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高投入和低成本 风能潜力的三大挑战你知道多少?

放大字体  缩小字体 2019年12月02日 09:06:56  阅读:511

风能在时间与空间上都面临巨大的科学挑战。掌握物理学知识并解决覆盖这些范围的相关研究需求,将使风能成为未来世界能源供应的主要来源。 (图片来源:Josh Bauer and Besiki Kazaishvili,国家可再生能源实验室(NREL))

NREL风能研究人员,作为文章的其中一组作者,他们邀请科学界共同应对三大挑战——挑战将会驱动风力发电的创新需求,使之成为世界上最主要的低成本发电能源之一。

他们的行动号召出现在《科学》(Science)杂志新发表的一篇文章中。

“人们认为,风力发电机已投入工作几十年,已无改善空间。但实际仍有很多工作要去完成。”NREL的研究员、文章的合作者Paul Veers说道,“风能有潜力成为世界低成本能源的主要来源,但如果一切照旧,我们无法实现这一目标。我们需要世界各地的科学家和研究人员加入,应对风能研究的挑战。”

2017年秋季,NREL召集了15个国家70多位的风能专家代表,探讨未来的电力系统,在该系统中,风能可满足全球清洁能源的需求。基于这个研讨会,文章的主要作者Veers,NREL小组研究组长Eric Lantz和丹麦科技大学的Katherine Dykes确定风能研究中,需要科学界有进一步发展的三个“重大挑战”。

第一个重大挑战:增进对风力发电厂所在大气区域内的风力资源和流动的了解

为捕获更多的能源,风机越来越高,风力发电厂分布得越来越远,需了解风能在这些高度与规模下的动力。过去,人们使用的简化物理模型与基本观测技术,就可以安装风电厂,预测各类地形的性能。但对风在复杂地形或不稳定大气条件下流动的情况,我们知之甚少。这一挑战在于我们要模拟这些条件,优化风力发电站,使其成为经济实用、可控的发电站——并安装在恰当的地方。

第二个重大挑战:解决世界上最大旋转机器的结构与动力学问题

现在,风力发电机是世界上最大的柔性旋转机器,有80米多米长的叶片和100多米高的塔楼。换句话说,三架最大的客机——空客A380-800s——可面对面处在同一风力发电机转子扫过的区域内。随着风机不断变大,我们需要新材料与制造工艺,解决可扩展性、运输、循环这些新出现的问题。此外,风机与大气动力学的交叉引出几个重要的研究问题。前几代风机的许多简化假设已不再适用。这一挑战在于不仅要理解大气知识,也要辨认出影响发电效率与结构安全的最重要的因素。

第三个重大挑战:设计运营风力发电站,以支持增强电网的可靠性与弹性

风能与太阳能的高穿透,将极大地改变未来的电网。风能可提供基本的电网服务,如频率控制、倾斜装置、电压调节。新型控制可在提供这些基本服务时,利用风机的特性,优化发电站的能量输出。比如,运用大数据技术,处理发电厂周围机器上的传感器信息,可提高能源捕获,减少成本,优化操作,满足电网要求。为实现这一目标,在大气流动模拟的交叉点、单个涡轮动力学、由风电厂控制的大型电力系统运行这些方面,需要进行大量研究。

这些风能研究的重大挑战相互依存。找到大气中风电厂运行区特征,对实现下一代低成本风机设计改进,十分重要。理解机器的动态控制、预测大气流入的特性,有可能实现对发电站的控制,进而获得电网支持。

“通过跨学科方法,利用风能科学与工程应对这些挑战,将有利于找到提升发电厂能源输出水平的最优解决方案,”NREL机械与热力工程科学实验室副主任、文章的合作者Johney Green说道,“这一方法也为推进整个系统——从发电机到发电厂再到整个电网,提供了必要的综合解决方案——使我们为未来的能源系统做好准备。

翻译:吕嘉明

审校:赵欢

引进来源:国家可再生能源实验室(NREL)


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