人工智能算法帮助风力发电机机共享风能从而提高总发电量 | 智能能源

发布日期:2019-07-09 10:00
“多数人的需求超过了少数人的需求。”因此,星际迷航的火神英雄斯波克在1982年的电影“星际迷航:可汗之怒”中牺牲自己来拯救星舰企业及其船员。今天,斯坦福大学的研究人员提出了迄今为止最清楚的证明,即自我牺牲也可以使风力发电场受益。在阿尔伯塔风力发电场的示范中,一台风力发电机牺牲了其发电潜力的五分之一,以便通过相邻风力发电机实现更好的性能,从而提高了该风力发电场的总发电量。



虽然Spock的英雄主义需要一个重大的情节扭曲来重振他的角色,为下一个星际迷航续集,而教导风力发电机无私地分享风能则需要对他们的控制系统进行一些小的智能化的调整。

像遮阳伞一样投下阴影,上游风力发电机的旋转转子会产生损耗能量的“尾流”,从而减缓下游风力发电机的速度。由此产生的能量损失可能是风力发电场年发电量的10%或更多。在丹麦的Horns Rev海上风力发电场,由尾流造成的损失使每年的能源产量减少了20%。

近日,美国国家科学院论文集中介绍了协调控制方案,以减少尾流造成的损失。它被称为“尾流转向”,因为转子绕着它们的塔转向稍微远离迎面而来的风,从而使它们的尾流偏离下游风力发电机。



十多年来,模型和风洞实验表明,尾流转向可以提高总产量,但根据艾伯塔省测试背后的斯坦福流体力学专家John Dabiri的说法,很难在风力发电场进行测试。风电生产商可能不愿意承担测试期间收入损失,或者更糟糕的是他们将数百万美元的风力发电机放置在略微偏离的地方。“当研发出十分成熟的技术前,人们只是想按原样运作,”Dabiri说。

通过一位朋友的朋友,Dabiri发现一家公司愿意试图唤醒:卡尔加里的风能运营商TransAlta Renewables。去年10月,TransAlta在阿尔伯塔省Pincher Creek的Summerview 风力发电场上安排了6风力发电机,Dabiri和他的团队可以使用10天。该工厂的风力发电机布置成面对平彻克里克强大的东南风。但是在夏季和秋季,风也会从西北方吹来,直接沿着紧密排列的风力发电机排出。西北风对于前排的的风力发电机没有任何麻烦,但是由于风的唤醒,每个风力发电机的后续能量比其上游风力发电机节省30-40%。



为确定实验的最佳偏航角,斯坦福大学团队将六个试验风力发电机的风速,风向和发电数据提供了五年的专用人工智能优化算法。该算法将该数据与简单的风力模型相结合,预计将五个上游风力发电机中的每一个偏向北方约20度,这将使该组的西北风发电量最大化。

接下来他们必须找到一种指风力发电机的方法。所有商用风力发电机都被编程为始终转动或“偏转”它们的转子以面对风。Dabiri表示,在大多数现代风力发电机上进行编码工作需要几天的时间,但对于Pincher Creek运行的相对不灵活的控制系统而言,这不是一个好的选择。Dabiri的团队完成了手动操作:在10天测试期间重新定位风力发电机机舱顶部的方向跟踪风向标,从而欺骗控制系统从风中旋转20度。

由此产生的功率增益很大。西北风的发电量增加了13%,以每秒7-8米(mps)的速度吹向风力发电场。通过减少风力击中风力发电机的速度低于5 mps(他们自动关闭的门槛)的时间,转向在西北风较慢的情况下产生了更大的影响。对于5-6 mps风,尾流转向提升发电量高达47%。

Dabiri说,尾流转向应通过动态调整风力发电机产生更好的结果,基于一系列风力条件下每个风力发电机的最佳偏航角表。他说,该小组正准备采用一种解决方法,使用旧式控制系统对风力发电机进行这种动态调整:一个小型逻辑电路,用于调整风向标的数据馈送,欺骗控制系统。“我们拦截并改变这个数字。”达比里说。

与此同时,他们计划与TransAlta一起在明年安大略省一个风力发电场进行更大规模的尾流转向。第一部分将测量机械负载,以确保尾流转向不会使风力发电机变形。达比里说,有理由期待相反的情况,因为醒来往往不均匀地击中转子,扭曲他们的组件。

美国国家可再生能源实验室(NREL)正在努力改进自己的尾流转向算法,并在商业风力发电场进行测试。NREL与总部位于上海的Envision Energy进行合作,于2017年首次亮相。在该试验中,中国一个海上农场的一台风力发电机提高了几台相邻风力发电机的产量。两个月前,NREL 报道在位于佛罗里达州朱诺海滩的NextEra能源公司运营的科罗拉多风力发电场成功改造了两台风力发电机。

NREL团队表示,其结果表明尾流转向可以将风力发电场年产量提高至少1-2%,使传统的300兆瓦美国风力发电场的收入增加100万美元或更多。Dabiri说他的结果表明,尾流转向每年可以从这六个阿尔伯塔省的风力发电机中产生7%的能量。应用于全球安装的超过600千兆瓦的风力发电容量,这两项估算都代表了一系列令人印象深刻的人工智能能源提升潜力,只需很少的额外投资即可获得。

Dabiri预测尾流转向对未来装置的影响最大。虽然今天安装的风力发电场是最便宜的电力来源之一,但他表示,未来几十年的经济脱碳需要全球风电容量的增加,这将导致更密集的风力发电场开采高质量风电。“有一种误解,即风能是无限的。事实并非如此。”Dabiri说道。“我们需要更好地开采风能。”