🏆 ▷ Inspirerade av palmer utvecklar forskare orkantåliga vindkraftverk

Lucy Pao, Palmer-begåvad ordförande vid avdelningen för el-, dator- och energiteknik; Mandar Phadnis, doktorand i el-, dator- och energiteknik; och Dan Zalkind, tidigare doktorand vid Pao’s, vid NREL Flatirons Campus med den tvåbladiga SUMR-D-turbinen direkt till höger om dem. Kredit: Kelsey Simpkins / CU Boulder

Vindtekniken växer — bokstavligen. Dagens havsbaserade vindkraftverk kan stå högt mer än 490 fot över marken, och deras snurrande blad kan köra ut upp till 8 megawatt (MW) vardera – ungefär tillräckligt för att driva 4000 hem i USA

Men med deras ökande storlek kommer utmaningar. Utanför östkusten, där offshore-turbiner finns i USA, utgör allt kraftigare atlantorkaner risker för själva strukturerna och för vindenergins framtid. För att göra dessa turbiner mer orkantåliga, tar ett team av CU Boulder-forskare en cue från naturen och vänder turbinen.

“Vi är mycket bioinspirerade av palmer, som kan överleva dessa orkanförhållanden”, säger Lucy Pao, Palmer Endowed ordförande vid avdelningen för el-, dator- och energiteknik.

Traditionella vindkraftverk möter den inkommande vinden och för att undvika att blåsas in i tornet måste deras blad vara tillräckligt styva. Det krävs mycket material för att bygga dessa relativt tjocka och massiva blad, vilket driver upp kostnaderna. Turbinbladen på medvindsrotorer är dock vända bort från vinden, så det är mindre risk att de träffar tornet när vinden tilltar. Det betyder att de kan vara lättare och mer flexibla, vilket kräver mindre material och därför mindre pengar att tjäna. Dessa medvindsblad kan då också böjas istället för att gå sönder när det blåser kraftigt – ungefär som palmer.

Under de senaste sex åren, i samarbete med medarbetare vid University of Virginia, University of Texas i Dallas, Colorado School of Mines och National Renewable Energy Laboratory, har Paos team samarbetat för att utveckla SUMR (Segmented Ultralight Morphing Rotor) turbin, en tvåbladig, nedvindsrotor för att testa prestandan hos detta lättviktskoncept i aktion. Den 10 juni vid American Control Conference presenterade CU-forskarna resultat från en ny studie av fyra år av verklig data från att testa deras 53,38 kilowatt demonstrator (SUMR-D) vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) Flatirons Campus, precis söder om Boulder, Colorado.

De fann att deras turbin presterade konsekvent och effektivt under perioder med kraftiga vindbyar – ett tillfredsställande resultat.

Inspirerade av palmer utvecklar forskare orkantåliga vindkraftverk

– Bladen är tillverkade för att vara lätta och mycket flexibla, så att de kan anpassas efter vindbelastningen. På så sätt kan vi minska kostnaderna för bladen och få ner energikostnaderna, säger Mandar Phadnis, huvudförfattare till den nya studien i Förhandlingarna från den amerikanska kontrollkonferensen 2022, och en doktorand i el-, data- och energiteknik.

Detta innovativa arbete kunde inte komma vid en bättre tidpunkt. Klimatförändringarna kräver inte bara att vi snabbt skalar upp mer kostnadseffektiv och tillförlitlig förnybar energi, utan stigande globala temperaturer leder sannolikt också till att orkaner intensifieras.

Orkanaktiviteten i år i Atlanten förutspås vara över genomsnittet, där NOAA:s Climate Prediction Center uppskattar upp till sex stora orkaner med vindar på 111 mph eller högre mellan 1 juni och 30 november.

Den dolda hjärnan i en turbin

En av de svåraste delarna av vindenergiproduktion är att hantera för lite eller för mycket vind på en gång. När vindhastigheterna är för låga kan en turbin inte producera en användbar mängd energi. När vindbyar är för snabba kan de tänja på gränserna för en turbins kapacitet, vilket gör att den stängs av för att undvika överbelastning av systemet.

Inkonsekvensen av vindhastighet har plågat vindenergi sedan starten; den förlorade tiden som går åt till att stänga av systemet leder till mindre energigenererad och mindre effektiv produktion.

Nyckeln till Paos innovativa bidrag är förbättringar av styrenheten – den del av turbinen som avgör när man ska vara mer eller mindre aggressiv i kraftproduktionen.

“Vi tycker om att tänka på regulatorn som i huvudsak systemets hjärna”, säger Pao, senior författare på studien och fellow vid Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI).

Denna dolda hjärna syftar till att producera effektiv vindenergi till låg kostnad och med lågt slitage. Återkopplingsregulatorn gör detta genom att använda mätningar av hur systemet presterar och sedan justera för att förbättra prestandan bättre, sa Pao.

Girningsregulatorn ser till att turbinen är vänd i rätt riktning, bladstigningsregulatorn bestämmer riktningen på bladen (beroende på vindhastigheterna), och generatorns vridmomentregulator bestämmer hur mycket kraft som ska dras av turbinen och ut på nätet. Även om det styr fysiska komponenter i turbinen, är dessa styrenheter i huvudsak en mjukvarualgoritm som talar om för motorerna vad de ska göra.

Paos grupp vänder inte bara på turbinen för att minska skadorna från starka vindar, utan arbetar bakom kulisserna på sin mjukvara för att maximera systemets förmåga att fortsätta gå under vindstopp.

“Vårt arbete försöker förutsäga sannolikheten eller sannolikheten för toppvindbyar och försöker sedan mildra hastighetstopparna genom att agera innan de inträffar”, säger Phadnis.

NRELs Flatirons Campus var det perfekta stället att testa detta i aktion, eftersom det är strategiskt placerat för att ta emot de starka vindarna som blåser ut över Highway 93 och in på mesa, efter att ha slussat genom Eldorado Canyon direkt västerut.

Där fann forskarna att även genom omfattande experimentella tester låg generatorernas topphastigheter under tröskeln för deras driftkontroller för att hålla turbinen igång.

I ett separat samarbete har Pao och hennes forskargrupp arbetat med universitetet i Oldenburg i Tyskland för att bedöma användbarheten av sensorer som skannar före turbinen för att mäta vinden som kommer in och av avancerade styrenheter som beordrar turbinen att reagera proaktivt.

Skala upp världens vindenergi

Medan vindkraftverk eller tvåbladiga turbiner som SUMR-D kanske inte kommer att dominera vindenergiindustrin, kan forskarna genom att utföra dessa fleråriga tester i verkligheten bättre förstå vad som kan vara möjligt, sa Pao.

Styralgoritmerna som de har utvecklat kan också vara lika tillämpliga på traditionella trebladiga, uppvindskraftverk, som fortfarande dominerar både mark- och havsmarknaderna.

“Fördelen med nedvindskonfigurationen uppstår dock verkligen när man kommer till extrema turbiner, och de är främst för offshore,” sa Pao.

Paos grupp tar sig redan av dessa stora höjder: Med sina samarbetspartners har de designat och modellerat (men inte experimentellt testade) storskaliga, havsbaserade 25 MW och 50 MW SUMR (nedvind) turbiner.

I slutändan tror hon att en kombination av förbättrade styrenheter, lättare och fjädrande material och strategiska turbinkonfigurationer kan göra det möjligt för gigantiska offshore-turbiner att överträffa konkurrenterna. De är inte bara mer kostnadseffektiva och energieffektiva, medger en stor turbin istället för många mindre (vilket skulle minska installations- och underhållskostnaderna) och kan fånga upp snabbare vindhastigheter högre från marken, utan de kan också motstå desto svårare väder kommer säkert.

“Vindturbinblad är vanligtvis konstruerade för att hålla i minst 20 år, och vi vill att våra nya konceptblad ska uppnå lika lång livslängd”, säger Pao.

Enorma blad kan leda till mer offshoreenergi i USA

Mer information:
Mandar Phadnis et al, Om svårighetsgraden av vindkraftsgeneratorhastighetstoppar som svar på särskilda vindbyar, (2022). DOI: 10.31224/2291. engrxiv.org/preprint/view/2291 Tillhandahålls av University of Colorado i Boulder

Citat:Inspirerade av palmer utvecklar forskare orkanfjädrande vindturbiner (2022, 15 juni)hämtad 15 juni 2022 från https://techxplore.com/news/2022-06-palm-trees-scientists-hurricane-resilient-turbines.html

Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Bortsett från all rättvis handel i syfte att privata studier eller forskning, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast i informationssyfte.

Håll kontakten med oss på sociala medieplattformar för omedelbar uppdatering klicka här för att gå med i vår Twitter och Facebook

taggar