最大化风电场表现,以减少成本生产更多能源

科学家和工程师预测,到2050年,风力涡轮机可能会产生至少一半的电力

Although wind currently provides 5 percent of the world’s electricity, the growing push for renewables has led many scientists and engineers to predict that wind turbines may generate at least half of all power by 2050. That is not a given, however, as significant advances must first be made in understanding the atmosphere at higher altitudes, predicting weather patterns and re-engineering turbines to perform at higher levels of efficiency.

在所有的重新设计和改进中,最重要的目标是建造更大、更强大的风力涡轮机,以生产更多的能源,从而降低单位电力成本。根据全球风能委员会(GWEC),2019年,平均涡轮机尺寸超过2,750千瓦。这是过去十年的平均大小增加了72%。

风力涡轮机改进

此前,风力涡轮机的设计主要集中在叶片形状的优化上;更轻的重量,灵活,但耐用的材料;以及智能控制和监控系统的增加。然而,一些业内人士认为,我们已经达到了技术进步的一个临界点,在这个临界点上,技术进步最多只能是渐进式的。

简单地增加塔楼的大小,刀片和其他组件不是答案,因为这将导致过度昂贵和沉重的涡轮机。这促使持续寻求寻求高级,较轻的材料,以承受不断增加的力而不过早发生,以及消除成本和重量的简化设计。

更有效地创造更多电量

满足风能发电的全球目标意味着找到从现有的风电场产生更多能源的方法。从历史上看,工程师专注于个体涡轮机的性能,但更新的方法是基于整个风电场的性能。

考虑到风力涡轮机在直接指向风中产生最大功率的事实。然而,当多个涡轮机彼此接近时,它们会从上游发电机产生唤醒,这可能会干扰位于下游的涡轮机的性能。研究人员发现,涡轮机唤醒可以将下风发生器的效率降低超过40%。

这种启示导致指向涡轮机的实践远离迎面而来的风 - 一种被称为唤醒转向的练习 - 减少干扰,提高风电场的功率的数量和质量。这也有助于降低运营成本。

风变率调整

在各种可再生能源选择中,风能可能是最多变的。风速会毫无预兆地改变,风向也一样。这意味着叶片和转子的转速必须能够相应地调整,以适应风速。否则,可能导致业务和成本的低效率。

传统的风力涡轮机并不能快速改变方向或速度,而随着转子叶片尺寸的增大,它们要做到这一点就更加困难。较大的动叶使得有必要考虑叶片/转子的概念,可以调整自己,以适应非均匀的风流,如阵风,湍流点,剪切等。叶片越长,确定最佳工作点的难度越大,因为流入的情况可能会沿着叶片有很大的变化。确定最佳工作点对于减少负荷和增加或平滑输出功率至关重要。

在风不一致的情况下,如何保持最佳运行点是一个挑战,这为智能转子技术打开了大门。设计选项包括:

  • 带尖端转子的风力涡轮机。
  • 用由大量标准化转子组成的多转子系统代替大型单转子。

通过预测维护扩展使用寿命

传感器和分析的进步允许预测和预防性的维护策略,以减少无计划的中断。在过去,风力涡轮机的状态监测系统集中在主轴承,发电机和变速箱中的故障检测,因为这些是风力涡轮机的最昂贵的部件。今天有几种方法可以帮助维护团队保持在故障前,包括液体传感器,粒子计数器和振动传感器。由于振动引起的受污染的液体和磨损的轴承是齿轮箱故障的两个主要原因。

使风能更具成本竞争力

凭借其他形式的可再生能源,也表现出承诺,压力是风力行业的OEM,以降低成本。

“我们看到了一种趋势,即使用更少的资源获得更好的性能。由于这种简化,风力涡轮机的成本在过去五年内下降了40-60%,因为每个人都在努力设计更大、更好、更便宜的风力涡轮机,同时使它们使用时间更长。”
Tom Ulery,业务发展经理,可再生能源,Parker Hannifin

虽然仍然需要识别将节省成本的替代材料,但重点是精简整体设计和降低组件复杂性。规范规模需要增加,以实现规模经济并促进多个国家的安装。通过最大化风力涡轮机的效率并最大限度地减少维护成本,可以实现额外的成本节约。

克服储能问题

能量储存仍然是一个关键挑战,因为当电力需求通常更低时,夜间发生最大的风能潜力。电池技术已经进化了很多,但不完全解决长期存储问题。除了昂贵,

  • 锂离子电池有限于他们可以存储多少能量。
  • 流电池提供了很多承诺,但目前尚未以实用规模运行。

目前,该行业的所有眼睛都是将过量的能量转化为氢气作为首选存储选项。氢是由于其高能量密度而长时间储存​​能量的理想选择。轻量级使其更容易处理。然而,氢不是没有挑战。

减少环境影响

虽然风能被视为环保,但它因其对野生动物的不利影响而受到批评。据估计,每年有140,000至500,000次鸟类死亡发生在风电场。还发现风力涡轮机成为大众蝙蝠死亡率的主要原因之一,一些估计每年高达888,000个蝙蝠死亡。

另一个与风力涡轮机相关的环境问题是噪音污染。随着涡轮机的成长,它们发出的噪音也越来越大,大部分噪音都发生在叶片的外缘。然而,尺寸并不是影响噪音污染的唯一因素。这也与风力涡轮机相对的位置有关。

哪些步骤可以帮助提高风力运营的效率?

尽管为了提高风能的整体成本和效率,新的创新正在进入市场,但有一些简单的,但非常有影响力的事情可以通过操作来优化现有风力涡轮机的设计和材料的性能。

来源:帕克

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