Но с их увеличением возникают проблемы. У восточного побережья США, где расположены морские турбины, все более мощные атлантические ураганы создают риски для самих сооружений и будущего ветроэнергетики. Чтобы сделать эти турбины более устойчивыми к ураганам, команда исследователей из CU Boulder берет пример с природы и разворачивает турбину.

"Нас очень вдохновляют пальмы, которые могут пережить эти ураганные условия", - сказала Люси Пао, заведующая кафедрой электротехники, вычислительной техники и энергетики, получившая стипендию Палмера.

Традиционные турбины с подветренной стороны обращены к набегающему ветру, и, чтобы избежать попадания в башню, их лопасти должны быть достаточно жесткими. Для изготовления этих относительно толстых и массивных лезвий требуется много материала, что увеличивает их стоимость. Однако лопатки турбин на подветренных роторах обращены в сторону от ветра, поэтому меньше риск того, что они ударятся о башню при усилении ветра. Это означает, что они могут быть легче и гибче, что требует меньше материала и, следовательно, меньше денег для изготовления. Эти подветренные лопасти также могут сгибаться, а не ломаться при сильном ветре - очень похоже на пальмы.

За последние шесть лет совместно с сотрудниками Университета Вирджинии, Техасского университета в Далласе, Горной школы Колорадо и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии команда Пао совместно разработала турбину SUMR (Segmented Ultralight Morphing Rotor), двухлопастный ротор с подветренной стороны чтобы проверить производительность этой облегченной концепции в действии. 10 июня на конференции American Control исследователи CU представили результаты нового четырехлетнего исследования реальных данных, полученных в результате тестирования их демонстратора мощностью 53,38 киловатт (SUMR-D) в кампусе Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Flatirons, к югу от Боулдера, штат Колорадо.

Они обнаружили, что их турбина работала стабильно и эффективно в периоды пиковых порывов ветра - удовлетворительный результат.

"Лопасти изготовлены так, чтобы быть легкими и очень гибкими, поэтому они могут приспосабливаться к ветровым нагрузкам. Таким образом, мы можем снизить стоимость лезвий и снизить затраты на энергию", - сказал Мандар Фаднис, ведущий автор нового исследования в Материалы Американской конференции по контролю 2022 года, и аспирант в области электротехники, вычислительной техники и энергетики.

Эта инновационная работа пришлась как нельзя более кстати. Изменение климата не только требует от нас быстрого расширения масштабов использования более рентабельных и надежных возобновляемых источников энергии, но и повышение глобальной температуры, вероятно, также приводит к усилению ураганов.

Активность ураганов в этом году в Атлантике, по прогнозам, будет выше среднего, при этом Центр прогнозирования климата NOAA оценивает до шести крупных ураганов с ветрами 111 миль в час или выше с 1 июня по 30 ноября.

Скрытый мозг турбины

Одним из самых сложных элементов производства энергии ветра является работа с недостаточным или слишком сильным ветром одновременно. Когда скорость ветра слишком мала, турбина не может вырабатывать полезное количество энергии. Когда порывы ветра слишком быстры, они могут превысить мощность турбины, что приведет к ее отключению, чтобы избежать перегрузки системы.

Несоответствие скорости ветра преследует ветроэнергетику с момента ее создания; потерянное время, затрачиваемое на отключение системы, приводит к уменьшению выработки энергии и снижению эффективности производства.

Ключом к инновационному вкладу Пао являются усовершенствования контроллера - части турбины, которая определяет, когда следует быть более или менее агрессивным в производстве электроэнергии.

"Нам нравится думать о контроллере, по сути, как о мозге системы", - сказал Пао, старший автор исследования и научный сотрудник Института возобновляемой и устойчивой энергетики (RASEI).

Этот скрытый мозг нацелен на производство эффективной энергии ветра при низких затратах и с низким износом. Контроллер обратной связи делает это, используя измерения того, как работает система, а затем настраивая для лучшего повышения производительности, сказал Пао.

Регулятор рыскания гарантирует, что турбина направлена в правильном направлении, регулятор шага лопастей определяет направление лопастей (в зависимости от скорости ветра), а регулятор крутящего момента генератора решает, сколько энергии нужно отводить от турбины и подавать в сеть. Хотя он управляет физическими компонентами турбины, эти контроллеры, по сути, представляют собой программный алгоритм, который сообщает двигателям, что делать.

Группа Пао не только разворачивает турбину, чтобы уменьшить ущерб от сильных ветров, но и работает за кулисами над своим программным обеспечением, чтобы максимально увеличить способность системы продолжать работать во время пиковых ветровых явлений.

"Наша работа пытается предсказать вероятность возникновения пиковых порывов ветра, а затем пытается смягчить пики скорости, действуя до того, как они произойдут", - сказал Фаднис.

Кампус NREL "Flatirons Campus" был идеальным местом для проверки этого в действии, поскольку он стратегически расположен так, чтобы принимать сильные ветры, которые дуют через шоссе 93 и на гору Меса, после того как они направляются через каньон Эльдорадо прямо на запад.

Там исследователи обнаружили, что даже в результате обширных экспериментальных испытаний пиковые частоты вращения генератора были ниже порогового значения, необходимого их операционному контроллеру для поддержания работы турбины.

В рамках отдельного сотрудничества Пао и ее исследовательская группа работали с Университетом Ольденбурга в Германии, чтобы оценить полезность датчиков, которые сканируют перед турбиной для измерения набегающего ветра, и усовершенствованных контроллеров, которые заставляют турбину реагировать проактивно.

Расширение масштабов мировой ветроэнергетики

В то время как подветренные или двухлопастные турбины, такие как SUMR-D, возможно, не станут доминирующими в ветроэнергетике, выполняя эти многолетние испытания в реальном мире, исследователи могут лучше понять, что может быть возможным, сказал Пао.

Разработанные ими алгоритмы управления также могут быть в равной степени применимы к традиционным трехлопастным турбинам с подветренной стороны, которые по-прежнему доминируют как на сухопутном, так и на морском рынках.

"Однако преимущество конфигурации с подветренной стороны действительно проявляется, когда вы добираетесь до турбин экстремального масштаба, а они в первую очередь предназначены для работы на шельфе", - сказал Пао.

Группа Пао уже достигает этих высот: вместе со своими сотрудниками они спроектировали и смоделировали (но не протестировали экспериментально) крупномасштабные морские турбины SUMR мощностью 25 МВт и 50 МВт (с подветренной стороны).

В конечном счете, она считает, что сочетание улучшенных контроллеров, более легких и упругих материалов и стратегических конфигураций турбин может позволить гигантским морским турбинам опередить конкурентов. Они не только более экономичны и энергоэффективны, позволяя использовать одну большую турбину вместо множества меньших (что снизило бы затраты на установку и техническое обслуживание), и способны улавливать более высокие скорости ветра выше уровня земли, но они также могут противостоять более суровым погодным условиям, которые обязательно наступят.

"Лопасти ветряных турбин обычно рассчитаны на срок службы не менее 20 лет, и мы хотим, чтобы наши новые концептуальные лопасти имели такой же длительный срок службы", - сказал Пао.

Это исследование финансировалось Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США - Energy (ARPA-E) и проводилось в партнерстве с Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL).