Questo One Change ottiene più potenza dai parchi eolici

Questo One Change ottiene più potenza dai parchi eolici

(Credito: Don Sniegowski / Flickr)

Puntare le turbine leggermente al di fuori della direzione del vento chiamata "wake-steering" può ridurre tale interferenza e migliorare sia la quantità che la qualità di potenza dei parchi eolici, secondo quanto scoperto dalla ricerca.

Il cambiamento probabilmente ridurrebbe anche i costi operativi.

Le turbine eoliche solitarie producono la massima potenza quando puntano direttamente nel vento. Ma quando linee di turbine strettamente affollate affrontano il vento nei parchi eolici, le scie provenienti dai generatori a monte possono interferire con quelle a valle. Come un motoscafo rallentato da un'acqua increspata da una barca di fronte, la scia di una turbina eolica riduce la produzione di chi sta dietro di essa.

"Per raggiungere gli obiettivi globali per la generazione di energia rinnovabile, abbiamo bisogno di trovare modi per generare molta più energia dai parchi eolici esistenti", afferma l'autore senior John Dabiri, professore di ingegneria civile e ambientale e ingegneria meccanica presso la Stanford University. "Il focus tradizionale è stato sulle prestazioni delle singole turbine in un parco eolico, ma dobbiamo invece iniziare a pensare alla fattoria nel suo complesso, e non solo alla somma delle sue parti".

Le scosse a turbina possono ridurre l'efficienza dei generatori di vento sottovento di oltre il 40%. In precedenza, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per dimostrare che le turbine disallineate provenienti dai venti prevalenti potrebbero aumentare la produzione di turbine a valle. Tuttavia, le sfide nel trovare un parco eolico disposto a fermare le normali operazioni per un esperimento e nel calcolare gli angoli migliori per la turbina hanno impedito di mostrarlo in un vero parco eolico, fino ad ora.

Innanzitutto, i ricercatori hanno sviluppato un modo più rapido per calcolare gli angoli di disallineamento ottimali per le turbine, che descrivono in Atti della National Academy of Sciences.

Quindi, hanno testato i loro calcoli su un parco eolico ad Alberta, in Canada, in collaborazione con TransAlta Renewables. La potenza complessiva della fattoria è aumentata fino al 47 per cento nelle basse velocità del vento, a seconda dell'angolo delle turbine, e da 7 al 13 per cento nella velocità media del vento. Lo sterzo di scia ha anche ridotto gli alti e bassi di potenza che normalmente rappresentano una sfida con l'energia eolica.

"Attraverso la sterzata, la turbina anteriore ha prodotto meno energia come ci aspettavamo", afferma l'autore principale Michael Howland, uno studente di dottorato in ingegneria meccanica. "Ma abbiamo scoperto che a causa della diminuzione degli effetti di scia, le turbine a valle hanno generato molta più energia".

Migliorare i parchi eolici

La produzione variabile da parchi eolici rende la gestione della rete più difficile in due modi importanti.

Uno è la necessità di alimentatori di riserva, come le centrali elettriche a gas naturale e le batterie grandi e costose. Nello studio, il miglioramento della potenza a basse velocità del vento è stato particolarmente elevato perché le turbine in genere smettono di girare al di sotto di una velocità minima, tagliando completamente la produzione e costringendo i gestori della rete a fare affidamento sulla potenza di riserva. Con venti lenti, il wake-steering ha ridotto la quantità di tempo che la velocità è scesa al di sotto di questo minimo, i ricercatori hanno scoperto. In particolare, i maggiori guadagni sono stati di notte, quando l'energia eolica è in genere più preziosa come complemento dell'energia solare.

L'altro è la necessità di abbinare esattamente la quantità di elettricità fornita e utilizzata in una regione ogni momento per mantenere la rete affidabile. La turbolenza dell'aria dalle scie può rendere la produzione di parchi eolici irregolare minuto per minuto, un periodo di tempo troppo breve per attivare un generatore di gas. Ciò rende la domanda e l'offerta di corrispondenza più difficili per gli operatori di sistema a brevissimo termine. Hanno strumenti per farlo, ma gli strumenti possono essere costosi. Nello studio, wake steering ha ridotto la variabilità a brevissimo termine della produzione di energia fino al 72%.

Inoltre, ridurre la variabilità può aiutare i proprietari di parchi eolici a ridurre i costi operativi. Le turbolenze nelle scie possono danneggiare le pale della turbina e aumentare i costi di riparazione. Sebbene l'esperimento non sia durato abbastanza a lungo da dimostrare che lo sterzo della veglia riduce l'affaticamento della turbina, i ricercatori suggeriscono che ciò accadrà.

"La prima domanda che molti operatori ci chiedono è come questo influenzerà la salute strutturale a lungo termine delle loro turbine", dice Dabiri. "Stiamo lavorando per individuare gli esatti effetti, ma finora abbiamo visto che è possibile ridurre l'affaticamento meccanico attraverso la sterzata a scia".

Ottenere gli angoli giusti

Per calcolare i migliori angoli di disallineamento per questo studio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modello basato su dati storici del parco eolico.

"La progettazione di parchi eolici è in genere un'attività molto intensa in termini di dati e computazionalità", afferma Sanjiva Lele, professore di aeronautica e astronautica e di ingegneria meccanica. "Invece, abbiamo stabilito rappresentazioni matematiche semplificate che non solo hanno funzionato, ma hanno anche ridotto il carico computazionale di almeno due ordini di grandezza."

Questo calcolo più rapido potrebbe aiutare gli operatori del parco eolico ad utilizzare ampiamente la funzione di "wake steering".

"Il nostro modello è essenzialmente plug-and-play perché può utilizzare i dati specifici del sito sulle prestazioni del parco eolico", afferma Howland. "Diverse località agricole saranno in grado di utilizzare il modello e regolare continuamente i loro angoli della turbina in base alle condizioni del vento."

Sebbene i ricercatori non siano stati in grado di misurare un cambiamento nella produzione di energia annuale a causa della durata limitata di 10-day di questo test sul campo, il passo successivo, dice Dabiri, è di eseguire test sul campo per un anno intero.

"Se possiamo arrivare al punto in cui possiamo applicare questa strategia su larga scala per lunghi periodi di tempo, possiamo potenzialmente ottimizzare l'aerodinamica, la produzione di energia e persino l'uso del suolo per i parchi eolici di tutto il mondo", afferma Dabiri.

Il sostegno alla ricerca è venuto dalla National Science Foundation, dalla Stanford Graduate Fellowship e dal Stanford's TomKat Center for Sustainable Energy. I ricercatori hanno condotto test sul campo in collaborazione con TransAlta Corp.

Fonte: Università di Stanford

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