Cánh quạt thử nghiệm quốc gia Mục tiêu Nhu cầu nghiên cứu nhà máy gió trong tương lai

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE lề) Khí quyển đến điện tử (A2e) Sáng kiến ​​đã xác định sự phát triển của thức dậy trong dòng chảy hỗn loạn là một quá trình vật lý quan trọng ảnh hưởng đến sản xuất điện và tải tuabin trong các trang trại gió. Các nhà nghiên cứu năng lượng gió biết rằng thức dậy từ các tuabin gió ngược dòng dẫn đến giảm sản lượng điện, tăng tải và chi phí bảo trì cao hơn cho các tuabin hạ lưu. Kết quả là chi phí năng lượng cao hơn.

Mặc dù tác động của thức dậy đối với kinh tế năng lượng gió được ghi nhận rõ ràng từ các trang trại gió đang hoạt động, các giải pháp tiềm năng vẫn còn được tranh luận cao trong ngành. Tua bin gió bây giờ đủ lớn để các nhà nghiên cứu phải dựa vào các mô hình sử dụng tài nguyên điện toán mạnh mẽ để mô phỏng các giải pháp tiềm năng. Dữ liệu trường chất lượng cao là cần thiết để xác định sự phù hợp của các mô hình hiện tại và đầu tư vào việc phát triển các mô hình trong tương lai. Sáng kiến ​​DOE sườn A2e đang bắt tay vào một thử nghiệm kết hợp chặt chẽ và chiến dịch mô phỏng mô hình hóa để giải quyết nghiêm ngặt thách thức này.

Phòng thí nghiệm quốc gia DOE và Sandia (SNL,) Công nghệ trang trại gió quy mô (SWiFT) cơ sở tại Lubbock, Texas, rất phù hợp cho một phần lớn các thí nghiệm này. Khu vực này chứa một dãy ba tua-bin gió có quy mô nghiên cứu kỹ lưỡng cùng với các tháp khí tượng để đo và ghi lại thời tiết mesoscale xung quanh mảng tua-bin cũng như chảy trực tiếp vào từng tua-bin.

Để hỗ trợ các mục tiêu vật lý cụ thể và các mục tiêu đo lường đầy tham vọng của chiến dịch thử nghiệm tích hợp này, SNL đang phát triển một rôto phụ mới, Cơ quan thử nghiệm cánh quạt quốc gia (NRT), cho các tuabin SWiFT. Các tính năng của rôto dưới cấp mới (đường kính 27 mét) được xác định bằng cách điều chỉnh các thông số hiệu suất khí động học có liên quan và trình điều khiển thiết kế từ rôto đại diện cho megawatt (đường kính 70 mét và lớn hơn). Rôto dưới cấp sẽ rất phù hợp để hỗ trợ nghiên cứu tương tác giữa tuabin với tuabin tại cơ sở SWiFT và cũng sẽ đại diện cho các tuabin có kích thước đầy đủ ở Hoa Kỳ. Mức độ phù hợp về mặt vật lý này đặc biệt quan trọng đối với chiến dịch mô phỏng thử nghiệm và mô hình hóa kết hợp bởi vì nó đảm bảo rằng độ tin cậy của các mô hình số được thể hiện trong các chế độ vật lý có liên quan trực tiếp đến các ứng dụng công nghiệp toàn diện.

Nhóm NRT đã thực hiện các mô phỏng số sơ bộ để xác định phạm vi và cấu hình của các thử nghiệm trong tương lai. Mô phỏng số cho thấy cách thiết kế cánh quạt có thể ảnh hưởng đến hành vi đánh thức tuabin gió về mặt phục hồi đánh thức. Nhóm nghiên cứu đang sử dụng các phương pháp động lực học chất lỏng tính toán độ trung bình trung bình và độ chính xác cao để hiểu được sự đánh đổi tiềm năng của các thiết kế cánh quạt khác nhau trong kịch bản nhà máy gió. Các mã cũng được sử dụng để thông báo cho chiến dịch thử nghiệm trong tương lai tại cơ sở SWiFT, lần lượt sẽ được sử dụng để xác định độ tin cậy của các mã.

Mô phỏng số sơ bộ đã cho thấy tiềm năng của một số thiết kế cánh quạt nhất định nhằm cải thiện khả năng phục hồi đánh thức tại các trang trại gió bằng cách đi lệch khỏi các thực hành thiết kế cánh quạt gió hiệu suất cao, hiệu quả cao. Lấy ví dụ, nhóm nghiên cứu SNL đã trình diễn hai thiết kế cánh quạt khái niệm. Các hình dưới đây cho thấy thâm hụt vận tốc đánh thức cho hai thiết kế ở các đường kính khác nhau ở hạ lưu của rôto; thâm hụt thức được dự đoán bằng phương pháp xoáy thư giãn bằng cách sử dụng dòng chảy ổn định, đồng đều.

Cách tiếp cận đầu tiên, được gọi là thiết kế hệ số công suất (CP) tối đa, tạo ra CP tối đa thông qua phân phối tối ưu theo lý thuyết của cảm ứng dọc trục. Cảm ứng dọc trục là lượng gió đến chậm đi bao nhiêu khi nó gặp rôto gió Tua bin và năng lượng được chiết xuất. Quá nhiều hoặc quá ít làm chậm gió làm cho gió đi qua hoặc qua đĩa rôto mà không trích xuất năng lượng tối ưu. Cách tiếp cận thứ hai Thiết kế tải đầu tip thấp hơn cho thấy cách thể hiện phân phối cảm ứng dọc trục đã được sửa đổi trong khi vẫn hoạt động ở cùng hệ số lực đẩy của cánh quạt như lưỡi dao thứ nhất và chỉ có hệ số hiệu suất rôto thấp hơn một chút. Thiết kế này cho thấy tiềm năng phục hồi đánh thức nhanh hơn, cho phép khoảng cách tuabin gần hơn và khả năng thu năng lượng gió cao hơn từ một diện tích đất nhất định.