(Credit: Don Sniegowski / Flickr)
Laut Forschungsergebnissen können Turbinen, die leicht vom entgegenkommenden Wind abgewandt sind (so genannte Nachlauflenkung), diese Störungen verringern und sowohl die Menge als auch die Qualität des Stroms aus Windparks verbessern.
Die Änderung würde wahrscheinlich auch die Betriebskosten senken.
Solitäre Windkraftanlagen produzieren die meiste Leistung, wenn sie direkt in den Wind zeigen. Wenn jedoch dicht gedrängte Turbinenlinien in Windparks dem Wind ausgesetzt sind, können die Folgen von vorgelagerten Generatoren diese nachgelagerten beeinträchtigen. Wie ein Schnellboot, das von einem stürmischen Wasser eines vorausfahrenden Bootes gebremst wird, verringert das Nachlaufen einer Windkraftanlage die Leistung der dahinter befindlichen.
„Um die globalen Ziele für die Erzeugung erneuerbarer Energien zu erreichen, müssen wir Wege finden, um viel mehr Energie aus bestehenden Windparks zu gewinnen“, sagt der leitende Autor John Dabiri, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen sowie für Maschinenbau an der Stanford University. „Der traditionelle Fokus lag auf der Leistung einzelner Turbinen in einem Windpark, aber wir müssen stattdessen über den gesamten Park nachdenken und nicht nur über die Summe seiner Teile.“
Turbinenspuren können den Wirkungsgrad von Gegenwindgeneratoren um mehr als 40 Prozent reduzieren. Bisher haben Forscher Computersimulationen verwendet, um zu zeigen, dass eine Fehlausrichtung von Turbinen gegenüber den vorherrschenden Winden die Produktion von nachgeschalteten Turbinen steigern kann. Die Herausforderung, einen Windpark zu finden, der bereit ist, den normalen Betrieb für ein Experiment zu unterbrechen, und die besten Winkel für die Turbine zu berechnen, hat dies bisher an einem echten Windpark nicht gezeigt.
Zunächst entwickelten die Forscher einen schnelleren Weg, um die optimalen Fluchtungswinkel für Turbinen zu berechnen, die sie in beschreiben Proceedings of the National Academy of Sciences.
Anschließend testeten sie ihre Berechnungen in Zusammenarbeit mit dem Betreiber TransAlta Renewables in einem Windpark in Alberta, Kanada. Die Gesamtleistung der Farm stieg bei niedrigen Windgeschwindigkeiten - abhängig vom Winkel der Turbinen - um bis zu 47 Prozent und bei durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten um 7 bis 13 Prozent. Die Nachlauflenkung reduzierte auch die Ebbe und Flut der Kraft, die bei Windkraft normalerweise eine Herausforderung darstellt.
„Durch die Nachlauflenkung hat die Frontturbine weniger Leistung produziert als erwartet“, sagt der promovierte Maschinenbauingenieur Michael Howland. "Wir haben jedoch festgestellt, dass die nachgeschalteten Turbinen aufgrund geringerer Nachlaufeffekte erheblich mehr Leistung erzeugten."
Windparks verbessern
Die variable Leistung von Windparks erschwert das Netzmanagement in zweierlei Hinsicht.
Ein Grund ist der Bedarf an Notstromversorgungen wie Erdgaskraftwerken und großen, teuren Batterien. In der Studie war die Leistungsverbesserung bei niedrigen Windgeschwindigkeiten besonders hoch, da Turbinen in der Regel unterhalb einer Mindestdrehzahl nicht mehr drehen, wodurch die Produktion gänzlich eingestellt und die Netzmanager gezwungen werden, sich auf Notstrom zu verlassen. Bei langsamen Winden reduzierte die Nachlauflenkung die Zeit, in der die Geschwindigkeiten unter dieses Minimum fielen, fanden die Forscher heraus. Die größten Zuwächse wurden vor allem in der Nacht erzielt, wenn Windenergie in der Regel als Ergänzung zur Sonnenenergie am wertvollsten ist.
Zum anderen muss die Menge an Strom, die in einer Region geliefert und verbraucht wird, genau übereinstimmen, damit das Netz zuverlässig bleibt. Luftverwirbelungen durch Nachwehen können die Windparkproduktion von Minute zu Minute unregelmäßig machen - eine Zeitspanne, die zu kurz ist, um einen Gasgenerator anzusteuern. Dadurch wird die kurzfristige Anpassung von Angebot und Nachfrage für die Systembetreiber schwieriger. Sie haben Werkzeuge, um dies zu tun, aber die Werkzeuge können teuer sein. In der Studie reduzierte die Nachlauflenkung die sehr kurzfristige Variabilität der Stromerzeugung um bis zu 72 Prozent.
Darüber hinaus kann die Reduzierung der Variabilität den Windparkbesitzern helfen, ihre Betriebskosten zu senken. Turbulenzen im Nachlauf können die Turbinenschaufeln belasten und die Reparaturkosten erhöhen. Obwohl das Experiment nicht lange genug dauerte, um zu beweisen, dass die Nachlauflenkung die Ermüdung der Turbine verringert, schlagen die Forscher dies vor.
„Die erste Frage, die uns viele Betreiber stellen, ist, wie sich dies auf die langfristige strukturelle Gesundheit ihrer Turbinen auswirkt“, sagt Dabiri. "Wir arbeiten daran, die genauen Auswirkungen zu bestimmen. Bisher haben wir jedoch festgestellt, dass Sie die mechanische Ermüdung durch Nachlauflenkung verringern können."
Die richtigen Winkel finden
Um die besten Versatzwinkel für diese Studie zu berechnen, entwickelten die Forscher ein neues Modell, das auf historischen Daten des Windparks basiert.
„Die Planung von Windparks ist in der Regel eine sehr daten- und rechenintensive Aufgabe“, sagt Sanjiva Lele, Professor für Luft- und Raumfahrt sowie für Maschinenbau. "Stattdessen haben wir vereinfachte mathematische Darstellungen erstellt, die nicht nur funktionierten, sondern auch die Rechenlast um mindestens zwei Größenordnungen verringerten."
Diese schnellere Berechnung könnte Windparkbetreibern helfen, die Nachlauflenkung in großem Umfang einzusetzen.
„Unser Modell ist im Wesentlichen ein Plug-and-Play-Modell, da es die standortspezifischen Daten zur Leistung von Windparks verwenden kann“, sagt Howland. "Verschiedene Standorte können das Modell verwenden und ihre Turbinenwinkel kontinuierlich an die Windverhältnisse anpassen."
Obwohl die Forscher aufgrund der begrenzten 10-Tagesdauer dieses Feldtests keine Änderung der jährlichen Stromerzeugung messen konnten, besteht der nächste Schritt laut Dabiri darin, Feldtests für ein ganzes Jahr durchzuführen.
„Wenn wir den Punkt erreichen, an dem wir diese Strategie für längere Zeit in großem Maßstab umsetzen können, können wir potenziell die Aerodynamik, die Energieerzeugung und sogar die Landnutzung für Windparks überall optimieren“, sagt Dabiri.
Die Unterstützung für die Forschung kam von der National Science Foundation, einem Stanford Graduate Fellowship, und dem TomKat Center for Sustainable Energy von Stanford. Die Forscher führten in Zusammenarbeit mit TransAlta Corp. Feldtests durch.
Quelle: Stanford University
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