在科罗拉多州博尔德南部国家可再生能源实验室(NREL)Flatirons校区测试53.38千瓦演示器(SUMR-D)的四年真实数据进行了测试。

他们发现,在阵风高峰期,他们的涡轮机性能稳定有效鈥攁 结果令人满意。

《2022年美国控制会议论文集》这项新研究的主要作者、电气、计算机和能源工程专业的研究生曼德尔·法德尼斯(MandarPhadnis)说:“叶片制造轻巧且非常灵活,因此它们可以与风荷载对齐。这样,我们可以降低叶片的成本,降低能源成本。”。

这项创新性的工作来得正是时候。气候变化不仅要求我们迅速推广更具成本效益和可靠性的可再生能源,而且全球气温的上升也可能导致飓风加剧。

据预测,今年大西洋的飓风活动将高于平均水平,美国国家海洋和大气管理局的气候预测中心估计,6月1日至11月30日期间,将有多达六次风速为111英里/小时或更高的主要飓风。

涡轮机隐藏的大脑

风能发电最棘手的因素之一是一次处理的风力不足或过多。当风速过低时,涡轮机无法产生有用的能量。当阵风过快时,它们会推动涡轮机的容量极限,导致涡轮机停机以避免系统过载。

自风能诞生以来,风速的不一致性一直困扰着风能;关闭系统所花费的时间减少,导致发电量减少,生产效率降低。

Pao创新贡献的关键在于控制器的改进鈥攖涡轮的一部分,决定何时在发电中更具侵略性。

该研究的资深作者、可再生和可持续能源研究所(RASEI)研究员Pao说:“我们喜欢把控制器本质上看作是系统的大脑。”。

这个隐藏的大脑旨在以低成本和低损耗生产高效风能。Pao说,反馈控制器通过测量系统的性能来实现这一点,然后进行调整以更好地提高性能。

偏航控制器确保涡轮机朝向正确的方向,叶片变桨控制器确定叶片的方向(取决于风速),发电机扭矩控制器决定将涡轮机拉离电网的功率。虽然它控制着涡轮机的物理部件,但这些控制器本质上是一种软件算法,告诉电机该做什么。

Pao的团队不仅将涡轮机调转方向以减少强风造成的损坏,还将在幕后开发其软件,以最大限度地提高系统在大风事件期间保持运行的能力。

法德尼斯说:“我们的工作试图预测峰值阵风发生的可能性或概率,然后通过在峰值发生之前采取行动来缓解速度峰值。”。

NREL的Flatirons校区是测试这一点的最佳场所,因为它的战略位置可以接收穿过93号公路并吹到台地的强风,然后通过埃尔多拉多峡谷直接向西。

在那里,研究人员发现,即使通过广泛的实验测试,发电机的峰值转速也低于运行控制器保持涡轮机运行的阈值。

在另一项合作中,Pao和她的研究小组一直在与德国奥尔登堡大学合作,评估扫描涡轮机前方以测量进来的风的传感器和命令涡轮机主动响应的高级控制器的效用。

扩大世界风能

Pao说,虽然顺风或像SUMR-D这样的双叶涡轮机可能不会主导风能行业,但通过进行这些多年的真实测试,研究人员能够更好地了解可能的情况。

他们开发的控制算法也同样适用于传统的三叶逆风涡轮机,它们仍然主宰着陆地和海上市场。

Pao说:“然而,下风配置的优势实际上是在达到极端规模的涡轮机时实现的,这些涡轮机主要用于海上。”。

Pao的团队已经在解决这些巨大的问题:他们与合作伙伴一起设计并模拟(但未经实验测试)大型海上25 MW和50 MW SUMR(顺风)涡轮机。

最终,她相信,改进的控制器、更轻和有弹性的材料以及战略性涡轮机配置的结合,可以让大型海上涡轮机超越竞争对手。它们不仅更具成本效益和能效,允许使用一台大型涡轮机,而不是许多小型涡轮机(这将减少安装和维护成本),并且能够捕获地面上更高的风速,而且还可以抵御未来更恶劣的天气。

Pao说:“风力涡轮机叶片通常设计寿命至少为20年,我们希望我们的新型概念叶片也能达到同样长的寿命。”。

标签:行业资讯配件与装备系统及软件
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