Việc tinh chỉnh góc tuabin giúp tiết kiệm điện hơn từ các trang trại gió
Ảnh: Pixabay / CC0
Một thuật toán điều khiển mới dành cho các trang trại điện gió giúp thay đổi cách thức các tuabin riêng lẻ được định hướng theo gió hứa hẹn sẽ tăng hiệu suất tổng thể và sản lượng năng lượng của các trang trại bằng cách tối ưu hóa cách chúng đối phó với tình trạng hỗn loạn của chúng.
Thuật toán, đã được thử nghiệm tại một trang trại gió thương mại ở Ấn Độ nhưng có thể được sử dụng ở bất cứ đâu, mang lại tiềm năng cải tiến ngay lập tức, không tốn chi phí cho các trang trại gió hiện có. Nó cũng có thể cho phép các trang trại điện gió được xây dựng trong các khu vực chật hẹp hơn, do đó tiết kiệm điện hơn từ các bất động sản ít hơn — giảm thiểu một lượng lớn năng lượng gió.
Nói chung, các trang trại điện gió tạo ra khoảng 380 tỷ kilowatt giờ mỗi năm ở Hoa Kỳ. Nếu mọi trang trại điện gió của Hoa Kỳ áp dụng chiến lược mới và thấy hiệu quả tăng lên tương tự như những gì được tìm thấy trong nghiên cứu mới, nó sẽ tương đương với việc bổ sung hàng trăm tuabin mới có khả năng cung cấp năng lượng cho hàng trăm nghìn ngôi nhà vào lưới điện của quốc gia John O. Dabiri, Giáo sư Hàng không và Cơ khí Centennial, đồng thời là tác giả cấp cao của bài báo về dự án được xuất bản bởi tạp chí Nature Energy vào ngày 11 tháng 8.
Dabiri cho biết: “Các tuabin riêng lẻ tạo ra không khí bị nhiễu, hoặc đánh thức, điều này làm ảnh hưởng đến hiệu suất của mọi tua bin trong số chúng,” Dabiri nói. "Để đối phó với điều đó, theo truyền thống, các tuabin của trang trại điện gió được đặt càng xa càng tốt, điều này không may lại chiếm rất nhiều bất động sản."
Sau nhiều năm nghiên cứu vấn đề, Dabiri và cựu sinh viên tốt nghiệp Michael F. Howland, tác giả chính của bài báo và hiện là trợ lý giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường của Esther và Harold E. Edgerton tại MIT, đã phát triển một thuật toán buộc các tuabin gió riêng lẻ. ngừng hành động chỉ vì lợi ích của họ — nghĩa là, tối đa hóa khả năng tiếp cận gió của họ bằng cách đối mặt trực tiếp với nó — và thay vào đó hành động vì lợi ích lớn hơn của sản xuất trang trại gió.
Một cuộc thử nghiệm và điều chỉnh thuật toán trong thế giới thực kéo dài một năm được thực hiện ở Ấn Độ từ năm 2020 đến năm 2021 đã được thực hiện bởi Varun Sivaram, người vào thời điểm đó, là giám đốc công nghệ (CTO) của ReNew Power, công ty năng lượng tái tạo lớn nhất Ấn Độ, và người hiện là cố vấn cấp cao cho Đặc phái viên của Tổng thống Hoa Kỳ về Khí hậu John Kerry, với tư cách là giám đốc điều hành của ông về năng lượng sạch và đổi mới. Sivaram cũng là đồng tác giả trên báo này.
Sivaram đã bị ấn tượng bởi một bài thuyết trình của Dabiri vào năm 2017 với ban giám đốc của một công ty điện lực Canada về việc sử dụng các thuật toán để cải thiện hiệu quả của các trang trại điện gió. Khi trở thành CTO của ReNew Power vào năm 2018, Sivaram đã liên hệ để xem liệu Dabiri có muốn cộng tác hay không.
"Tôi gọi cho John và hỏi liệu chúng tôi có thể làm được điều này không. Và anh ấy nói, 'Hiện tại tôi đang có một sinh viên tốt nghiệp xuất sắc, và tôi nghĩ đây có thể là dự án hoàn hảo để tất cả chúng ta giải quyết.'"
Mối quan tâm của Howland về điều khiển trang trại gió tập thể bắt đầu khi ông còn là sinh viên đại học tại Đại học Johns Hopkins nghiên cứu vật lý của luồng không khí qua các trang trại gió. Howland nói: “Tôi quan tâm đến việc phát triển các mô hình dự báo cho các trang trại gió, có thể được sử dụng để nâng cao hiệu quả. "Nhưng nó cực kỳ đắt về mặt sức mạnh tính toán để mô phỏng toàn bộ vật lý của dòng khí quyển và trang trại gió."
Chính trong quá trình nghiên cứu đại học của mình, Howland lần đầu tiên khám phá cách điều chỉnh sai góc của tuabin so với gió gây ra tác động to lớn đến sự thức giấc.
Để giải thích tầm quan trọng của việc điều chỉnh đó, cần hiểu rằng không có nhiều cách để dễ dàng điều chỉnh hiệu suất của tuabin gió mà không cần lắp đặt thêm phần cứng. Chúng không được thiết kế để thay đổi độ nghiêng hoặc góc lên xuống của chúng. Nhưng chúng có thể được xoay từ bên này sang bên kia, điều chỉnh ngáp của chúng.
Howland nói: “Một số nghiên cứu trước đây tập trung vào việc điều chỉnh lực cản tạo ra bởi quá trình phát điện của tuabin. "Việc để các cánh quay tự do hơn sẽ tạo ra ít tiếng động mạnh hơn, nhưng tuabin với hoạt động được sửa đổi cũng tạo ra ít năng lượng hơn." Mặt khác, lệch hàm không chỉ làm giảm cường độ thức mà còn chuyển hướng tác động của nó xuống phía hạ lưu.
Sau khi học xong đại học, Howland theo đuổi các bằng cấp sau đại học của mình với Dabiri, người lúc đó đang theo học tại Đại học Stanford. Dabiri trước đây đã làm việc tại Caltech để nghiên cứu cách bố trí tua-bin gió trong sản lượng điện được bảo vệ. Vào năm 2019, Howland và Dabiri đã phát triển một mô hình máy tính để cố gắng cải thiện hiệu suất của một dãy sáu tua-bin cụ thể, sau đó tiến hành thử nghiệm hai tuần tại dãy để đánh giá hiệu suất của các tua-bin. Họ đã chứng minh rằng một chiến lược định hướng trên toàn trang trại bao gồm việc điều chỉnh sai lệch trục có thể cải thiện hiệu suất tổng thể. Vấn đề là, họ đã thực sự tối ưu hóa hiệu suất tại trang trại đó chưa? Hay chỉ đơn giản là cải thiện nó phần nào so với các phương pháp kiểm soát tiêu chuẩn công nghiệp?
Nếu không có khả năng kiểm tra tất cả các chiến lược không tối ưu có thể có và trực tiếp chọn ra chiến lược tốt nhất
một, không thể nói. Vì vậy, nhóm đặc biệt tập trung vào việc phát triển các mô hình cải tiến về cách điều chỉnh góc của tuabin gió lên ảnh hưởng đến cả tuabin gió xuôi và cả hiệu suất của chính tuabin bị lệch. Điều quan trọng là, hiệu suất của tuabin bị lệch phụ thuộc vào điều kiện gió trong khí quyển tới thổi vào trang trại. Mô hình hóa tác động chung của việc điều chỉnh góc và điều kiện gió tới là rất quan trọng để phát triển một mô hình chính xác có thể dự đoán chiến lược định hướng trang trại tốt nhất có thể.
Howland giải thích: “Bởi vì hiệu ứng đánh thức mạnh làm giảm sản lượng điện của tuabin gió xuôi, nên tuabin gió ngược đang gánh vác nặng nề cho tổng sản lượng nông nghiệp. "Việc mô hình hóa chính xác công suất của tuabin lệch trục, phụ thuộc vào luồng gió trong khí quyển, thường bị bỏ qua trong các mô hình được sử dụng để tối ưu hóa điều khiển dòng chảy của trang trại gió. Đây là trọng tâm cho cả quá trình phát triển mô hình và các thí nghiệm xác nhận của chúng tôi."
Dựa trên nghiên cứu đó, Howland, Dabiri và các đồng nghiệp của họ đã phát triển một thuật toán buộc các tuabin riêng lẻ - bắt đầu với tuabin dẫn đầu - phải điều chỉnh sai góc nghiêng của chúng lên đến 25 độ để tối đa hóa hiệu quả tổng thể của trang trại và do đó tạo ra sản lượng điện.
Tùy thuộc vào tốc độ của gió, thuật toán mới có khả năng điều chỉnh hướng của các tuabin để tăng sản lượng tổng thể của trang trại gió ở Ấn Độ từ 1 đến 3%.
Dabiri nói: “Không ai cần phải xây dựng hoặc mua bất cứ thứ gì mới để bắt đầu ngay lập tức lấy thêm điện từ trang trại gió của họ.
Tuy nhiên, lợi ích thực sự, Howland và Dabiri nói, là tiềm năng của thuật toán cho phép các tuabin gió được nhóm lại gần nhau hơn bằng cách tích cực giải quyết vấn đề đánh thức, bằng cách thêm các tuabin mới vào giữa các tuabin hiện có hoặc bằng cách cho phép các kế hoạch xây dựng trong tương lai đóng gói nhiều tuabin hơn vào một khu đất nhất định.
Một trong những yếu tố quan trọng nhất của thuật toán mới là nó có tiềm năng hữu ích ở mọi nơi, từ trang trại gió ngoài khơi ở Biển Bắc đến các trang trại gió nằm rải rác trên sa mạc bên ngoài Palm Springs, California, bằng cách dự đoán chiến lược tốt nhất cho định hướng sự lệch trục của các tuabin riêng lẻ. "Không có cách nào để thực hiện dự đoán đó một cách đáng tin cậy cho đến khi có bài báo này; chỉ có thử nghiệm và sai lầm", Dabiri nói. "Vấn đề là, bạn không thể dành nhiều thời gian để thực hiện hàng tấn thí nghiệm trên một trang trại gió có nghĩa vụ tạo ra năng lượng cho khách hàng của nó."
Thay vào đó, thuật toán của Howland và Dabiri tổng hợp từng địa điểm trang trại điện gió thành một vài thông số quan trọng mô tả toán học cách thức các tuabin của nó sẽ tạo ra đánh thức. Sau đó, thuật toán dự đoán những cách tốt nhất để giảm thiểu sự đánh thức đó. Ví dụ, một yếu tố quan trọng là trang trại gió ở trên đất liền hay ở ngoài khơi, bởi vì đất có khả năng chống ma sát với gió nhiều hơn so với nước, và do đó, đánh thức trong một khoảng cách ngắn hơn. Thuật toán dựa trên cơ sở vật lý của dòng chảy trong khí quyển và trang trại gió, nhưng nó tận dụng dữ liệu trang trại gió đang hoạt động để tìm hiểu và cải thiện mô hình, giảm đáng kể các lỗi dự đoán và sự không chắc chắn.
Yếu tố quan trọng của dự án là nó không chỉ dựa trên lý thuyết; đúng hơn, nó đã được thử nghiệm trong thế giới thực tại một trang trại năng lượng gió. Theo hướng của Sivaram, ReNew Power đã đầu tư vào các đơn vị LiDAR (thiết bị quét laser) để đo tốc độ và hướng gió phụ thuộc vào độ cao trong sự cố dòng chảy đến trang trại gió, cung cấp dữ liệu chi tiết cho phép Howland và Dabiri cải thiện thuật toán của họ khi cần thiết. . Ngoài ra, các nhóm kỹ sư đã được thành lập ở Ấn Độ và Tây Ban Nha để cộng tác với Howland và Dabiri ở Hoa Kỳ.
Sivaram nói: “Cuối cùng, tất cả mọi người đều bị thổi bay bởi tầm quan trọng của những gì đã đạt được: một sự cải thiện về hiệu suất mà không tốn kém gì về đầu tư cơ sở hạ tầng,” Sivaram nói. ReNew Power hiện đang làm việc để mở rộng các phát hiện nhằm cải thiện phần còn lại của đội các trang trại gió của mình.
Trong khi đó, nhóm nghiên cứu có kế hoạch mở rộng các cuộc trình diễn thực địa của mình để giải quyết các trang trại gió ngoài khơi, nơi đặt ra những thách thức và cơ hội mới.
Dabiri cho biết: “Sự đánh thức có xu hướng tồn tại trong khoảng cách xa hơn nhiều so với đại dương, vì vậy những phương pháp mới này càng trở nên quan trọng hơn. "Đồng thời, tài nguyên gió ngoài khơi là hiện tượng và vẫn chưa được khai thác. Và, chúng tôi có thể thiết kế các trang trại gió đó từ đầu bằng cách sử dụng những ý tưởng này, vì vậy chúng tôi không bị giới hạn bởi các bố trí tuabin gió hiện có, như trường hợp của gió hiện có trang trại trên đất liền. "
Việc thử nghiệm thuật toán trong thế giới thực đã được thực hiện một phần nhờ nỗ lực của Văn phòng Đối tác Công ty và Chuyển giao Công nghệ (OTTCP) của Caltech, giúp các kỹ sư ở Pasadena đàm phán mối quan hệ với ReNew Power ở Ấn Độ và cũng như Đổi mới Năng lượng Tái tạo Siemens Gamesa & Công nghệ ở Tây Ban Nha (công ty thiết kế tuabin ReNew Power vận hành).
Sivaram nói: “Làm việc với OTTCP thật tuyệt vời. "Những gì chúng tôi tạo ra là một buổi khởi công, hiệp định ba lục địa mà bây giờ tôi dùng làm hình mẫu. "
Sivaram nằm trong ủy ban chỉ đạo của Mission Innovation, một liên minh nghiên cứu và phát triển toàn cầu được Tổng thống Barack Obama công bố vào năm 2015 nhằm giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu và làm cho năng lượng sạch trở nên hợp lý hơn.
Sivaram nói: “Đây là ví dụ trung tâm của tôi về cách chúng tôi muốn thực hiện sự hợp tác R&D quốc tế. "Nếu chúng ta có thêm hàng trăm quan hệ đối tác như thế này, thì chúng ta sẽ thay đổi thế giới."
Dự án cũng là một sản phẩm thực sự của đại dịch COVID-19, vì các kỹ sư từ Hoa Kỳ và Tây Ban Nha chỉ gặp mặt trực tiếp một lần - tại một bữa ăn tối ở Pasadena được tổ chức vào tháng 2 năm 2020 để khởi động dự án mới của họ.
Dabiri nói: “Chúng tôi nghĩ rằng tất cả chúng tôi sẽ gặp nhau thường xuyên để chia sẻ các ghi chú và thảo luận về các ý tưởng. "Rất may, tất cả chúng tôi đều có thể xoay quanh công việc thông qua hội nghị truyền hình, với nhiều cuộc họp trực tuyến mỗi tuần trong suốt các năm 2020, 2021 và 2022."
