Ветер над волнами

Точные измерения для ветровых турбин нового поколения
08.09.2021
Мария Суханова

Лидары давно применяются для дистанционного зондирования атмосферы, и методики ветромониторинга с их использованием хорошо отработаны. Однако турбулентные воздушные потоки требуют других методов, и сегодня несколько исследовательских групп объединили усилия для того, чтобы создать комплексную систему измерений, способную учитывать разноплановые потоки. Такая система будет востребована в морской ветроэнергетике.

Буи с лидарами позволяют выполнять ветроизмерения непосредственно в акватории, где находятся или планируются к постройке ветровые электростанции. Коммерческие модели лидаров, доступные на рынке, фиксируют скорость и направление ветра на высоте от 50 до 300 метров над водой, что соответствует расположению роторов (типичная высота башни 60-80 метров). Однако на работу турбин существенно влияют не только горизонтальные, но и вертикальные воздушные потоки, а значит, расчёты можно уточнить, включив в рассмотрение турбулентные вихри, возникающие в так называемой пограничной зоне вблизи водной поверхности. Методика измерения турбулентных вертикальных потоков, называемая «ковариацией вихрей» (Eddy Covariance, EC), - статистическая, это анализ комплекса собираемых через короткие промежутки времени статических и динамических данных о состоянии атмосферы. Ковариация вихрей используется в метеорологии, океанографии, гидрологии, экологическом надзоре (расчёт эмиссии газов для промышленных и сельскохозяйственных объектов) и других областях. А идея применить её в ветроэнергетике возникла совсем недавно.

Научный вызов

Прошедшим летом в СМИ появилось сообщение об инициативе по проектированию, установке и развёртыванию системы измерения ветровых потоков, которую можно смонтировать на уже существующих ветроизмерительных буях Министерства энергетики США. Инициатива выдвинута Центром исследований атмосферы (Atmospheric Sciences Research Center, ASRC) университета Олбани и Северо-Западной тихоокеанской национальной лабораторией (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL), и министерство поддержало её, выделив дополнительные средства в размере пятисот тысяч долларов.

Авторы инициативы, считая поставленную задачу сложной и интересной, обратились к научно-техническому сообществу с «вызовом на сотрудничество» (collaborative challenge), то есть с предложением присоединиться к ним и внести свой вклад в создание запланированной измерительной системы.

Особенность задуманной системы в том, что она должна обеспечить измерение физических параметров как собственно ветра, так и турбулентных восходящих потоков. Полученные с её помощью данные о поведении ветрового поля на границе воздуха и воды помогут, как надеются разработчики, улучшить прогнозирование ветровой обстановки, а это, в свою очередь, положительно скажется на выработке электроэнергии. Для «горизонтального» и «вертикального» измерений предполагается использовать разные приборы, смонтированные на одном буе. На буях Министерства энергетики уже есть лидары для измерения ветра; снимать их, естественно, не нужно - только добавить к ним новое оборудование.

Комбинированный «вертикально-горизонтальный» плавучий измерительный комплекс будет с интервалом 15-30 минут фиксировать данные о восходящих потоках вблизи поверхности, зависящих от температуры, влажности и импульса движения воздуха, а также собираемую лидаром информацию о скорости и направлении ветра на большей высоте. Такая система может быть востребована и в морской ветроэнергетике, и в морских перевозках, и в других отраслях.

Исследовательский буй Северо-Западной тихоокеанской
национальной лаборатории

«По сути, - говорит аналитик из ASRC Скотт Миллер, - мы размещаем на одном буе два совершенно разных измерительных комплекса (причём каждый из них может получить существенное развитие), и аккумулируем данные по набору параметров атмосферы, которые, если сделать их доступными, будут полезны нашим коллегам. Сейчас эта новая измерительная система находится на стадии проверки концепции, но когда комплекс заработает, он будет представлять реальную ценность для тех, кто проектирует морские ветростанции следующего поколения». О чём здесь речь? Сейчас в индустрии широко обсуждается концепция умных лопастей. Предлагаются, например, телескопические конструкции, которые помогут увеличить ометаемую площадь во время слабого ветра. Также рассматриваются разные варианты механизации крыла, которые позволят учесть разницу в скорости ветра в верхнем и нижнем положениях лопасти. Для управления умными лопастями нужно в деталях знать ветровую обстановку.

«Буи, поддерживающие работу ветроэнергетических установок, обычно не в состоянии непосредственно измерять параметры турбулентного энергообмена между воздушной средой и океаном, - объясняет Уилл Шо, глава ветроэнергетической программы PNNL. - Между тем данные о нём важны для точного моделирования ветров, обеспечивающих выработку энергии морскими установками». А Джефф Фридман из ASRC уверен, что новая система будет способствовать широкому распространению измерений непосредственно в море и, как результат, быстрому росту рынка ветровой энергии.

Помощь экологов

Готовность сотрудничать с энергетиками выразили экологи, в работе которых важное место занимает измерение турбулентных восходящих потоков. Так, площадкой для первого эксперимента стало озеро Джордж (штат Нью-Йорк), где сейчас идет проект «Джефферсон». Проект, в котором участвуют компания IBM Research, Политехнический институт Ренсселера и некоммерческая природоохранная организация The FUND for Lake George, нацелен на разработку программной платформы для комплексного мониторинга экосистемы озера. Функции платформы - анализ данных из разных источников, формирование картины состояния озера, определение положительных и отрицательных воздействий, прогнозирование изменений и выработка рекомендаций; при этом важным источником данных являются ветроизмерительные приборы. На озере Джордж исследователи из ASRC в июне смонтировали на 24-футовом понтоне EC-установку и 3D-сканирующий лидар. Ещё две научные группы - в Корнелльском университете и в колледжах Хобарта и Уильяма Смита - собираются в течение лета проверить аналогичные комплексы на озёрах Онайда и Сенека.

«Участники проекта "Джефферсон" рады сотрудничать с исследователями из ASRC, чтобы помочь им в проведении анализа и одновременно приобрести необходимые знания, которые позволят расширить наше понимание климатических процессов и, как результат, наши возможности по обеспечению постоянной безопасности пресноводных водоёмов по всему региону», - сказал директор проекта Рик Релиа.

Источник: PNNL

Читайте другие наши материалы