Giriş: Rüzgar Çiftliği'ndeki Sonraki Sınır

Rüzgar enerjisi, küresel yenilenebilir enerji portföyünün temel taşı haline geldi, milyonlarca ev ve işletmeye temiz elektrik sağlıyor. Ancak, en gelişmiş rüzgar türbinleri bile sadece rüzgar türbinleriyle karşılaşabilecekleri rüzgar çiftliklerinin performansını kısıtlayan tek faktör, türkülasyonlar ve daha düşük atmosfer arasındaki karmaşık etkileşimdir - özellikle de, Dünya yüzeyinin yakınında atmosfere giden bir sınır tabakasının bu rüzgar geçişinin aktif olarak kontrol etmesi için bu rüzgar türbinlerinin önemli ölçüde daha yüksek enerji akışının ortaya çıkmasını sağlar.

Bu makale, araştırmacılar ve mühendisler tarafından geliştirilen kesme yöntemlerinin sınır tabakasını değiştirmek için, arazi yeniden ayarlanabilir yüzeylere ve atmosferik tohumlamalara yeniden yönlendirilmesini araştırıyor. Her yaklaşımın nasıl çalıştığını, mevcut yenilenebilir enerji genişlemesinin ve enerji maliyetinin nasıl yapıldığını inceleyeceğiz.

Atmospheric Boundary Katmanı ve Türbin üzerindeki Etkisini Anlayın

atmosferik sınır tabakası (ABL), Dünya yüzeyi, ısı geçişi ve Coriolis kuvvetleri ile genellikle 100 ila 100 metre arasında yüksekliğe kadar uzanır, çünkü ABL, kendi özelliklerine bağlı olarak – rüzgar hız profili (söpek), turbulence yoğunluğu ve yönsel veer ile şekillendirilir - doğrudan güç kaynağı ve yapısal yükler.

Tipik bir sabit sınır katmanında (günde), rüzgar hızları hızla yüksekliğe ulaşır, teorik kapasite faktörüne neden olabilecek güçlü hear yaratır; etkileşimler ve sınır tabakası etkileri nedeniyle ortalama 10-20 kayıpları yaygındır. ABL gibi engeller, bu cezaları homojenleştirerek azaltılır ve rüzgar profiline doğru gider.

Rüzgar Hız Profil ve Türbin Güç Üretimi

Standart güç yasası rüzgar hızı için yakınlaştırma:0)[Dönemli:2)) α (Dönemli su üzerinde, α yaklaşık 0.1, arazi üzerinde tasarlandığında, yüksek sesleniş ortamları altında kullanılabilir.

Turbulence, Wakes ve Farm-Level Etkileri

Entense türbülans sadece güç çıkarmaz (büyük rüzgar çiftliklerinde, bu uyandırmak için türbinin atmasına ve enerjiden uzaklaşmasına neden olur) ancak tür ortamlara veya akış yapısını değiştirmek için, daha fazla türbülanslı hava durumu hızlanır ve mevcut enerji miktarı büyük rüzgar çiftliklerinde, bu uyandırmak için çok fazla kilometre uzatılabilir.Örneğin, sınır tabakasını değiştirmek için, tür ortamlara kadar azaltılabilir.

Boundary Katman Manipulations

Pratik sınır tabakası manipülasyonu arayışı, her biri eşsiz fiziksel mekanizmalar, uygulama gereksinimleri ve potansiyel yan etkilerle çeşitli yaklaşımlara yol açtı. Aşağıdaki bölümler şu anda soruşturma veya erken ticari dağıtım altında en umut verici teknikleri ayrıntılı olarak detaylandırır.

Yüzeysellik Modification

Bir türbin zemininin arazi kabalığını değiştirmek, toprak yüzeyinin albedo ve nemserin ısıtılması için en doğrudan yollardan biridir. Bu, bitki örtüsü veya bitki örtüsünü içerebilir, yapay kabak elementleri eklemek (küçük çitler, mezar yataklar veya şekillenen arılar gibi), veya toprak yüzeyinin elbedo ve nemsiyonunu değiştirmek için içerikten biridir.

[[Düzücü yönetimi: [Düzücükler: 0,2] Bazı rüzgar çiftlik sitelerinde, araştırmacılar, yüksek çimlerin veya su kaynaklarının kaba bir şekilde toplanması için şerit dikilmesi veya kıvrımlar ile deneyerek deney yaptılar.

[FONT=0]Yerdeki önemli kabalık dizileri: [DÜDÜT:1] Düşük, çit benzeri yapıların veya özel olarak tasarlanmış Vortex Jeneratörlerinin (VGs) zemindeki (NREL)[D) [daha yavaş yüzey katmanı ve daha hızlı hava aloft ile karıştırılabilir. yüksek hızlı bir ivme ile bu kabak elementler dikey oarı azaltır ve daha fazla enerji getirir.

[FONT:0) Akıllı arazi: [Dönetici: [Dönetici:0) Daha gelişmiş kavramlar, gerçek zamanlı rüzgar hızı ve kararlılık ölçümlerine dayanan taşınır kabalık elemanlarını içerir. Örneğin, şişme plastik bumps veya hidrolik ramlar, sınır tabaka profilini dinamik olarak optimize etmek için sabit ve daha düşük kabarık paneller oluşturabilir, bu tür akıllı yüzey sistemleri aktif, talep edilen manipülasyon için potansiyel tutar.

Rüzgar Telleri ve Aerodinamik Engeller

Rüzgar çitleri, bitkileri korumak ve toprak erozyonunu azaltmak için on yıllardır kullanılmıştır, ancak rüzgar çiftliğine uygulanması, daha üniformalı ve enerjik bir rüzgar alanı oluşturmak için yeni bir yenilikdir. İlk türbin tepesine kadar, mühendisler hava akışını ve büyük bir çalkantılı ederek kırılabilir.

[FONT=0) Tasarım parametreleri:[Dönetici, yüksekliğe ve türbinlerden uzaklık kritiktir. Avrupa'daki bazı rüzgar çiftlikleri, sadece bir araya gelen bir uyanma karıştırma bölgesi oluşturmak için bulundu.[Döneticileri, bazı koşullarda% 15'e kadar çitlerin arkasında yatanlar. Modern çitler genellikle farklı rüzgar yolları veya segmentli paneller ile iyi tasarlanmış.

[FONT:0)Aktif engeller:[Döneticiler:[Döneticiler) Başka bir gelişmekte olan konsept, blokajı en aza indirmek için göz ardı edilebilir paneller kullanıyor.Aktif olarak AEP'i 3-7% pahalı temel değişiklikleri gerektirmeden yükseltebilir.

Boundary Katman Aerosols ve Parçacıklarla Tohumlama

Belki de en önemsiz yaklaşım, havadaki nem veya değişimi sağlayan partikülleri içerir - tipik olarak hipnozlu aerosoller veya hatta tuz kristalleri - fiziksel yapısını değiştirmek için. Fikir, hava değişikliği için bulut tohumlamalarından ödünç alınmıştır. Havanın radiative dengesini absorbe ederek, araştırmacılar sıcaklık profillerini değiştirebilir ve dolayısıyla, istikrar ve rüzgar akışını değiştirebilir.

[FONT:0)Mechanism:[Dönetici:[Dönetici:0) Örneğin, Orta Doğu ve Avustralya'daki iyi bir deniz deneylerini serbest bırakmak, ancak en düşük tabakaları belirli bir atmosfer koşullarında serinleyebilir.

[FONT:0)Challenges ve endişeler:[Dönetici:[Dönetici:0) Bu teknik çevresel soruları gündeme getiriyor - toprak, su vücutları ve hava kalitesi üzerindeki potansiyel etkiler. Ek olarak, parçacıklar, türbin bıçakları üzerine depolayabilir, aerodinamik performansı azaltır. Araştırma, biyodegrad edilebilir, non-kororucu tohumlama ajanlarına ihtiyaç duymaya devam ediyor ve tam olarak gerçek zamanlı olarak atmosfer ölçümlerine dayanan olayları hedefle hedefletir.

Akıllı Yüzey Malzemeleri Aible Cabness

Malzeme bilimindeki ilerlemeler, dış uyaranlara yanıt vermede kabalıklarını değiştirebilecek yüzeylere kapıyı açtı - sıcaklık, nem, hatta elektrik sinyalleri. Bu “akıllı yüzeyler” zemine veya türbinin kulesine uygulanabilir ve nacelle'nin aktif olarak yerel sınır tabaka akışlarını yönetmek için kendisi.

[FONT:0]Shape-memory polimerler ve kompozitler:[Dönetici: 0 3) Bazı prototipler ısıtıldığında, küçük sualtılar veya yüzey kabalığı artırmak için tıkanma yeteneğine sahiptir. rüzgarın yüksek devletlere kadar yüksek oranda sertliği artırmak için daha düşük kalabilir.

[FONT:0]Electroaktif yüzeyler:[Dönetici:0] Daha egzotik bir değişken, elektrik alanında değişen elektroaktif polimerleri kullanıyor. Bunlar, Delft Teknoloji Üniversitesi'nde ve doğru kontrol algoritmalarıyla birlikte, çiftler rüzgarı ticari gerçeklikten uzaklara yönlendirebilecek şekilde genişletilebilir.

Plazma Akıcıları ve Sentetik Jets Kullanarak Aktif Akış Kontrolü

Pasif değişiklikler ötesinde, plazma aksiyoncular ve sentetik jetler gibi aktif akış kontrol cihazları, enerjiyi doğrudan bir şekilde ivme profilini değiştirmek için sınır katmanına enjekte etmek için bir yol sunar. Bu küçük, yüksek hızlı cihazlar, bir inek veya bir tür rüzgarın etkisini yeniden yaratabilecek şekilde sanal aerodinamik şekiller oluşturabilir.

[FONT:0]Plasma eylemcileri: [Dönetici:[Dönetici] Bunlar, bir dielektrik tabakası tarafından ayrılmış iki maruz elektrottan oluşuyordu. Yüksek gerilim AC sinyali uygulanırken, hareketçi iyonizelerin yakınında havayı artırmak ve Colorado'daki bir vücut kuvvet (ya da rüzgar) oluşturmak, AEP'nin zemindeki bir türbin başına % 3 artış gösterdi.

[FONT:0]Synal jetler:[Dönümüzdeki hava ve hava ile ısıtılan jetler, daha yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan küçük veya büyük ölçekli yapılara yol açan havalar.Bu jetler, yukarıdan aşağıya doğru hava ile karıştıran vortices üretirler.[2]

Türbin Yeriment Optimizasyonu Boundary Katman Control ile Çiftleştirildi

Sınır tabaka manipülasyonunun izolasyonda çalışmadığı dikkat etmek önemlidir. Bir rüzgar çiftliğindeki türbin düzeni değiştirilmiş akış koşullarıyla güçlü bir şekilde etkileşime girer. Araştırmacılar, çitler, kabalanmış yamalar veya hatta eylemleyici diziler gibi yüksek sadakatli akışkan dinamikleri (CFD) kullanarak yüksek sadakatli akışkan pozisyonları optimize etmek önemlidir.

Örneğin, Avrupa Birliği'nin Ufuk 2020 programı tarafından finanse edilen son bir çalışma, bir merdivenle göz ardı edilen rüzgar çitlerinin azaltılması ve tarım arazileri ile yüksek oranda daha yüksek olan yüksek çözünürlükte 12 oranında artış gösterdi.

Faydaların Sayılanması: Enerji Kaynağı, Türbin Hayatı ve Maliyet

Herhangi bir sınır katmanı manipülasyonu inovasyonunun nihai gerekçesi, mevcut alan verileri ve simülasyon çalışmalarıyla ilgili ekonomik ve operasyonel avantajlarda yatıyor, beklenen kazanımlar üç birincil kategoriye ayrılabilir.

Artan Yıllık Enerji Üretimi (AEP)

Çoğu manipülasyon teknikleri, AEP'in % 2-12'lik potansiyel AEP'in % 2'lik bir artışını gösteriyor. AEP'de mütevazı% 5'lik bir kazanç bile ilk türdeki plazma eylemcileri gibi aktif yöntemler düşük rüzgar çiftliği sırasında hedefli artışlar sağlayabilir.

Azaltılmış Yapısal Yükler ve Bakım Maliyetleri

Sınır tabaka manipülasyonu da aşırı yükleri azaltabilir ve kısa Türbin bileşeninin ömrünü azaltır.O&M) benzer bir oran ile çalışır ve O&M enerji seviyesinin% 30'unu genişletebilir.

Enerji Maliyeti (LCOE) Etkisi

AEP'in O&M tasarruflarıyla birlikte arttığı zaman, LCOE, site koşullarına ve belirli manipülasyon yöntemine bağlı olarak% 5–15 oranında azaltılabilir.For onshore rüzgar çiftlikleri için, bu, fosil yakıtlarla maliyet boşluğu daraltmak anlamına gelebilir.For the limit katmanı manipülasyonu yüzey kabalığı ve çitler iki yıldan daha az bir süre sonra, LCOE azaltımı daha dramatik olabilir.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Sözcülüğe rağmen, sınır tabakası manipülasyonu ana akım haline gelmeden birkaç zorluk aşılmalıdır.

Scalability and Site Bağımlılık ve Site Bağımlılığı

Birçok teknik oldukça siteye bağımlıdır. Kabalık modifikasyonu düz, homojen arazi üzerinde iyi çalışır, ancak yüzlerce kilometre ve vadiyi kapsayan karmaşık peyzajlarda daha az etkilidir. Aktif akış kontrol cihazları sürekli güç ve bakım gerektirir, bu da çok büyük siteler için haklı değildir. Araştırmacılar fabrikaya monte edilebilir ve kolayca dağıtılabilir modüler çözümler üzerinde çalışıyor, ancak yüzlerce kilometrelik araziyi kapsayan pilot testlerden ticari çiftliklerde ölçeklendirme engelleyici ve çevresel izin verme engellerini gerektirir.

Çevre ve Düzenlemeler

Büyük ölçekli yüzey modifikasyonları ve tohumlama yerel mikrolimleri, toprak erozyon desenlerini ve potansiyel olarak vahşi yaşamları etkileyebilir. Örneğin, aerosol tohumlama yerel su kaynaklarını etkileyebilir veya istenmeyen bulut formasyonlarını onaylatmadan önce kapsamlı çevresel etki değerlendirmelerini gerektirecektir.

Grid ve Market Operasyonları ile Entegrasyon

Sınır tabaka manipülasyonundan enerji kazanımlar her zaman sabit değildir - hava istikrarına, mevsime ve günün zamanına bağlı olarak. Grid operatörlerin tahmin edilebilir, yönetilebilir güce sahip. Coupling Limit katmanı kontrolü gelişmiş tahmin ve türev kontrol sistemleri (bireysel nokta kontrolü ve yaw stratejileri gibi) bu teknikleri nasıl iyileştirerek, türdeki rüzgar akışlarını daha güvenilir bir kaynağa dönüştürmeye yardımcı olabilirler.

Path Forward: Araştırma, Şeytanstrasyon ve Standartlaştırma

Hükümetler, araştırma kurumları ve özel sektör ticari hazırlıkları hızlandırmanız gerekiyor. Kuzey Denizi'nde ve Amerikan Büyük Ovalar'da, Avrupa Komisyonu ve ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen birçok büyük ölçekli gösteri projesi zaten ekolojik etkilerin yapılandırılması ile birlikte, Avrupa'da ve ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen ve ABD'nin ortak güven ve çit sistemlerinin performansını doğrulamayı amaçlıyor.

Sonuç: Sürdürülebilir Bir Gelecek için Rüzgarı

Sınır tabaka manipülasyonundaki yenilikler, rüzgar enerjisinin nasıl kullanıldığını temel bir ilerlemeyi temsil ediyor.Aksilik olmayan bir kısıtlama olarak, yeni paradigma, enerji üretimindeki artışları aktif olarak artırmak için, enerji yakalamasını sağlamak için, mekanik stresin türbinlerinde basit kabalık değişiklikleri ve rüzgar çitlerinden sofistike plazma aksiyonlarına ve adaptif akıllı yüzeylere kadar, araç hızla genişliyor.

Araştırma rüzgar tünelinden ve hesaplama çalışmaları tam ölçekli bir alan için ilerledikçe, rüzgar endüstrisi sadece dönüşümden faydalanıyor. Sınır tabaka manipülasyon tekniklerinin standart rüzgar çiftliği tasarımı ve operasyondaki başarılı entegrasyonu sadece kârlılığı artırmakla kalmaz, aynı zamanda geliştiriciler için geçişi hızlandıracaktır, politika yapıcılar ve yatırımcılar için, bu ortaya çıkan alana dikkat etmek sadece titiz değildir - hızla gelişmekte olan küresel enerji piyasasında rekabetçi kalmak için önemlidir.