（クレジット： Don Sniegowski / Flickr)
ウェイクステアリングと呼ばれる、到来する風からわずかに離れた方向にタービンを向けることで、その干渉を減らし、ウィンドファームからの電力の量と質の両方を向上させることができる、と研究はわかっています。
この変更はおそらく運用コストも下げるでしょう。
孤立した風力タービンは、風を直接向けるときに最も力を発揮します。 しかし、密集したタービンラインが風力発電所の風に直面すると、上流の発電機からの伴流が下流の発電機と干渉する可能性があります。 前方のボートからの不安定な水によって減速されたスピードボートのように、風力タービンからの後流はそれの後ろのそれらの出力を減らします。
スタンフォード大学の土木・環境工学および機械工学の教授である上級著者John Dabiriは、「再生可能エネルギー発電の世界的な目標を達成するには、既存の風力発電所からより多くのエネルギーを発電する方法を見つける必要があります」と述べています。 「伝統的な焦点は風力発電所の個々のタービンの性能にありました、しかし代わりにその全体の部分としてではなく、全体としての発電所について考え始める必要があります。」
タービンの後流は風下発電機の効率を40パーセント以上低下させる可能性があります。 以前は、卓越した風からの風力タービンの位置ずれが下流のタービンの生産量を増加させる可能性があることを示すために、コンピュータシミュレーションを使用していました。 しかし、実験のために通常の運転を停止しても構わないと思っている風力発電所を見つけたり、タービンに最適な角度を計算したりするという課題は、これまでのところ実際の風力発電所ではわかりません。
まず、研究者らは、タービンの最適な位置ずれ角度を計算するためのより高速な方法を開発しました。 米国科学アカデミー紀要.
それから、彼らはオペレータTransAlta Renewablesと共同でカナダのアルバータ州の風力発電所で彼らの計算をテストしました。 風車の角度にもよりますが、風速が遅い場合は農場全体の出力が最大で47パーセント、平均風速が7から13パーセント増加しました。 ウェイクステアリングはまた、風力発電では通常困難である電力の引き潮と流れを減少させました。
機械工学博士課程の学生、マイケル・ハウランド氏は、次のように述べています。 「しかし、後流の影響が減少したため、下流のタービンの発電量が大幅に増えたことがわかりました。」
ウィンドファームの改善
ウィンドファームによる可変出力は、2つの重要な方法でグリッド管理をより困難にします。
一つは天然ガス火力発電所や大型で高価な電池のようなバックアップ電源の必要性です。 この調査では、風速が低い場合の電力の改善は特に大きかった。タービンは通常、最低速度を下回る速度で回転を停止し、生産を完全に削減し、グリッド管理者にバックアップ電力に頼らざるを得なかった。 風が弱いときには、ウェイクステアリングによって速度がこの最小値を下回るまでの時間が短縮された、と研究者らは見出した。 特に、風力エネルギーが太陽光発電を補完するものとして一般的に最も価値があるとき、最大の増加は夜にありました。
もう1つは、グリッドの信頼性を維持するために、地域で供給および使用される電力量を常に正確に一致させる必要があることです。 ウェイクによる空気の乱流は、風力発電所の生産を分ごとに不安定にすることがあります。これは、ガス発生器を作動させるには短すぎる期間です。 これにより、非常に短期間でシステム事業者にとって需要と供給のマッチングがより困難になります。 彼らはそうするための道具を持っていますが、道具は高価になることがあります。 この研究では、ウェイクステアリングによって発電量の非常に短期間の変動性が最大で72パーセント減少しました。
さらに、変動性を減らすことは、風力発電所の所有者が彼らの運営費を下げるのを助けることができます。 伴流内の乱流はタービンブレードに負担をかけ、修理費を上昇させる可能性があります。 ウェイクステアリングがタービンの疲労を軽減することを証明するのに十分な長さの実験は続かなかったが、研究者らはこれが起こるだろうと示唆している。
「多くの事業者が私たちに尋ねる最初の質問は、これが彼らのタービンの長期的な構造健全性にどのように影響するかということです」とDabiriは言います。 「正確な効果を正確に特定することに取り組んでいますが、これまでのところ、ウェイクステアリングによって機械的疲労を実際に軽減できることがわかりました。」
角度を正しくする
この研究に最適なミスアラインメント角度を計算するために、研究者らはウィンドファームからの過去のデータに基づいて新しいモデルを開発しました。
「風力発電所の設計は、通常、非常にデータと計算量の多い作業です」と、航空宇宙科学および機械工学の教授であるSanjiva Leleは述べています。 「代わりに、うまく機能しただけでなく、計算負荷を少なくとも2桁削減する単純化された数学的表現を確立しました。」
このより速い計算は、風力発電事業者がウェイクステアリングを広く使用するのに役立ちます。
「当社のモデルは、ウィンドファームのパフォーマンスに関するサイト固有のデータを使用できるため、基本的にプラグアンドプレイです」とHowland氏は言います。 「さまざまな農場の場所でこのモデルを使用し、風の状態に基づいてタービンの角度を継続的に調整することができます。」
この野外試験の10日期間が限られていたため、研究者は年間発電量の変化を測定することはできませんでしたが、次のステップは、一年全体の野外試験を実行することです。
「この戦略を長期間にわたって大規模に展開できるようになれば、空力、発電、さらにはどこでも風力発電所の土地利用を最適化できる可能性があります」とDabiriは言います。
この研究への支援は、国立科学財団、スタンフォード大学院フェローシップ、およびスタンフォードのTomKat Center for Sustainable Energyから行われました。 トランスアルタ社と共同で、フィールドテストを実施しました。
ソース： スタンフォード大学
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