2.4. Валидация

2.4.1. Новые эксперименты MEXICO

Для оценки точности результатов, полученных с помощью этой связанной системы, проводится валидационное исследование на основе экспериментов New MEXICO (Модельные эксперименты в контролируемых условиях) (Boorsma and Schepers, 2014). Эти эксперименты проводились в немецко-голландской аэродинамической трубе с использованием открытой секции 9,5 × 9,5 м крупномасштабного низкоскоростного сооружения.

В ходе этих экспериментов было исследовано несколько случаев течения (Boorsma and Schepers, 2014).Проверка была проведена для трех случаев MexNext, но это исследование сосредоточено только на случае 10 м / с, соответствующем высокому передаточному отношению конечной скорости (TSR ≈ 10). Действительно, в работе, представленной в разделе 3, ветряные турбины работали с таким же TSR или выше.

Ветротурбина в аэродинамической трубе представляет собой трехлопастный ротор диаметром 4,5 м. Скрученные и конические лопасти созданы на основе профилей DU91-W2-250, RISØ-A1-21 и NACA64-418 от корня до кончика. Ветряк вращается с постоянной скоростью вращения Ω = 44.55 рад / с и постоянный угол наклона лопастей β = –2,3 °. Приток является ламинарным, и начальная турбулентность отсутствует. Нормальные и тангенциальные нагрузки доступны в пяти положениях благодаря интеграции измерений датчиков давления.

2.4.2. Числовая установка

Размер области составляет около L _x = 40 м x L _y = 30 м x L _z = 30 м, с Δ x = Δ y = Δ z = 0.Разрешение 1 м, ведущее к N _x = 400 × N _y = 300 × N _z = 300 равномерно распределенных точек сетки. Таким образом, дискретизация 45 ячеек по диаметру ротора соответствует рекомендациям Jha et al. (2014). Для метода линии привода используются 42 элемента для описания каждой лопасти. Хаб размещается в домене на высоте (15, 15, 15 м). Ветряк размещен на высоком вертикальном уровне, чтобы избежать эффекта крошечного пограничного слоя, развивающегося у земли.Боковая и верхняя границы – открытые условия (Bougeault et al., 1996). Граница выше по течению создает постоянный ветровой поток. Гондола и башня не учитываются. Как упоминалось в разделе 2.3, используется метод усреднения для распределения силы и поправки на потерю наконечника. Шаг по времени около Δ t = 0,0005 с выбран таким, чтобы острие лопасти не проходило более чем через одну ячейку сетки. Метод временного разделения будет исследован позже.

Скорость ветра, потенциальная температура и давление задаются в качестве входных данных согласно экспериментальным данным: соответственно u = 10.05 м / с, θ = 293,65 K, p = 1013,98 гПа (Boorsma, Schepers, 2014). Плотность на высоте ступицы, рассчитанная Meso-NH с учетом вышеупомянутых данных, соответствует измеренной (т.е. ρ _h = 1,197 кг / м ³ ). Профиль скорости ветра постоянный, тепловые условия нейтральные.

2.4.3. Результаты проверки

Численные результаты сравниваются с экспериментальными данными. Используются нагрузки вдоль размаха лопастей (показано на рисунке 2) и осевые траверсы изображения частиц (PIV) (показаны на рисунке 3).Полученные результаты также сравниваются с расчетами CASTOR и SOWFA (Blondel et al., 2017). CASTOR – это решатель свободного следа, вихревой нити и подъемных линий, разработанный в IFPEN, а SOWFA – это библиотека, основанная на решателе CFD OpenFOAM, разработанном в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (Churchfield et al., 2012a).

Рисунок 2 . Сравнение вычисленных нормальных F _N и тангенциальных F _T сил на единицу длины вдоль лопастей для случая 10 м / с с экспериментами New MEXICO (Boorsma and Schepers, 2014), CASTOR и моделирование SOWFA (Blondel et al., 2017).

На рис. 2 показаны усредненные по времени нормальные и тангенциальные нагрузки вдоль лопасти после 7,552 с моделирования (т. Е. Более 50 оборотов ротора). Средние нагрузки оцениваются во время последнего вращения ротора (т.е. Δ t _{среднее} = 0,141 с). Расчетная нормальная нагрузка F _N хорошо согласуется со сравнительными данными. Однако расчетная тангенциальная нагрузка F _T показывает завышение для второй половины лопасти.Как объясняется в работе Boorsma and Schepers (2014), экспериментальную тангенциальную нагрузку получить труднее, и ее часто переоценивают с помощью численных моделей. Фактически упоминаются важные неопределенности оценки тангенциальных нагрузок по измерениям отводов давления. На результаты также могут влиять принятые допущения, такие как учет двумерного обтекания аэродинамических поверхностей, использование профилей, не зависящих от Рейнольдса, или отсутствие гондолы. Тем не менее, эти результаты в основном хорошо согласуются как с экспериментальными, так и с численными данными.

На рисунке 3 показан осевой PIV-ход мгновенных компонентов скорости ветра ( u , v и w ) после 7,552 с моделирования. Эти измерения производятся вдоль осевой линии в диапазоне от x = -4,5 м до x = +5,9 м для ступицы, рассматриваемой в положении x = 0 м. Эта линия пересекает плоскость ротора под радиусом r = 1,5 м в плоскости на 9 часов, если смотреть сверху по потоку и когда лопасть находится на азимуте 0 ° (верхнее вертикальное положение).Численно не очевидно, что достичь этого азимута с конечным шагом по времени: при 7,552 с лопасть находится под углом 2,1 °.

Верхний график рисунка 3 показывает эволюцию компонента u . Наблюдается очень хорошая корреляция между результатами Meso-NH и экспериментом. Ниже оба компонента v и w демонстрируют хорошее согласование в зоне индукции перед ветряной турбиной, но не полностью улавливают колебательный след. Возможно, это связано с разрешением сетки в 10 см, которого недостаточно для учета более мелких вихрей.Кроме того, можно заметить недооценку w после ротора, как и для других численных результатов (Boorsma and Schepers, 2014). В любом случае, даже если гондола и башня не смоделированы и несмотря на довольно низкое разрешение, результаты достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2.4.4. Результаты с разделением по времени

Для проверки соответствия метода временного разделения проводится еще одно численное исследование. Нагрузки вдоль лопастей и осевых траверс сравниваются с экспериментальными данными для разных коэффициентов временного разделения N _split .Числовая установка такая же, как и в 2.4.2, только временной шаг Δ t _MNH изменен для получения желаемого временного разделения, как представлено в таблице 1. Продолжительность около 7,552 s сохраняется, но не для случая D . Фактически, это время недостижимо с шагом по времени 0,006 с. По этой причине для случая D выполняется дополнительный поворот (т.е. 7,692 с), чтобы достичь азимута, близкого к 0 °.

Таблица 1 .Значения временного шага, используемые для получения различных коэффициентов временного разделения.

На рис. 4 показано небольшое завышение расчетных нагрузок при увеличении N _раскол . Тем не менее, оценка нагрузок кажется правильной. Кривая для случая D _{без разделения} показывает, что произошло бы без метода временного разделения, и оценивает его функциональность. Ухудшение дефицита бодрствования можно наблюдать на рисунке 5 для различных случаев.Фактически, важное значение N _split приводит к более высокой амплитуде колебаний. Это могло быть связано с деформацией численного моделирования лопасти. Когда используется разделение по времени, смоделированную лопасть можно рассматривать как большую лопасть, прикладывающую аэродинамические силы к более широкому сектору с меньшей интенсивностью.

Рисунок 4 . Сравнение прогнозируемых нормальных F _N и тангенциальных F _T сил на единицу длины вдоль лопастей для случая 10 м / с с экспериментом New MEXICO (Boorsma and Schepers, 2014) для различных факторы временного разделения.

Рисунок 5 . Сравнение осевых ходов PIV для случая 10 м / с с экспериментом New MEXICO (Boorsma and Schepers, 2014) для различных коэффициентов временного разделения.

В таблице 1 также сравнивается время вычислений, оцененное во время последнего вращения ветряной турбины. Следует отметить, что время записи выходных файлов также учитывается. В любом случае полученное усиление напрямую связано с метеорологическим решателем, так как ненужные этапы вычислений были устранены.Разница между D и D _unsplit около 3,6% в основном из-за подвызовов алгоритма ALM. Согласно результатам, коэффициент N _split = 7 кажется хорошим компромиссом: этого достаточно для экономии вычислительных затрат и получения репрезентативного следа.

3. Аппликация к рожкам Ред. 1 Фото кейс

3.1. Описание

Ветряная электростанция Horns Rev 1 хорошо известна как первая крупномасштабная морская ветряная электростанция в мире.Он расположен в Северном море, к западу от Дании, и состоит из 80 ветряных турбин Vestas V80 с высотой ступицы 70 м, диаметром ротора 80 м и номинальной мощностью 2,0 МВт. Схема расположения ветряной электростанции в форме параллелепипеда состоит из 10 вертикальных и 8 горизонтальных рядов с минимальным расстоянием 7 диаметров между ближайшими турбинами.

Утром 12 февраля 2008 г. примерно в 10:10 по всемирному координированному времени фотограф Кристиан Стейнесс сделал две фотографии ветряной электростанции Horns Rev 1 с вертолета (рис. 12A, 13A).Эти две фотографии продемонстрировали физическое свидетельство взаимодействия между ветряной электростанцией и самыми низкими уровнями атмосферы, иллюстрируя образование облаков, вызванное ветровой турбиной, с подветренной стороны ветровой электростанции.

Подробное описание метеорологических условий на момент съемки фотографий и процесса, который мог привести к образованию облаков, можно найти в Hasager et al. (2013). Это редкое явление является следствием комбинации очень специфических условий, когда слой холодного и влажного воздуха над более теплой морской поверхностью повторно конденсируется в туман в следах турбин.Крутящий момент, прилагаемый потоком к лопастям ветряной турбины, вызывает вращение в следе, вызывая восходящие движения влажного теплого воздуха от поверхности моря и нисходящие движения относительно более холодного и сухого воздуха. Вызванный ротором восходящий поток заставляет воздушный пакет подниматься, поскольку давление уменьшается с высотой, воздушный пакет расширяется и его температура снижается. Следовательно, относительная влажность поднимаемого пакета увеличивается. На некоторой высоте пакет становится насыщенным, и последующая конденсация водяного пара приводит к образованию облаков.Таким образом, крупномасштабная структура тумана в следе создается вращением спиралевидных полос.

Несмотря на то, что Horns Rev I – одна из наиболее изученных ветряных электростанций в мире, с тремя метеорологическими мачтами, установленными на месте, одной из основных трудностей при моделировании фотофабрики является необходимость очень точной информации для воспроизведения конкретной условия, которые привели к образованию кильватерного тумана. Hasager et al. (2013) провели исчерпывающий сбор большей части доступной информации, включая спутниковые данные, профили радиозондирования и наземные наблюдения.Указанные на месте данные поступают с установленной в парке метеорологической башни (M6), которая обеспечивает измерения температуры на 16, 64 и –3 м (температура моря). Эта метомачта также позволяет измерять скорость ветра на трех разных высотах (30, 40 и 70 м) и направление ветра на 28 и 68 м. Чтобы получить более полное описание вертикальной структуры атмосферы для региона и момента, представляющего интерес, в настоящей работе также использовались данные повторного анализа из Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA) (Rienecker et al., 2011).

Моделирование водяного тумана выполняется с помощью Meso-NH в два этапа. Цель первого шага – установить метеорологические условия-предвестники без использования ветряных турбин. Второй включает ветряную электростанцию, которая приводит к развитию кильватерных облаков.

3.2. Моделирование прекурсоров

Чтобы начать моделирование раскрутки, необходимо задать различные вертикальные профили начального состояния атмосферы. На рисунке 6 показаны вертикальные профили (по горизонтали и усредненные за 10 минут) скорости ветра, температуры и отношения смеси пара, используемые для инициализации всей области (синие пунктирные линии).Также нанесены профили после 2 часов моделирования (синие сплошные линии). Потенциальная температура θ определяется как:

, где P – давление воздуха, а P ₀ – эталонное давление, установленное на 1000 гПа.

Начальные условия были выведены из метамачты (M6) и данных повторного анализа. Считается, что из-за своего положения метеорологическая мачта M6 не подвержена влиянию следа или образования тумана. Для ветра несколько однородных условий (т.е., интенсивность и направление) были протестированы для инициализации состояния атмосферы. Действительно, во время моделирования атмосферный поток будет стремиться к равновесию между воздействием геострофического ветра, поверхностным трением и эффектом Кориолиса. Выбранное значение для начального профиля соответствует геострофическому ветру и позволяет получить измеренную интенсивность и направление, указанные в Hasager et al. (2013). Как видно на Рисунке 6, 10-минутный усредненный профиль ветра после 3 часов моделирования показывает хорошее согласие с метеорологическими данными мачты в момент перед фотографией, 10:00 UTC.В это время с учетом данных реанализа определяется высота пограничного слоя 400 м. На этом уровне устанавливается сильная инверсия потенциальной температуры. С целью поддержания морского дыма ниже уровня ротора и поскольку это начало дня, должен быть установлен поверхностный слой внутри пограничного слоя с более слабой инверсией. После анализа чувствительности вводится приземный слой высотой 90 м со второй, более слабой инверсией Δθ = –0,4 К. Было показано, что при любом значении, превышающем выбранное, облака не будут развиваться: воздушная масса станет слишком горячим в верхней части ротора для конденсации.Как показано на рисунке 6, как поверхностный, так и остаточные слои нейтральны в начальной точке моделирования, а позже, после 3 часов моделирования, они становятся немного стабильными, но все же различимы. Также можно заметить, что смоделированная температура хорошо согласуется с наблюдаемой температурой от мачты у поверхности. Начальное условие для температуры моря было получено из данных метеорологической мачты на отметке –3 м. Сообщенное значение в 10:00 UTC составило 277,85 К с точностью ± 0,7 К.После исследования чувствительности это значение было установлено на 277,35 К. Более теплое море привело бы к более нестабильному воздушному слою с большей связанной термической турбулентностью, что привело бы к облачности, которая не соответствовала бы слоистому морскому дыму, который можно наблюдать. на фото (Рисунки 12А, 13А). Давление на уровне моря составляет около 103890 Па. Поскольку нет данных на месте для отношения смеси паров r _v , данные реанализа MERRA были использованы для определения его порядка величины.На рисунке 6 можно наблюдать типичную форму профиля r _v с более высокими значениями в пограничном слое атмосферы и более низкими значениями в свободной атмосфере.

Моделирование предшественника сконфигурировано с областью 7500 × 25000 × 837,5 м, разрешением по горизонтали 5 м и шагом по времени 1 с. Вертикальные уровни определяются с разрешением по вертикали 5 м ниже 200 м, а затем применяется 20% растяжение, пока не будет достигнуто разрешение 20 м. Граничные условия циклические.Длинноволновое и коротковолновое излучение рассчитываются согласно (Fouquart and Bonnel, 1980; Mlawer et al., 1997) соответственно. Чтобы иметь дело с микрофизическими явлениями, которые позволяют образовывать облака, выбрана схема ICE3 с единым моментом 6 классов (см. Pinty and Jabouille, 1998). Наконец, поверхность моря представлена ​​с помощью Схемы морских потоков, подробно описанной в Belamari (2005).

3.3. Моделирование ветряной электростанции

3.3.1. Установка

Как только предшественник трехмерного состояния атмосферы установлен, ветряная электростанция Horns Rev 1 помещается в область, и выполняется второе моделирование в течение 32 минут.Конфигурация домена такая же, как и предыдущая, с 1500 точками в направлении x⃗, 5000 точек в направлении y⃗ и 75 уровнями по вертикали с 16 уровнями в области ротора. Как показано на Рисунке 7, эта конфигурация позволяет иметь расстояние 5 км вверх по течению от ветряной электростанции и более 15 км вниз по течению для наблюдения за эволюцией следа. С каждой стороны расстояние 1250 м (т.е. 15 диаметров ротора) отделяет ветряную электростанцию ​​от боковых границ. Макет основан на данных Hansen (2012).

Рисунок 7 . Схема морской ветряной электростанции Horns Rev 1. Синие маркеры ( • ) указывают расположение ветряных турбин. Черные кресты (+) указывают положение встречных мачт. Толстый черный ящик обозначает границы домена.

Преобладающее направление ветра составляет 180 ° на высоте ступицы (т. Е. Параллельно x⃗), а угол рыскания ветряных турбин установлен на ноль. Vestas V80 – трехлопастный ротор. Скрученные и конические лопасти основаны на крыльях FFA-W3-301, FFA-W3-241, FFA-W3-221, NACA-63-221 и NACA-63-218 от корня до кончика, согласно Hansen (2012). .Различные свойства аэродинамического профиля можно найти у Fuglsang et al. (1998), Abbott и Von Doenhoff (1959) и Bertagnolio et al. (2001). Данные SCADA всей ветряной электростанции Horns Rev 1 приведены в Hasager et al. (2013). Используются скорости вращения ветряных турбин, записанные в 10:00 UTC. Угол тангажа установлен на 0 °, потому что турбины работали около скорости включения. Для метода линии привода лопасти разделены на 42 элемента, и используется поправка на потерю наконечника, Glauert (1935).Шаг по времени установлен на 0,25 с с использованием коэффициента временного разделения 7.

3.3.2. Результатов

После 32 минут моделирования с использованием ветряной электростанции, несколько переменных исследуются для анализа взаимодействия ветряной электростанции с местной метеорологией.

Горизонтальные разрезы относительной влажности на высоте 30 м и 110 м над уровнем моря представлены на рисунке 8. На двух рисунках можно наблюдать довольно высокое значение относительной влажности (97–98%) вокруг ветряной электростанции. Различия можно заметить под и над следом от ветряной электростанции.На уровне 30 м значения относительной влажности в основном ниже, чем в окружающей среде. Противоположное поведение показано на уровне 110 м с более высокими значениями RH . Эта конфигурация является следствием смещений воздушных масс вверх и вниз, вызванных вращательной схемой рабочих роторов, и может быть объяснена путем анализа отношения смеси паров и потенциальной температуры. Перенос влаги четко наблюдается в области следа на Рисунке 9, где можно наблюдать область с более низким содержанием влаги по сравнению с окружающей средой для низких уровней и более высоким содержанием влаги для высоких уровней.След от ветряных турбин вызывает вертикальную гомогенизацию соотношения смешивания пара. Эта гомогенизация также заметна на Рисунке 10, где нанесены поперечные сечения потенциальных температур: потенциально более холодная воздушная масса под фермой смешивается с потенциально более теплой воздушной массой над ней вслед за турбинами. Комбинация создает в следе потенциально более теплую воздушную массу с меньшим количеством пара под фермой и потенциально более холодную воздушную массу с большим количеством пара над фермой.

Рисунок 8 .Горизонтальные разрезы на высоте 30 м (A) и 110 м (B) над уровнем моря с относительной влажностью RH . Черные ровные линии (-) ограничивают расположение ветряных турбин.

Рисунок 9 . Горизонтальные сечения на высоте 30 м (A) и 110 м (B) над уровнем моря соотношение смеси паров r _v . Черные прямые линии (-) указывают расположение ветряных турбин.

Рисунок 10 .Горизонтальный разрез на высоте 30 м (A) и 110 м (B) над уровнем моря потенциальной температуры θ. Красные ровные линии (-) указывают расположение ветряных турбин.

По этим рисункам (рисунки 8–10) также можно идентифицировать спиральный эффект Экмана, поскольку след слегка наклонен к западу на 30-метровом графике и, наоборот, отклонен на восток на уровне 110 м.

На рисунке 11 показано вертикальное сечение соотношения смешивания облаков ( r _c ) через четвертый ряд ветряной электростанции.Наблюдается развитие следового облака над высотой ступицы вдоль ряда. Как на фото, за каждой первой ветряной турбиной в верхней части ротора можно наблюдать постоянное облако длиной около 2 или 3 диаметров. Ниже этих облаков, на вершине, на фотографиях также можно различить вихрь, который воспроизводится численной моделью. После этого водовороты периодически взаимодействуют с расположенными ниже по потоку ветряными турбинами и становятся больше. После нескольких ветряных турбин вниз по потоку хаотическая структура облака становится более устойчивой.Можно заметить недопредставленность облаков: распознаваемый на фото морской дым не воспроизводится даже при достижении высоких значений относительной влажности.

Рисунок 11 . Вертикальное сечение соотношения смешивания облаков через весь четвертый ряд ветряной электростанции (A) и первых ветряных турбин (B) . Красные ровные линии (-) указывают расположение ветряных турбин. Синяя пунктирная линия (- -) в A указывает область B.

Рисунки 12B, 13B представляют собой синтетические изображения атмосферных полей (температуры, давления, жидкости и водяного пара), смоделированные с помощью открытого кода htrdr Монте-Карло (Villefranque et al., 2019). Чтобы визуализировать эти реалистичные облачные сцены, виртуальная камера помещается приблизительно в положения камеры Кристиана Стейниса, когда он делал фотографии (рисунки 12A, 13A). Из сравнения рисунков 12A, B можно увидеть способность инструмента Meso-NH / ALM воспроизводить феномен фотокорпуса Horns Rev I. Облачные структуры, представленные на рисунках, очень похожи: следы расширяются вниз по потоку, а спиральный узор заметен в каждом ряду.

Рисунок 12.(A) Фотография ветряной электростанции Horns Rev 1 (02.12.2008 около 10:10 UTC) с юга (Hasager et al., 2013). Предоставлено Vattenfall. Фотограф: Кристиан Стейнесс. (B) Постобработка (см. Villefranque et al., 2019) смоделированного соотношения смешивания облаков. Ветряки не представлены.

Рис. 13. (A) Фотография ветряной электростанции Horns Rev 1 (02.12.2008 около 10:10 UTC) с юго-востока (Hasager et al., 2013). Предоставлено Vattenfall. Фотограф: Кристиан Стейнесс. (B) Постобработка (см. Villefranque et al., 2019) смоделированного соотношения смешивания облаков. Ветряки не представлены.

Между фотографией, сделанной с юго-востока (рис. 13A), и рендерингом после обработки (рис. 13B) существует большое совпадение. Поскольку первая турбина второго ряда не работала во время фотографии, она также была остановлена ​​при моделировании. Это объясняет отсутствие облачного следа за турбиной как на фотографии, так и на рендере.

4.Вывод

Поскольку производство ветровой энергии растет во всем мире, а ветровые турбины с годами становятся все больше и больше, изучение их взаимодействия с самыми низкими уровнями атмосферы становится актуальным. Для решения этой проблемы был разработан новый числовой инструмент для изучения воздействия ветряных электростанций на местную метеорологию. Этот новый инструмент представляет собой комбинированную модель между атмосферной мезомасштабной моделью Meso-NH, используемой в структуре LES, и методом линий исполнительного механизма.Для проверки инструмента были проведены сравнения с измерениями New MEXICO и другими численными моделями. Прогнозируемые нагрузки вдоль лопастей и интенсивность осевого ветра на высоте ступицы показали хорошую корреляцию с измерениями для значения высокого передаточного числа лопастей (TSR). Метод временного разделения также был проверен, что позволяет сэкономить время вычислений и получить репрезентативную пробуждение.

С целью оценки способности этого нового инструмента воспроизвести реальный случай взаимодействия между ветряной электростанцией и атмосферным пограничным слоем было выполнено моделирование идеализированного случая фото-случая Horns Rev I.Во-первых, было выполнено моделирование раскрутки, чтобы воспроизвести существующие погодные условия перед фотографией, на основе измерений на месте, мет-мачты и данных повторного анализа MERRA. Полученное трехмерное состояние атмосферы показало хорошее согласие с измерениями. Это атмосферное поле затем использовалось в качестве начальных условий для второго моделирования, в котором была введена полная ветряная электростанция. С помощью постобработки соотношения смешивания облаков были сделаны два рендера результирующих облачных сцен. Их главной особенностью было большое сходство с фотографиями, на которых в каждом ряду ветряной электростанции был виден хорошо выраженный спиральный узор облаков.Следует отметить, что жидкая вода несколько занижена моделью, особенно на нижних уровнях. Его можно улучшить, приняв во внимание аэрозоли, такие как морские соли. Однако механизм, который породил облако в следе, хорошо описывается моделью с вращающимися роторами, несущими потенциально более холодный и влажный воздух с более низких уровней; и потенциально более теплый и сухой воздух от более высоких. Конденсация, возникшая при движении вверх, приводит к развитию облака.

Следует подчеркнуть, что явление, показанное на фото-футляре Horns Rev 1, может проявляться только при определенных атмосферных условиях. Фактически, исследования чувствительности, проведенные без ветряной электростанции (не представлены), показали, что небольшие изменения температуры привели бы к глобальному образованию тумана или к отсутствию облачности вообще.

На основе результатов этого исследования была показана способность этого нового инструмента моделировать динамику следа и представлять их влияние и взаимодействие с атмосферными величинами.Кроме того, эта работа демонстрирует в более общем плане способность связанных структур моделирования погоды и ветряных электростанций улавливать их сложные физические взаимодействия.

Более того, атмосферный пограничный слой над морем обычно более мелкий, а прибрежные ветровые турбины становятся больше. Тогда лопасти станет возможным пересекать верхнюю границу пограничного слоя, который часто характеризуется резкой инверсией температуры и сильным сдвигом ветра. На этом этапе будет проведено моделирование новых поколений ветряных электростанций с целью изучения этих взаимодействий.

Авторские взносы

P-AJ разработал числовую связь, провел численные эксперименты и провел анализ исследования. MM собрал все метеорологические данные, доступные для кейса Hors Rev 1 Photo, запустил первое моделирование Horns Rev и участвовал в редактировании рукописи. VM, FB, QR, MC и CL внесли значительный вклад в разработку и использование различных моделей. Все авторы внесли свой вклад в понимание исследования, а также в переработку и исправление рукописи.Согласие нести ответственность за все аспекты работы в обеспечении этого.

Финансирование

MM получил финансирование в рамках инициативы «Сделаем нашу планету снова великой» (MOPGA) для исследовательского пребывания в CNRM.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Новые данные MEXICO были предоставлены консорциумом, который выполнил проект EU FP5 MEXICO: Эксперименты с модельным ротором в контролируемых условиях.Мы хотим поблагодарить IEA Wind Task 31 WakeBench, который предоставил описание ветряной электростанции Horns Rev 1 и модели ветряной турбины Vestas80. Мы хотели бы поблагодарить Wake Conference 2019 за публикацию наших предварительных результатов в соответствии с лицензией IOP Proceedings License (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1256/1/012019). Мы также благодарим Vattenfall за то, что мы разрешили нам опубликовать фотографии (https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/).

Список литературы

Эбботт, И.Х. и фон Денхофф А. Э. (1959). Теория сечения крыла, включая сводку данных профиля . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Courier Corporation.

Google Scholar

Бартелми Р. Дж., Хансен К., Франдсен С. Т., Ратманн О., Шеперс Дж. Г., Шлез В. и др. (2009). Моделирование и измерение потоков и след от ветряных турбин на крупных морских ветряных электростанциях. Энергия ветра 12, 431–444. DOI: 10.1002 / ср.348

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Беламари, С.(2005). Отчет об оценках неопределенности оптимальной объемной формулы для поверхностных турбулентных потоков. Морская среда и безопасность для европейского пространства – интегрированный проект (MERSEA IP), конечный результат D , 4, Франция.

Google Scholar

Бертаньолио Ф., Соренсен Н. Н., Йохансен Дж. И Фульсанг П. (2001). Каталог профилей ветряных турбин. Роскилле: Forskningscenter Risoe.

Google Scholar

Блондель, Ф., Феррер, Г., Кателайн, М., и Тейшейра, Д. (2017). «Улучшение модели отклонения от курса на основе экспериментальных данных Нью-Мексико и моделирования вихрей / cfd», в Congrès Français de Mécanique (Lille: Association Française de Mécanique), 1–14.

Google Scholar

Boorsma, K., and Schepers, J. (2014). Новый эксперимент в МЕКСИКЕ: предварительный обзор с первоначальной проверкой . Петтен: ECN.

Google Scholar

Бужо П., Маскар П. и Шабуро Дж. (1996). Система моделирования атмосферы в мезонефрите: научная документация .Тулуз: Météo-France и CNRS.

Google Scholar

Черчфилд М., Ли С. и Мориарти П. (2012a). Обзор симулятора ветряной электростанции (sowfa) . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.

Google Scholar

Черчфилд, М., Ли, С., Мориарти, П., Мартинес, Л., Леонарди, С., Виджаякумар, Г. и др. (2012b). «Моделирование аэродинамики ветряных электростанций с помощью больших вихрей», 50-я встреча AIAA Aerospace Sciences Meeting, включая форум New Horizons и аэрокосмическую выставку , Нэшвилл, Теннесси, 537.

Google Scholar

Черчфилд, М. Дж., Шрек, С. Дж., Мартинес, Л. А., Менево, К., и Спалар, П. Р. (2017). «Усовершенствованный метод линии приводов для применения в ветроэнергетике и за ее пределами», в 35-м симпозиуме по ветроэнергетике , Грейпвайн, Техас, 1998.

Google Scholar

Cuxart, J., Bougeault, P., and Redelsperger, J.-L. (2000). Схема турбулентности, позволяющая моделировать мезомасштабные модели и моделирование крупных вихрей. кварт. Дж. Рой. Meteorol. Soc. 126, 1–30.DOI: 10.1002 / qj.49712656202

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дирдорф, Дж. У. (1980). Смешанные слои, покрытые слоисто-кучевыми облаками, полученные на основе трехмерной модели. Связанный. Слой Meteorol. 18, 495–527.

Google Scholar

Дурран Д. Р. (1989). Улучшение неупругого приближения. J. Atmosph. Sci. 46, 1453–1461.

Google Scholar

Fouquart, Y., и Bonnel, B. (1980). Расчеты солнечного нагрева атмосферы Земли – новая параметризация. Beitraege zur Physik der Atmosphaere 53, 35–62.

Google Scholar

Фруд, Р. Э. (1889). Роль, которую играет в движении разница в давлении жидкости. Пер. Inst. Военно-морские архитекторы 30: 390.

Google Scholar

Фульсанг П., Антониу И., Даль К. С. и Мадсен Х. А. (1998). Испытания в аэродинамической трубе профилей FFA-W3-241, FFA-W3-301 и NACA 63-430 . Роскилле: Forskningscenter Risoe.

Google Scholar

Глауэрт, Х.(1935). «Винты самолетов», в Aerodynamic Theory , ed W. Durand (Берлин; Гейдельберг: Springer), 169–360.

Google Scholar

Хансен, К. (2012). Презентация оффшорной ветряной электростанции рупоров и ветряных турбин vestas v80 . Lyngby: IEA WInd Task 31 Wakebench.

Google Scholar

Hasager, C.B., Rasmussen, L., Peña, A., Jensen, L.E., и Réthoré, P.-E. (2013). Уэйк от ветряной электростанции: кейс с фото револьвером. Энергии 6, 696–716.DOI: 10.3390 / en6020696

CrossRef Полный текст | Google Scholar

МЭА (2019). Перспективы морской ветроэнергетики на 2019 год . Париж: ОЭСР.

Google Scholar

Иванелл, С.С.А. (2009). Численные расчеты следов ветряных турбин . Штокольм, доктор философии диссертация, KTH, Механика, Центр потока Линне, FLOW.

Google Scholar

Jabouille, P., Guivarch, R., Kloos, P., Gazen, D., Gicquel, N., Giraud, L., et al. (1999). «Распараллеливание французской метеорологической мезомасштабной модели mésonh», в Euro-Par’99 Parallel Processing , под ред.Аместой, П. Бергер, М. Дайде, Д. Руис, И. Дафф, В. Фрайссе (Берлин; Гейдельберг. Springer Berlin Heidelberg), 1417–1422.

Google Scholar

Джа П. К., Черчфилд М. Дж., Мориарти П. Дж. И Шмитц С. (2014). Рекомендации по распределению объемной силы при моделировании линии исполнительного механизма ветряных турбин на сетках типа моделирования крупных вихрей. J. Solar Energy Eng. 136: 031003. DOI: 10.1115 / 1.4026252

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лак, К., Chaboureau, J.-P., Masson, V., Pinty, J.-P., Tulet, P., Escobar, J., et al. (2018). Обзор модели meso-nh версии 5.4 и ее приложений. Geoscient. Модель Dev. 11, 1929–1969. DOI: 10.5194 / GMD-11-1929-2018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lafore, J. P., Stein, J., Asencio, N., Bougeault, P., Ducroc, V., Duron, J., et al. (1998). Система моделирования атмосферы meso-nh. Часть I: адиабатическая формулировка и моделирование управления. Ann. Geophys. 16, 90–109.

Google Scholar

Марьянович, Н., Мироча, Дж. Д., Косович, Б., Лундквист, Дж. К., и Чоу, Ф. К. (2017). Реализация обобщенной линейной модели исполнительного механизма для параметризации ветряных турбин в модели исследования и прогнозирования погоды. J. Renew. Поддерживать. Энергия 9: 063308. DOI: 10.1063 / 1.4989443

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартинес-Тоссас, Л. А., Черчфилд, М. Дж., И Менево, К. (2016). Симуляция ветряных турбин с высоким разрешением и крупными вихрями с использованием линейной модели исполнительного механизма с оптимальной проекцией силы тела. J. Phys. Конференция. Сер. 753: 082014. DOI: 10.1088 / 1742-6596 / 753/8/082014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Месинджер Ф. и Аракава А. (1976). Численные методы, используемые в атмосферных моделях. Отчет об исследовании.

Google Scholar

Миккельсен, Р. Ф., и Соренсен, Дж. Н. (2004). Методы диска привода, применяемые к ветровым турбинам . Кандидат наук. дипломная работа, Дания.

Google Scholar

Млавер, Э. Дж., Таубман, С. Дж., Браун, П. Д., Яконо, М. Дж., И Клаф, С. А. (1997). Перенос излучения в неоднородной атмосфере: Rrtm, проверенная модель коррелированного k для длинноволновой части. J. Geophys. Res. Атмосф. 102, 16663–16682.

Google Scholar

Натан, Дж., Массон, К., и Дюфрен, Л. (2018). Анализ ближнего следа метода линии актуатора, погруженного в турбулентный поток, с использованием моделирования крупных вихрей. Наука о ветроэнергетике. 3, 905–917.

Google Scholar

Пинти, Дж.и Жабуй П. (1998). «Параметризация облаков со смешанной фазой для использования в мезомасштабной негидростатической модели: моделирование линии шквала и орографических осадков», в Conference on Cloud Physics (Everett, WA: American Meteorological Society), 217–220.

Google Scholar

Porté-Agel, F., Wu, Y.-T., Lu, H., and Conzemius, R.J. (2011). Моделирование больших вихрей атмосферного пограничного слоя потока через ветряные турбины и ветряные электростанции. J. Wind Eng. Indust.Аэродинамика. 99, 154–168. DOI: 10.1016 / j.jweia.2011.01.011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ренкин, У. Дж. М. (1865). О механических принципах действия гребных винтов. Пер. Instit. Военно-морской архитектор. 6, 13–39.

Google Scholar

Редельспергер, Дж. Л. и Соммерия, Г. (1981). Метод представления турбулентности, выводимой на почтовый ящик, для трехмерной трехмерной конвекции. Связанный.Слой Meteorol. 21, 509–530.

Google Scholar

Редельспергер, Дж. Л. и Соммерия, Г. (1986). Трехмерное моделирование конвективной бури: исследования чувствительности подсеточной параметризации и пространственного разрешения. J. Atmosph. Sci. 43, 2619–2635.

Google Scholar

Ринекер, М. М., Суарес, М. Дж., Геларо, Р., Тодлинг, Р., Бакмайстер, Дж., Лю, Э. и др. (2011). Мерра: современный ретроспективный анализ НАСА для исследований и приложений. J. Clim. 24, 3624–3648. DOI: 10.1175 / JCLI-D-11-00015.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Соренсен, Дж. Н., и Шен, В. З. (2002). Численное моделирование следа от ветряных турбин. J. Fluids Eng. 124, 393–399. DOI: 10.1115 / 1.1471361

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стори Р. К., Норрис С. Э. и Катер Дж. Э. (2015). Метод сектора исполнительных механизмов для эффективного моделирования переходных процессов ветряной турбины. Энергия ветра 18, 699–711.DOI: 10.1002 / ср.1722

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трольдборг, Н. (2009). Моделирование следа от ветряной турбины линии исполнительного механизма . Кандидат наук. дипломная работа, Дания.

Google Scholar

Вильфранк, Н., Кувре, Ф., Фурнье, Р., Бланко, С., Корне, К., Эймет, В. и др. (2019). Библиотеки трассировки пути в Монте-Карло для трехмерного переноса излучения в облачной атмосфере. arXiv [препринт]. arXiv: 1902.01137 .

Google Scholar

Энергия ветра | Национальное географическое общество

Все, что движется, обладает кинетической энергией, а ученые и инженеры используют кинетическую энергию ветра для выработки электроэнергии.Энергия ветра, или энергия ветра, создается с помощью ветряной турбины, устройства, которое направляет энергию ветра для выработки электроэнергии.

Ветер обдувает лопатки турбины, прикрепленные к ротору. Затем ротор вращает генератор для выработки электричества. Есть два типа ветряных турбин: ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT) и ветровые турбины с вертикальной осью (VAWT). HAWT – наиболее распространенный тип ветряных турбин. У них обычно есть две или три длинных тонких лопасти, которые похожи на пропеллер самолета.Лопасти расположены так, чтобы они смотрели прямо против ветра. VAWT имеют более короткие и широкие изогнутые лопасти, которые напоминают лопасти, используемые в электрическом миксере.

Небольшие индивидуальные ветряные турбины могут производить 100 киловатт энергии, достаточной для питания дома. Небольшие ветряные турбины также используются в таких местах, как водонасосные станции. Ветряки чуть большего размера расположены на башнях высотой до 80 метров (260 футов) с лопастями ротора, длина которых составляет примерно 40 метров (130 футов).Эти турбины могут генерировать 1,8 мегаватта энергии. Еще более крупные ветряные турбины можно найти на башнях высотой 240 метров (787 футов) с лопастями ротора длиной более 162 метров (531 фут). Эти большие турбины могут генерировать от 4,8 до 9,5 мегаватт энергии.

После выработки электроэнергии ее можно использовать, подключать к электросети или хранить для будущего использования. Министерство энергетики США работает с национальными лабораториями над разработкой и улучшением технологий, таких как батареи и гидроаккумулирующие установки, чтобы их можно было использовать для хранения избыточной энергии ветра.Такие компании, как General Electric, устанавливают батареи вместе со своими ветряными турбинами, чтобы электричество, вырабатываемое за счет энергии ветра, можно было сразу же хранить.

По данным Геологической службы США, в США имеется 57 000 ветряных турбин как на суше, так и на море. Ветровые турбины могут быть автономными структурами или они могут быть объединены в так называемую ветряную электростанцию. В то время как одна турбина может вырабатывать достаточно электроэнергии для удовлетворения потребностей в энергии одного дома, ветряная электростанция может вырабатывать гораздо больше электроэнергии, достаточной для снабжения энергией тысяч домов.Ветряные электростанции обычно располагаются на вершине горы или в другом месте, где ветрено, чтобы использовать преимущества естественного ветра.

Самая большая оффшорная ветряная электростанция в мире называется Walney Extension. Эта ветряная электростанция расположена в Ирландском море примерно в 19 километрах (11 милях) к западу от северо-западного побережья Англии. Расширение Уолни занимает огромную территорию в 149 квадратных километров (56 квадратных миль), что делает ветряную электростанцию ​​больше, чем город Сан-Франциско, Калифорния, или остров Манхэттен в Нью-Йорке.Сеть из 87 ветряных турбин имеет высоту 195 метров (640 футов), что делает эти морские ветряные турбины одними из самых больших ветряных турбин в мире. Walney Extension имеет потенциал для выработки 659 мегаватт электроэнергии, чего достаточно для снабжения электричеством 600 000 домов в Соединенном Королевстве.

Ветровая энергия в 15 изображениях

1. Ветровые турбины стали частью ландшафта
Будь то гигантские фермы на равнинах или в море, цепочка турбин вдоль горных хребтов или небольшие установки недалеко от городов, ветряные турбины стали привычной частью декорации в 21 веке.Они являются видимым – и слишком заметным для некоторых – символом возобновляемой энергии. В 2013 году на ветроэнергетику приходилось около 3% мирового производства электроэнергии. Во Франции ветряные турбины вырабатывают достаточно электроэнергии для удовлетворения домашних нужд 5 миллионов человек. На фотографии показана ветряная электростанция Мерделу-Фонтанелль на юге Франции.

1. Ветряные турбины стали частью ландшафта
Будь то гигантские фермы на равнинах или в море, цепочка турбин вдоль горных хребтов или небольшие установки недалеко от городов, ветряные турбины стали привычной частью декорации в 21 веке.Они являются видимым – и слишком заметным для некоторых – символом возобновляемой энергии. В 2013 году на ветроэнергетику приходилось около 3% мирового производства электроэнергии. Во Франции ветряные турбины вырабатывают достаточно электроэнергии для удовлетворения домашних нужд 5 миллионов человек. На фотографии показана ветряная электростанция Мерделу-Фонтанелль на юге Франции.

2. В Китае ветряные электростанции простираются настолько далеко, насколько может видеть глаз
Китай держит мировой рекорд по самой высокой установленной мощности с 91,5 ГВт на конец 2013 года и по крупнейшей ветряной электростанции.Ветряная электростанция Ганьсу, также известная как ветроэнергетическая база Цзюцюань, в центре страны на самом деле представляет собой десятки и десятки ветряных электростанций, связанных вместе. В настоящее время его общая установленная мощность составляет 5,2 ГВт, что аналогично установленной мощности двух ядерных реакторов, а цель на 2020 год – 20 ГВт.

3. В Техасе не только нефть!
Обладая 61 ГВт установленной мощности из более чем 250 ГВт в мире, Соединенные Штаты являются второй по величине ветроэнергетической страной в мире.В Техасе, ведущем штате штата, ветряные электростанции Роско, Хорс-Холлоу и Козерог-Ридж, среди многих других, имеют общую установленную мощность от 600 до 800 МВт, что достаточно для удовлетворения потребностей в электроэнергии 500 000 человек. На фото техники готовятся поднять лопасти гигантского ветряного двигателя на ветряной электростанции Capricorn Ridge недалеко от города Абилин.

4. Палм-Спрингс приводится в движение 4 000 ветряных турбин
Калифорнийский полигон для испытаний всех возобновляемых источников энергии имеет 5 ГВт установленной мощности ветроэнергетики по сравнению с 12 ГВт в Техасе.На ветряной электростанции San Gorgonio Pass недалеко от Палм-Спрингс пейзаж покрыт рядом за рядом ветряных турбин, которые впечатляют не своей высотой – от 30 до 50 метров по сравнению со 150 метрами для гигантских турбин – а их количеством, большим количеством. чем 4000 всего. Канзас, Орегон и Оклахома также инвестировали в ветроэнергетику. Однако с 2010 года установка замедлилась в Соединенных Штатах, которые сейчас обогнал Китай.

5. Германия, лидер в области ветроэнергетики в Европе
В Европе Германия лидирует по общей установленной мощности с 35 ГВт, за ней следует крупный производитель ветроэнергетики Испания с 23 ГВт. .Большинство ветряных электростанций Германии расположены на севере страны, как на суше, так и на море. Два из пяти ведущих производителей ветряных турбин в мире – немецкие компании Siemens и Enercon. Каждые два года в Ганновере проводится международная выставка, на которой присутствуют около 5000 экспонентов. На фото турбина производства Enercon.

6. Румыния открывает свои равнины для инвесторов
Самая большая береговая ветряная электростанция в Европе, что удивительно, расположена в Румынии. Эта преимущественно сельская страна открыла свой рынок для иностранных инвесторов.В крупном сельскохозяйственном и туристическом регионе Добруджа, недалеко от Черного моря, около города Когелак выросли 240 ветряных турбин на площади 1100 гектаров. Эта ветряная электростанция мощностью 600 МВт обеспечивает электроэнергией более 400 000 домохозяйств.

7. Шотландия, крупный игрок в ветроэнергетике
Шотландия может похвастаться второй по величине наземной ветроэлектростанцией в Европе – Уайтли, с низким уровнем солнечного света и сильным ветром. Его 215 турбин, построенных Siemens и Alstom, дают Whitelee общую мощность 539 МВт.Соединенное Королевство в настоящее время является третьим по величине производителем ветровой энергии в Европе с 10,8 ГВт, опережая Италию с 8,5 ГВт и Францию ​​с 8,1 ГВт. Он также добивается значительных успехов, вкладывая значительные средства в офшорные решения.

8. Европа в авангарде сегмента оффшорной ветроэнергетики
При поддержке мощных промышленных игроков, благоприятной государственной политики и амбициозных инвестиционных программ Европа активно разрабатывает решения для оффшорной ветроэнергетики. Имея 69 оффшорных ветряных электростанций в 11 странах на конец 2013 года, у него достаточно мощностей для снабжения внешних рынков.Великобритания, Дания и Германия являются нынешними лидерами, в то время как Франция объявила тендеры на несколько крупных проектов. На фотографии показана ветряная турбина рядом с электрической подстанцией на морской ветряной электростанции недалеко от Гельголанда, немецкого острова в Северном море.

9. Морская ветряная электростанция, вид сверху
Установка ветряных турбин в океане, где дуют сильные и устойчивые ветры, – это решение, которое сегодня пользуется наибольшим ростом, как это могут видеть космонавты! Это снимок устья Темзы, сделанный из космоса.Крошечные белые точки, расположенные рядами, между которыми зигзагообразно движется лодка, – это ветряные турбины, составляющие массивную ветряную электростанцию ​​London Array.

10. Вид на лондонский массив с поверхности воды
Вернувшись на Землю, вот так выглядит ветряная электростанция London Array крупным планом. Он состоит из 175 ветряных турбин, которые находятся на высоте 87 метров над уровнем моря и расположены друг от друга на расстоянии от 650 до 1000 метров на общей площади 240 километров. Лондонский массив мощностью 630 МВт вырабатывает достаточно энергии для питания около 500 000 британских домов.С берега ветряки видны невооруженным глазом.

11. Дания, первопроходец
Эта небольшая североевропейская страна была пионером в области производства ветроэнергетики, отрасли, развитой в начале 2000-х годов и в значительной степени субсидируемой государством. Таким образом, он имеет значительную промышленную инфраструктуру, но из-за непостоянства ветровой энергии, вызванной нерегулярным характером ветра, ему трудно сбалансировать производство электроэнергии. В результате он в значительной степени полагается на торговлю со своими соседями, особенно с другими скандинавскими странами и Германией.На фотографии показаны ветряные турбины ветряной электростанции Horns Rev на шельфе Дании.

12. Необходимый промышленный компонент
Все новые технологии требуют мощных производственных мощностей для обеспечения их развития. В то время как Китай и США доминируют в сегменте фотоэлектрической солнечной энергии, в Европе есть ряд крупных игроков в ветроэнергетической отрасли, включая Vestas из Дании, Siemens и Enercon из Германии, Gamesa из Испании и Alstom и Vergnet из Франции.

13. Тенденция, охватывающая весь мир
Многие страны по всему миру развивают возможности ветроэнергетики. Сейчас Индия занимает пятое место в мире с 20,2 ГВт, в то время как Латинская Америка, включая Мексику, имеет 6,7 ГВт, а регион Африки и Ближнего Востока – 1,25 ГВт. Это фотография ветряной электростанции Tarfaya в Марокко, которая была запущена в 2014 году. Обладая мощностью 300 МВт, это самая большая ветряная электростанция в Африке, и ее производство эквивалентно потребностям в электроэнергии всего города Марракеша.

14. Токио планирует увеличить мощность ветроэнергетики
Япония не является крупным производителем ветроэнергетики из-за своей небольшой площади: всего 2,7 ГВт против 8,1 ГВт для Франции. На фотографии показаны некоторые из 33 турбин, которые составляют ветряную электростанцию ​​на плато Нунобики мощностью 65 МВт в префектуре Фукусима. Стремясь диверсифицировать свои источники энергии после ядерной аварии на Фукусиме, Япония рассматривает различные варианты, включая технологию плавучих ветряных турбин.

15.Есть ли будущее у микроветровых турбин?
Только крупные ветроэнергетические объекты способны обеспечить мощность, достаточную для снабжения электрических сетей значительным объемом электроэнергии. Однако городские планировщики рассчитывают, что микроветровые турбины дополнят энергоснабжение зданий и сделают их самодостаточными. На фото Maison de l’Air в 20-м округе Парижа и его две ветряные микротурбины.

Основы ветряных турбин | Журнал Wind Systems

Растущая озабоченность изменением климата, загрязнением окружающей среды и энергетической безопасностью повысила интерес к развитию возобновляемых источников энергии.Мы наблюдаем беспрецедентный энтузиазм, спрос и рост производства возобновляемой энергии, причем энергия ветра находится на переднем крае. Энергия ветра расширяется как на суше, так и на море за счет более крупных и мощных турбин, создавая новые потребности и рынки.

Согласно данным Глобального совета по ветроэнергетике, мировые мощности по производству энергии ветра непрерывно росли с 2001 г. и достигли 591 ГВт в 2018 г. (рост на 9% по сравнению с 2017 г.) [1 ].

Основы физики ветра

Ветер возникает в результате процессов, вызванных солнечной энергией. Энергия солнца создает разницу температур, которая стимулирует циркуляцию воздуха. Горячий воздух поднимается вверх, снижая местное атмосферное давление; поблизости более прохладный воздух поступает в эту область более низкого давления; этот воздушный поток – ветер.

Ветер формируется как глобальными, так и местными силами. Глобальные закономерности частично являются результатом силы Кориолиса, которая возникает из-за вращения Земли. Когда холодный воздух течет из областей с более высоким давлением в области с более низким давлением, он отклоняется силой Кориолиса; направление отклонения зависит от широты.В результате в разных регионах Земли преобладают разные направления ветра.

На другом конце спектра местные географические особенности могут иметь определенные эффекты. Один из таких эффектов, знакомый любому, кто живет у океана, – это ветер с суши. Ночью вода относительно земли теплая, поэтому воздух над водой прогревается и поднимается вверх; в результате низкое давление вытягивает прохладный воздух с суши в море: ветер с суши.

Хотя направление ветра может быть преобладающим, это не единственное направление ветра. Как направление, так и скорость сильно различаются в зависимости от географического положения, сезона, высоты над поверхностью и времени суток. Понимание этой изменчивости является ключом к выбору места для производства ветровой энергии, потому что более высокая скорость ветра означает более высокие рабочие циклы (то есть более длительные периоды активной выработки электроэнергии). Необходимо очень подробно измерить характеристики ветра, включая то, как часто возникают ветры определенной скорости (см. Рисунок 1) и как окружающая местность влияет на стабильность воздушного потока.

Стабильный поток с постоянной скоростью важен как для повышения эффективности, так и для структурной целостности. Изменчивость приводит к сдвигу ветра и кильватерной кильватерной струе. Сдвиг ветра зависит от скорости ветра, которая увеличивается с высотой над поверхностью. Таким образом, поперечные силы на лопасти ротора больше, когда она находится в верхнем положении.

Уравнения для ветряных турбин: сдвиг ветра

Важным фактором при выборе места для установки и эксплуатации турбины является сдвиг ветра, когда лопасть находится в верхнем положении.Сдвиг ветра рассчитывается как:

V – Скорость ветра на высоте H над уровнем земли.
В _ref – Опорная скорость.
H _ref – Контрольная высота.
H – Высота над уровнем земли для желаемой скорости, В.
H ₀ – Длина шероховатости в текущем направлении ветра.

Уравнения для ветряных турбин: мощность турбины

Энергия, содержащаяся в массе м движущегося воздуха со скоростью v , составляет:

Массовый расход движущегося воздуха плотностью r через площадь поперечного сечения A составляет:

Мощность, содержащаяся в массе воздуха, проходящей через зону A , составляет:

Мощность, извлекаемая лопастями диаметром d :

, где коэффициент мощности c _p имеет теоретический предел приблизительно 0.6; это называется пределом Беца, который определяет максимальное количество кинетической энергии ветра, которое может быть преобразовано в кинетическую энергию.

Сила следа создается, потому что ветер замедляется и становится турбулентным, проходя мимо лопастей турбины. Вот почему турбины широко разнесены, обычно от пяти до девяти диаметров ротора в направлении преобладающего ветра и от трех до пяти диаметров ротора в перпендикулярном направлении.

Скорость ветра также изменяется в результате турбулентности, которая может быть вызвана близлежащей пересеченной местностью, включая деревья и здания; это может привести к значительному изменению скорости ветра даже в пределах нескольких сотен ярдов или метров.Этот эффект, называемый турбулентностью, снижает эффективность и вызывает усталостную нагрузку.

Основы ветроэнергетики

Энергия улавливается ветром посредством явления подъемной силы – того же явления, которое позволяет птицам и самолетам летать. (Лопасти турбины, по сути, являются закрытыми крыльями.) Подъемная сила, возникающая при прохождении ветром над лопастью, заставляет ее двигаться, тем самым вращая главный вал.Вращение передается через коробку передач на генератор, который преобразует его в электричество. Величины подъемной силы и сопротивления лопатки турбины зависят от угла атаки между направлением вымпельного ветра и линией хорды лопатки.

Несколько различных факторов влияют на выходную мощность ветряной турбины. Среди других факторов двумя основными параметрами являются скорость ветра и диаметр ротора (см. Уравнения для ветряных турбин).

Мощность турбины увеличивается пропорционально квадрату длины лопатки.Например, увеличение диаметра ротора с 262 футов (80 метров) до 394 футов (120 метров) позволяет увеличить мощность с 2 МВт до 5 МВт (в 2,5 раза).

Мощность турбины увеличивается пропорционально скорости ветра. Например, турбина на участке со средней скоростью ветра 16 миль в час будет производить на 50 процентов больше электроэнергии, чем такая же турбина на участке со средней скоростью ветра 14 миль в час.

Эти две фундаментальные физические взаимосвязи лежат в основе стремления к увеличению физических размеров турбин.Увеличенный диаметр ротора позволяет одной турбине вырабатывать больше электроэнергии, обеспечивая лучшую окупаемость затрат на установку. А поскольку скорость и постоянство ветра увеличиваются с высотой, более высокие турбины производят более высокую и стабильную подачу электроэнергии.

Данная конструкция работает в диапазоне скоростей ветра. Ниже заданной скорости ветра турбина не может производить мощность, потому что ветер не передает достаточно энергии, чтобы преодолеть трение в трансмиссии. При номинальной выходной скорости ветра турбина вырабатывает пиковую мощность (номинальную мощность).При заданной скорости ветра турбину необходимо остановить, чтобы предотвратить повреждение. Типичный профиль мощности для скорости ветра показан на рисунке 2.

В дополнение к рабочему диапазону установленная турбина имеет коэффициент мощности, который отражает фактическую выработку электроэнергии. Коэффициент мощности – это среднегодовая выработка электроэнергии, деленная на номинальную пиковую мощность. Например, если турбина мощностью 5 МВт вырабатывает мощность в среднем 2 МВт, то ее коэффициент мощности составляет 40 процентов. Как правило, предпочтительнее использовать более высокий коэффициент мощности, хотя это может быть невыгодно с экономической точки зрения.Например, в ветреном месте будет выгодно использовать крупногабаритный генератор с таким же диаметром ротора. Это приведет к снижению коэффициента мощности, но приведет к значительно большему годовому производству.

Wind-Turbine Technology

делятся на несколько общих категорий в зависимости от ориентации и типа трансмиссии.

Лопатки турбины могут быть ориентированы как по вертикальной, так и по горизонтальной оси. Преимущество вертикальной оси состоит в том, что лопасти не нужно механически переориентировать при изменении направления ветра. Горизонтально-осевые турбины также бывают двух основных типов. В конструкции с подветренной стороны лопасти обращены в сторону от набегающего ветра; в исполнении против ветра лопасти направлены против ветра (см. рисунок 3). Более 90 процентов установленных в настоящее время турбин относятся к типу «против ветра», так как такая конструкция не создает тени от ветра за башней.

Для трансмиссии в конструкции с коробкой передач используется коробка передач для увеличения скорости, передаваемой от роторов к генератору. В конструкции с прямым приводом скорость передается непосредственно на кольцевой генератор. За исключением коробки передач, компоненты в целом похожи; однако в турбине с прямым приводом генератор намного больше, потому что он должен вращаться с той же скоростью, что и лопасти турбины.

Компоненты ветряной турбины, которые испытывают трение и износ и требуют смазки:

• Подшипник шаговый (смазка).
• Подшипник главного вала (смазка).
• Коробка передач если есть (масло).
• Привод рыскания (смазка).
• Подшипник генератора (смазка).

Шаговый привод используется для регулировки угла наклона лопастей. Эта регулировка выполняется по двум причинам: 1) для получения максимальной мощности от ветра ниже номинальной скорости ветра на выходе или 2) для замедления лопастей для безопасной работы при ветре выше номинальной скорости. Привод рыскания перемещает лопасть и корпус (гондолу) в оптимальном направлении по отношению к ветру.Анимация, подготовленная Союзом обеспокоенных ученых, помогает визуализировать действие этих побуждений [2].

На рисунке 4 показан типичный трехступенчатый редуктор ветряной турбины. Планетарная ступень (внизу слева) передает крутящий момент сначала на низкоскоростную промежуточную ступень (внизу справа), а затем на высокоскоростную промежуточную ступень (в центре), которая приводит в движение высокоскоростную ступень (вверху), питающую генератор. Такая конструкция могла бы, например, преобразовать 14 об / мин на входе от роторов в 1500 об / мин для генератора; точное преобразование, конечно, зависит от передаточного числа.В этих различных компонентах используются подшипники разных типов.

Следует отметить некоторые технические различия между наземными и морскими турбинами. Как отмечалось ранее, на морские установки приходится более 3 процентов мировых мощностей.Морское строительство сопряжено с различными проблемами, наиболее очевидными из которых являются способы крепления конструкции. Стратегия различается в зависимости от глубины воды. Для глубин менее 100 футов (30 метров) используется монопольная конструкция. Для переходных вод (100-200 футов или 30-60 метров) используется поперечно-раскосный фундамент «куртка». Для более глубоких вод проходят испытания прототипы плавучих платформ. Конструкция трансформатора также различается для разной глубины воды, и в целом морские установки переходят от редукторов к конструкциям с прямым приводом.

Еще одно существенное отличие – размер. Без необходимости ограничивать шум или учитывать турбулентность, вызванную ландшафтом, дизайнеры могут добиваться действительно гигантских масштабов. GE построила морской проект мощностью 12 МВт, что значительно выше среднего показателя 2017 года, составлявшего около 2,3 МВт. Это действительно гигант: диаметр ротора соответствует масштабу башен моста Золотые Ворота, а площадь захвата лезвия эквивалентна семи полям для американского футбола. В этой конструкции крутящий момент передается непосредственно на генератор.Зачем строить таких гигантов? Помимо увеличения выходной мощности, большая турбина снижает стоимость установки. Установка одной турбины мощностью 12 МВт дешевле, чем установка шести турбин мощностью 2 МВт; таким образом, окончательная стоимость мегаватта ниже. По этим причинам, а также из-за обилия морских ветроэнергетических ресурсов отрасль делает упор на оффшорную ветроэнергетику.

Сводка

Ветровые турбины – это самый быстрорастущий возобновляемый источник энергии, и энергия ветра в настоящее время конкурентоспособна по стоимости с невозобновляемыми ресурсами.Рост генерирующих мощностей сосредоточен в 5-10 штатах, особенно в Техасе. На рынке монтажа лидируют пять компаний. Сфера производителей турбин переполнена, но GE Renewable Energy и Vestas являются явными лидерами. Все чаще мощности покупаются другими организациями, а не коммунальными предприятиями, а оффшорные установки становятся более привлекательными и жизнеспособными.

С технологической точки зрения, конструкция турбины направлена ​​на оптимизацию выходной мощности за счет акцента на двух ключевых параметрах: длине лопастей и средней скорости ветра.Последний зависит от рельефа поверхности и меняется в пространстве, по направлению и сезону. Эффективность конкретной установки количественно определяется коэффициентом мощности: отношением фактической годовой выработки энергии к теоретической максимальной мощности. Используется ряд базовых конструкций, но в большинстве коммерческих установок используется горизонтальная ось, направленная против ветра. Турбины становятся все больше как по физическим размерам, так и по генерирующей мощности, чтобы улавливать более стабильные ветры и максимизировать окупаемость затрат на установку.

Список литературы

1. Глобальный отчет о ветре, 2018 г., Глобальный совет по ветроэнергетике. Доступно по адресу https://gwec.net/global-wind-report-2018/.
2. «Как работает энергия ветра», Союз заинтересованных ученых. Доступно на www.ucsusa.org/clean-energy/renewable-energy/how-wind-energy-works.

Департамент внутренних дел одобрил вторую крупную ветряную электростанцию ​​в США

В среду администрация Байдена одобрила строительство морской ветряной электростанции у побережья Род-Айленда и Нью-Йорка в рамках плана по развертыванию 30 гигаватт морской ветровой энергии к 2030 году.

Министерство внутренних дел США объявило об одобрении строительства и эксплуатации проекта South Fork Wind, второго одобрения министерством коммерческого проекта морской ветроэнергетики в Соединенных Штатах. На прошлой неделе министерство отметило прорыв у побережья Массачусетса для первого коммерческого морского ветроэнергетического проекта.

Семь крупных оффшорных ветряных электростанций будут построены на восточном и западном побережьях США и в Мексиканском заливе в соответствии с планом, объявленным в прошлом месяце администрацией Байдена, по созданию инфраструктуры, созданию рабочих мест и решению проблемы глобального потепления.Развертывание 30 гигаватт морской ветровой энергии позволит выработать достаточно электроэнергии для питания более 10 миллионов домов.

Проект South Fork Wind будет расположен примерно в 19 милях к юго-востоку от острова Блок, штат Род-Айленд, и в 35 милях к востоку от мыса Монток, штат Нью-Йорк. Ожидается, что он будет обеспечивать около 130 мегаватт, чего хватит примерно на 70 000 домов. Его передающая система будет подключена к электрической сети на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, что сделает его первой оффшорной ветроэлектростанцией в штате и даст толчок развитию морской ветроэнергетики.

Губернатор Нью-Йорка Кэти Хочул заявила, что штат «сталкивается с проблемами изменения климата лицом к лицу» с целями в области климата и морского ветра, которые требуют решительных действий.

«Продвижение South Fork Wind вперед приближает нас к более чистому и экологичному будущему», – сказала она в заявлении.

Первая морская ветряная электростанция в США открылась у острова Блок в 2016 году. Но с пятью турбинами это не коммерческий масштаб. Датская энергетическая компания Orsted приобрела компанию-разработчика Deepwater Wind из Род-Айленда и теперь управляет этой ветряной электростанцией.

Орстед разрабатывает проект South Fork Wind совместно с компанией Eversource. В УВД одобрили до 12 турбин. Руководители Orsted и Eversource отметили это объявление, рекламируя потенциал проекта по сокращению загрязнения воздуха, помощи в борьбе с изменением климата и стимулированию экономики за счет создания рабочих мест.

Прибрежные регуляторы Род-Айленда этой весной одобрили проект, несмотря на возражения рыбной промышленности и некоторых защитников окружающей среды. Предприятия коммерческого рыболовства заявили, что запланированные морские ветровые проекты у восточного побережья затруднят добычу ценных видов морепродуктов, таких как гребешки и омары.Некоторые природоохранные организации опасаются, что большие турбины убьют птиц.

Ожидается, что проект Vineyard Wind 1 у побережья Массачусетса будет производить около 800 мегаватт, что достаточно для более чем 400 000 домов. Первые шаги строительства будут включать прокладку двух кабелей передачи, которые соединят ветряную электростанцию ​​с материком.

Администрация планирует рассмотреть не менее 16 планов строительства и эксплуатации коммерческих морских ветроэнергетических объектов к 2025 году.

«У нас нет времени тратить на развитие и инвестирование в экономику чистой энергии, которая может поддерживать нас в течение многих поколений», – заявила министр внутренних дел Деб Хааланд в заявлении. «Всего год назад в федеральных водах США не было одобрено крупномасштабных морских ветроэнергетических проектов. Сегодня их два, и еще несколько на горизонте ».

Неверное имя пользователя / пароль.

Пожалуйста, проверьте свою электронную почту, чтобы подтвердить и завершить регистрацию.

Используйте форму ниже, чтобы сбросить пароль. Когда вы отправите адрес электронной почты своей учетной записи, мы отправим электронное письмо с кодом сброса.

” Предыдущий

Следующий ”

Истории по теме

Департамент внутренних дел одобрил вторую крупную ветряную электростанцию ​​в США

В среду администрация Байдена одобрила строительство морской ветряной электростанции у побережья Род-Айленда и Нью-Йорка в рамках плана по развертыванию 30 гигаватт морской ветровой энергии к 2030 году.

Министерство внутренних дел США объявило об одобрении строительства и эксплуатации проекта South Fork Wind, второго одобрения министерством коммерческого проекта морской ветроэнергетики в Соединенных Штатах. На прошлой неделе министерство отметило прорыв у побережья Массачусетса для первого коммерческого морского ветроэнергетического проекта.

Семь крупных оффшорных ветряных электростанций будут построены на восточном и западном побережьях США и в Мексиканском заливе в соответствии с планом, объявленным в прошлом месяце администрацией Байдена, по созданию инфраструктуры, созданию рабочих мест и решению проблемы глобального потепления.Развертывание 30 гигаватт морской ветровой энергии позволит выработать достаточно электроэнергии для питания более 10 миллионов домов.

Проект South Fork Wind будет расположен примерно в 19 милях к юго-востоку от острова Блок, штат Род-Айленд, и в 35 милях к востоку от мыса Монток, штат Нью-Йорк. Ожидается, что он будет обеспечивать около 130 мегаватт, чего хватит примерно на 70 000 домов. Его передающая система будет подключена к электрической сети на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, что сделает его первой оффшорной ветроэлектростанцией в штате и даст толчок развитию морской ветроэнергетики.

Губернатор Нью-Йорка Кэти Хочул заявила, что штат «сталкивается с проблемами изменения климата лицом к лицу» с целями в области климата и морского ветра, которые требуют решительных действий.

«Продвижение South Fork Wind вперед приближает нас к более чистому и экологичному будущему», – сказала она в заявлении.

Первая морская ветряная электростанция в США открылась у острова Блок в 2016 году. Но с пятью турбинами это не коммерческий масштаб. Датская энергетическая компания Orsted приобрела компанию-разработчика Deepwater Wind из Род-Айленда и теперь управляет этой ветряной электростанцией.

Орстед разрабатывает проект South Fork Wind совместно с компанией Eversource. В УВД одобрили до 12 турбин. Руководители Orsted и Eversource отметили это объявление, рекламируя потенциал проекта по сокращению загрязнения воздуха, помощи в борьбе с изменением климата и стимулированию экономики за счет создания рабочих мест.

Прибрежные регуляторы Род-Айленда этой весной одобрили проект, несмотря на возражения рыбной промышленности и некоторых защитников окружающей среды. Предприятия коммерческого рыболовства заявили, что запланированные морские ветровые проекты у восточного побережья затруднят добычу ценных видов морепродуктов, таких как гребешки и омары.Некоторые природоохранные организации опасаются, что большие турбины убьют птиц.

Ожидается, что проект Vineyard Wind 1 у побережья Массачусетса будет производить около 800 мегаватт, что достаточно для более чем 400 000 домов. Первые шаги строительства будут включать прокладку двух кабелей передачи, которые соединят ветряную электростанцию ​​с материком.

Администрация планирует рассмотреть не менее 16 планов строительства и эксплуатации коммерческих морских ветроэнергетических объектов к 2025 году.

«У нас нет времени тратить на развитие и инвестирование в экономику чистой энергии, которая может поддерживать нас в течение многих поколений», – заявила министр внутренних дел Деб Хааланд в заявлении. «Всего год назад в федеральных водах США не было одобрено крупномасштабных морских ветроэнергетических проектов. Сегодня их два, и еще несколько на горизонте ».

Неверное имя пользователя / пароль.

Пожалуйста, проверьте свою электронную почту, чтобы подтвердить и завершить регистрацию.

Используйте форму ниже, чтобы сбросить пароль. Когда вы отправите адрес электронной почты своей учетной записи, мы отправим электронное письмо с кодом сброса.

” Предыдущий

Следующий ”

Истории по теме