Gardets

Inspirerade av palmer utvecklar forskare orkantÄliga vindkraftverk

Lucy Pao, Palmer-begĂ„vad 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 tvĂ„bladiga SUMR-D-turbinen direkt till höger om dem. Kredit: Kelsey Simpkins / CU Boulder

Vindtekniken vĂ€xer — bokstavligen. Dagens havsbaserade vindkraftverk kan stĂ„ högt mer Ă€n 490 fot över marken, och deras snurrande blad kan köra ut upp till 8 megawatt (MW) vardera – ungefĂ€r tillrĂ€ckligt för att driva 4000 hem i USA

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

“Vi Ă€r mycket bioinspirerade av palmer, som kan överleva dessa orkanförhĂ„llanden”, sĂ€ger Lucy Pao, Palmer Endowed ordförande vid avdelningen för el-, dator- och energiteknik.

Traditionella vindkraftverk möter den inkommande vinden och för att undvika att blĂ„sas in i tornet mĂ„ste deras blad vara tillrĂ€ckligt styva. Det krĂ€vs mycket material för att bygga dessa relativt tjocka och massiva blad, vilket driver upp kostnaderna. Turbinbladen pĂ„ medvindsrotorer Ă€r dock vĂ€nda bort frĂ„n vinden, sĂ„ det Ă€r mindre risk att de trĂ€ffar tornet nĂ€r vinden tilltar. Det betyder att de kan vara lĂ€ttare och mer flexibla, vilket krĂ€ver mindre material och dĂ€rför mindre pengar att tjĂ€na. Dessa medvindsblad kan dĂ„ ocksĂ„ böjas istĂ€llet för att gĂ„ sönder nĂ€r det blĂ„ser kraftigt – ungefĂ€r som palmer.

Under de senaste sex Ären, 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 tvÄbladig, nedvindsrotor för att testa prestandan hos detta lÀttviktskoncept i aktion. Den 10 juni vid American Control Conference presenterade CU-forskarna resultat frÄn en ny studie av fyra Är av verklig data frÄn 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 tillfredsstĂ€llande resultat.

Inspirerade av palmer utvecklar forskare orkantÄliga vindkraftverk
Den tvÄbladiga demonstratorn pÄ 53,38 kilowatt (SUMR-D) vid National Renewable Energy Laboratorys (NREL) Flatirons Campus, strax söder om Boulder, Colorado. Kredit: Kelsey Simpkins / CU Boulder

– Bladen Ă€r tillverkade för att vara lĂ€tta och mycket flexibla, sĂ„ att de kan anpassas efter vindbelastningen. PĂ„ sĂ„ sĂ€tt kan vi minska kostnaderna för bladen och fĂ„ ner energikostnaderna, sĂ€ger Mandar Phadnis, huvudförfattare till den nya studien i Förhandlingarna frĂ„n den amerikanska kontrollkonferensen 2022, och en doktorand i el-, data- och energiteknik.

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

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

Den dolda hjÀrnan i en turbin

En av de svÄraste delarna av vindenergiproduktion Àr att hantera för lite eller för mycket vind pÄ en gÄng. NÀr vindhastigheterna Àr för lÄga kan en turbin inte producera en anvÀndbar mÀngd energi. NÀr vindbyar Àr för snabba kan de tÀnja pÄ grÀnserna för en turbins kapacitet, vilket gör att den stÀngs av för att undvika överbelastning av systemet.

Inkonsekvensen av vindhastighet har plÄgat vindenergi sedan starten; den förlorade tiden som gÄr Ät till att stÀnga av systemet leder till mindre energigenererad och mindre effektiv produktion.

Nyckeln till Paos innovativa bidrag Ă€r förbĂ€ttringar av styrenheten – den del av turbinen som avgör nĂ€r man ska vara mer eller mindre aggressiv i kraftproduktionen.

“Vi tycker om att tĂ€nka pĂ„ regulatorn som i huvudsak systemets hjĂ€rna”, sĂ€ger Pao, senior författare pĂ„ studien och fellow vid Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI).

Denna dolda hjĂ€rna syftar till att producera effektiv vindenergi till lĂ„g kostnad och med lĂ„gt slitage. Återkopplingsregulatorn gör detta genom att anvĂ€nda mĂ€tningar av hur systemet presterar och sedan justera för att förbĂ€ttra prestandan bĂ€ttre, sa Pao.

Girningsregulatorn ser till att turbinen Ă€r vĂ€nd i rĂ€tt riktning, bladstigningsregulatorn bestĂ€mmer riktningen pĂ„ bladen (beroende pĂ„ vindhastigheterna), och generatorns vridmomentregulator bestĂ€mmer hur mycket kraft som ska dras av turbinen och ut pĂ„ nĂ€tet. Även om det styr fysiska komponenter i turbinen, Ă€r dessa styrenheter i huvudsak en mjukvarualgoritm som talar om för motorerna vad de ska göra.

Paos grupp vÀnder inte bara pÄ turbinen för att minska skadorna frÄn starka vindar, utan arbetar bakom kulisserna pÄ sin mjukvara för att maximera systemets förmÄga att fortsÀtta gÄ under vindstopp.

“VĂ„rt arbete försöker förutsĂ€ga sannolikheten eller sannolikheten för toppvindbyar och försöker sedan mildra hastighetstopparna genom att agera innan de intrĂ€ffar”, sĂ€ger Phadnis.

Inspirerade av palmer utvecklar forskare orkantÄliga vindkraftverk
Den tvÄbladiga demonstratorn pÄ 53,38 kilowatt (SUMR-D) vid National Renewable Energy Laboratorys (NREL) Flatirons Campus, strax söder om Boulder, Colorado. Kredit: Kelsey Simpkins / CU Boulder

NRELs Flatirons Campus var det perfekta stÀllet att testa detta i aktion, eftersom det Àr strategiskt placerat för att ta emot de starka vindarna som blÄser ut över Highway 93 och in pÄ mesa, efter att ha slussat genom Eldorado Canyon direkt vÀsterut.

DÀr fann forskarna att Àven genom omfattande experimentella tester lÄg generatorernas topphastigheter under tröskeln för deras driftkontroller för att hÄlla turbinen igÄng.

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

Skala upp vÀrldens vindenergi

Medan vindkraftverk eller tvÄbladiga turbiner som SUMR-D kanske inte kommer att dominera vindenergiindustrin, kan forskarna genom att utföra dessa flerÄriga tester i verkligheten bÀttre förstÄ vad som kan vara möjligt, sa Pao.

Styralgoritmerna som de har utvecklat kan ocksÄ vara lika tillÀmpliga pÄ traditionella trebladiga, uppvindskraftverk, som fortfarande dominerar bÄde mark- och havsmarknaderna.

“Fördelen med nedvindskonfigurationen uppstĂ„r dock verkligen nĂ€r man kommer till extrema turbiner, och de Ă€r frĂ€mst 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 slutÀndan tror hon att en kombination av förbÀttrade styrenheter, lÀttare och fjÀdrande material och strategiska turbinkonfigurationer kan göra det möjligt för gigantiska offshore-turbiner att övertrÀffa konkurrenterna. De Àr inte bara mer kostnadseffektiva och energieffektiva, medger en stor turbin istÀllet för mÄnga mindre (vilket skulle minska installations- och underhÄllskostnaderna) och kan fÄnga upp snabbare vindhastigheter högre frÄn marken, utan de kan ocksÄ motstÄ desto svÄrare vÀder kommer sÀkert.

“Vindturbinblad Ă€r vanligtvis konstruerade för att hĂ„lla i minst 20 Ă„r, och vi vill att vĂ„ra nya konceptblad ska uppnĂ„ lika lĂ„ng livslĂ€ngd”, sĂ€ger Pao.


Enorma blad kan leda till mer offshoreenergi i USA


Mer information:
Mandar Phadnis et al, Om svÄrighetsgraden av vindkraftsgeneratorhastighetstoppar som svar pÄ sÀrskilda vindbyar, (2022). DOI: 10.31224/2291. engrxiv.org/preprint/view/2291 TillhandahÄlls av University of Colorado i Boulder

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

Detta dokument Àr föremÄl för upphovsrÀtt. Bortsett frÄn all rÀttvis handel i syfte att privata studier eller forskning, fÄr ingen del reproduceras utan skriftligt tillstÄnd. InnehÄllet tillhandahÄlls endast i informationssyfte.

HĂ„ll kontakten med oss ​​pĂ„ sociala medieplattformar för omedelbar uppdatering klicka hĂ€r för att gĂ„ med i vĂ„r Twitter och Facebook

BotĂłn volver arriba

Annonsblockerare upptÀckt

Du mÄste ta bort AD BLOCKER för att fortsÀtta anvÀnda vÄr webbplats TACK