[Vui lòng đăng ký trang Youtube của Pacific Group tại
https://www.youtube.com/channel/UCAxje1GxiUpZD6MEcR0f5Jg/videos
Chúng tôi có các buổi chia sẻ về kinh doanh thực tế hàng tuần]
Lấy cảm hứng từ cây cọ, các nhà khoa học phát triển các tuabin gió có khả năng chống bão
Lucy Pao, Chủ tịch Palmer tài năng tại Khoa Kỹ thuật Điện, Máy tính và Năng lượng; Mandar Phadnis, nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện, máy tính và năng lượng; và Dan Zalkind, cựu sinh viên tốt nghiệp của Pao, tại Khuôn viên NREL Flatirons với tuabin SUMR-D hai cánh nằm ngay bên phải của họ. Ảnh: Kelsey Simpkins / CU Boulder
Công nghệ gió đang phát triển - theo nghĩa đen. Các tuabin gió ngoài khơi ngày nay có thể cao hơn 490 feet so với mặt đất, các cánh quay của chúng tạo ra công suất lên tới 8 megawatt (MW) mỗi tuabin - đủ để cung cấp năng lượng cho 4000 ngôi nhà ở Hoa Kỳ.
Nhưng với quy mô ngày càng tăng của họ đi kèm với những thách thức. Ngoài khơi bờ biển phía đông, nơi đặt các tuabin ngoài khơi của Hoa Kỳ, các cơn bão Đại Tây Dương ngày càng mạnh mẽ gây ra rủi ro cho bản thân các công trình và cho tương lai của năng lượng gió. Để làm cho những tuabin đó có khả năng chống chọi với bão tốt hơn, một nhóm các nhà nghiên cứu CU Boulder đang lấy tín hiệu từ thiên nhiên và quay tua bin.
Lucy Pao, Chủ tịch Palmer Endowed tại Khoa Kỹ thuật Điện, Máy tính và Năng lượng cho biết: “Chúng tôi rất lấy cảm hứng sinh học từ những cây cọ có thể sống sót trong điều kiện bão cuồng phong này.
Các tuabin gió ngược truyền thống phải đối mặt với gió thổi vào, và để tránh bị thổi vào tháp, các cánh của chúng phải đủ cứng. Cần rất nhiều vật liệu để chế tạo những lưỡi dao tương đối dày và lớn này, điều này làm tăng giá thành của chúng. Tuy nhiên, các cánh tuabin trên rôto hướng gió hướng ra xa gió, do đó ít có nguy cơ chúng va vào tháp khi gió lớn. Điều này có nghĩa là chúng có thể nhẹ hơn và linh hoạt hơn, đòi hỏi ít vật liệu hơn và do đó ít tiền hơn để chế tạo. Sau đó, những cánh gió này cũng có thể uốn cong thay vì gãy khi đối mặt với gió mạnh — giống như cây cọ.
Trong sáu năm qua, cùng với các cộng tác viên tại Đại học Virginia, Đại học Texas tại Dallas, Trường Mỏ Colorado và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia, nhóm của Pao đã hợp tác phát triển SUMR (Máy quay siêu nhẹ phân đoạn) tuabin, một cánh quạt hai cánh, hướng gió để kiểm tra hiệu suất của khái niệm nhẹ này đang hoạt động. Vào ngày 10 tháng 6 tại Hội nghị Kiểm soát Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu CU đã trình bày kết quả từ một nghiên cứu mới trong bốn năm dữ liệu thực tế từ việc thử nghiệm thiết bị biểu diễn 53,38 kilowatt (SUMR-D) của họ tại Cơ sở Flatirons của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL), chỉ phía nam Boulder, Colorado.
Họ nhận thấy rằng tuabin của họ hoạt động ổn định và hiệu quả trong thời gian có gió giật mạnh - một kết quả khả quan.
Máy biểu diễn hai cánh, 53,38 kilowatt (SUMR-D) tại Cơ sở Flatirons của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL), ngay phía nam Boulder, Colorado. Ảnh: Kelsey Simpkins / CU Boulder
"Các cánh quạt được sản xuất để nhẹ và rất linh hoạt, vì vậy chúng có thể phù hợp với tải trọng gió. Bằng cách đó, chúng tôi có thể giảm chi phí của các cánh quạt và giảm chi phí năng lượng", Mandar Phadnis, tác giả chính của cuốn sách mới cho biết. nghiên cứu trong Kỷ yếu của Hội nghị Kiểm soát Hoa Kỳ năm 2022, và là nghiên cứu sinh về kỹ thuật điện, máy tính và năng lượng.
Công việc sáng tạo này không thể đến vào thời điểm tốt hơn. Biến đổi khí hậu không chỉ đòi hỏi chúng ta phải nhanh chóng mở rộng quy mô năng lượng tái tạo đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí hơn, mà nhiệt độ toàn cầu tăng cao cũng có khả năng gây ra các cơn bão dữ dội.
Hoạt động của bão trong năm nay ở Đại Tây Dương được dự đoán là trên mức trung bình, với Trung tâm Dự báo Khí hậu của NOAA ước tính có tới 6 cơn bão lớn với sức gió từ 111 dặm / giờ trở lên trong khoảng thời gian từ ngày 1 tháng 6 đến ngày 30 tháng 11.
Bộ não ẩn của tuabin
Một trong những yếu tố phức tạp nhất của việc tạo ra năng lượng gió là xử lý lượng gió không đủ hoặc quá nhiều cùng một lúc. Khi tốc độ gió quá thấp, tuabin không thể tạo ra một lượng năng lượng hữu ích. Khi gió giật quá nhanh, chúng có thể đẩy giới hạn công suất của tuabin, khiến tuabin ngừng hoạt động để tránh quá tải hệ thống.
Sự không nhất quán của tốc độ gió đã cản trở năng lượng gió kể từ khi ra đời; Mất thời gian để tắt hệ thống dẫn đến năng lượng được tạo ra ít hơn và sản xuất kém hiệu quả hơn.
Chìa khóa cho những đóng góp đổi mới của Pao là những cải tiến đối với bộ điều khiển — bộ phận của tuabin quyết định thời điểm cần tích cực hơn hoặc ít hơn trong sản xuất điện.
Pao, tác giả cao cấp của nghiên cứu và là thành viên của Viện Năng lượng Tái tạo và Bền vững (RASEI) cho biết: “Chúng tôi thích nghĩ về bộ điều khiển về cơ bản là bộ não của hệ thống.
Bộ não ẩn này nhằm mục đích sản xuất năng lượng gió hiệu quả với chi phí thấp và ít hao mòn. Bộ điều khiển phản hồi thực hiện điều này bằng cách sử dụng các phép đo hệ thống đang hoạt động như thế nào và sau đó điều chỉnh để cải thiện hiệu suất tốt hơn, Pao nói.
Bộ điều khiển yaw đảm bảo tuabin quay về hướng chính xác, bộ điều khiển bước cánh xác định hướng của các cánh (phụ thuộc vào tốc độ gió) và máy phát điện
bộ điều khiển mô-men xoắn quyết định bao nhiêu công suất để kéo ra khỏi tuabin và lên lưới. Trong khi nó điều khiển các thành phần vật lý của tuabin, các bộ điều khiển này về cơ bản là một thuật toán phần mềm cho các động cơ biết phải làm gì.
Nhóm của Pao không chỉ quay tua-bin để giảm thiệt hại do gió mạnh, mà còn làm việc ở hậu trường trên phần mềm của họ để tối đa hóa khả năng của hệ thống để tiếp tục hoạt động trong các đợt gió lớn.
Phadnis cho biết: “Công việc của chúng tôi cố gắng dự đoán khả năng xảy ra hoặc khả năng xảy ra các cơn gió giật mạnh, và sau đó cố gắng giảm thiểu các đỉnh tốc độ bằng cách hành động trước khi chúng xảy ra”.
Máy biểu diễn hai cánh, 53,38 kilowatt (SUMR-D) tại Cơ sở Flatirons của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL), ngay phía nam Boulder, Colorado. Ảnh: Kelsey Simpkins / CU Boulder
NREL's Flatirons Campus 'là nơi hoàn hảo để kiểm tra điều này trong thực tế, vì nó được đặt ở vị trí chiến lược để đón những cơn gió mạnh thổi qua Quốc lộ 93 và lên mesa, sau khi xuyên thẳng qua Eldorado Canyon về phía tây.
Tại đó, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng ngay cả khi thông qua thử nghiệm rộng rãi, tốc độ tối đa của máy phát điện vẫn thấp hơn ngưỡng cho bộ điều khiển hoạt động của chúng để giữ cho tuabin hoạt động.
Trong một sự hợp tác riêng biệt, Pao và nhóm nghiên cứu của cô đã làm việc với Đại học Oldenburg ở Đức để đánh giá tiện ích của các cảm biến quét phía trước tuabin để đo gió thổi vào và của các bộ điều khiển tiên tiến chỉ huy tuabin phản ứng chủ động.
Mở rộng quy mô năng lượng gió trên thế giới
Pao cho biết: Mặc dù tuabin gió hoặc tuabin hai cánh như SUMR-D có thể không thống trị ngành năng lượng gió, nhưng bằng cách thực hiện các thử nghiệm trong thế giới thực kéo dài nhiều năm này, các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về những gì có thể xảy ra, Pao nói.
Các thuật toán điều khiển mà họ đã phát triển cũng có thể áp dụng tương tự cho các tuabin gió ba cánh truyền thống, vốn vẫn thống trị thị trường đất liền và ngoài khơi.
Pao nói: “Tuy nhiên, lợi thế của cấu hình hướng xuống thực sự xuất hiện khi bạn sử dụng các tuabin quy mô cực lớn, và những tuabin đó chủ yếu dành cho ngoài khơi.
Nhóm của Pao đã và đang giải quyết những tầm cao lớn này: Cùng với các cộng sự của mình, họ đã thiết kế và mô hình hóa (nhưng không thử nghiệm) các tuabin quy mô lớn, ngoài khơi 25 MW và 50 MW SUMR (gió xuôi).
Cuối cùng, bà tin rằng sự kết hợp của các bộ điều khiển được cải tiến, vật liệu nhẹ hơn và đàn hồi, và cấu hình tuabin chiến lược có thể cho phép các tuabin khổng lồ ngoài khơi vượt qua đối thủ. Chúng không chỉ tiết kiệm chi phí và tiết kiệm năng lượng hơn, cho phép tạo ra một tuabin lớn thay vì nhiều tuabin nhỏ hơn (sẽ giảm chi phí lắp đặt và bảo trì) và có thể thu được tốc độ gió nhanh hơn trên mặt đất mà còn có thể chịu được thời tiết khắc nghiệt hơn chắc chắn sẽ đến.
Pao cho biết: “Các cánh tuabin gió thường được thiết kế để kéo dài ít nhất 20 năm và chúng tôi muốn các cánh quạt ý tưởng mới của mình đạt được tuổi thọ cao tương tự.
