Работа с пиками и спадами возобновляемых источников энергии будет становиться все более сложной задачей, поскольку правительства попытаются постепенно отказаться от более стабильных источников энергии на угле в ближайшие десятилетия. Чтобы смягчить или управлять этими колебаниями возобновляемой энергии, нам необходимо лучше понять природу этих колебаний. Профессор Махеш Банди, руководитель отдела коллективного взаимодействия в Окинавском институте науки и технологий аспирантуры (OIST), использовал теорию турбулентности в сочетании с экспериментальными данными ветряных электростанций для объяснения статистической природы колебаний энергии ветра в статье одного автора, опубликованной в Письма с физическим обзором.Характер скорости ветра можно изобразить в виде спектра скорости ветра на графике.
В 1941 году русский физик Андрей Колмогоров разработал спектр колебаний скорости ветра. Впоследствии было показано, что спектр ветровой энергии следует точно такой же схеме.
Однако до сих пор считалось, что эти спектры идентичны из-за взаимосвязи между мощностью и скоростью, где мощность равна скорости ветра в кубе. Но это оказалось отвлекающим маневром. Профессор Банди впервые показал, что спектр колебаний энергии ветра следует той же схеме, что и колебания скорости ветра, по другой причине.Результат Колмогорова 1941 г. применим к измерениям скорости ветра, произведенным в нескольких распределенных точках пространства одновременно.
Но колебания энергии ветра в турбине измеряются в фиксированном месте в течение длительного периода времени. Эти два измерения принципиально различаются, и, тщательно учтя это различие, профессор Банди смог объяснить спектр колебаний энергии ветра для отдельной турбины.
Мы можем думать о турбулентности как о воздушном шаре или «водовороте» колеблющейся скорости ветра. Низкочастотные водовороты с большим временным масштабом могут охватывать сотни километров. Внутри этих больших вихрей находятся вихри с более короткой шкалой времени и высокой частотой, которые могут простираться на несколько километров.
Следовательно, если все турбины в одной и той же ветряной установке попадают в одни и те же короткие и длительные водовороты, производимая ими энергия колеблется, как если бы вся установка была одной гигантской турбиной. Это именно то, что обнаружил профессор Банди, когда посмотрел на колебания энергии ветра всех турбин ветряной электростанции в Техасе.Фактически, даже географически рассредоточенные ветряные установки могут демонстрировать коррелированные колебания мощности, если они попадают в одни и те же короткие и длинные водовороты временного масштаба. Однако по мере увеличения расстояния между ветряными установками колебания их мощности начинают отделяться друг от друга.
Две географически разнесенные ветряные электростанции могут столкнуться с одними и теми же колебаниями скорости ветра в длительном масштабе времени, в то же время столкнувшись с совершенно разными колебаниями скорости ветра в более коротком масштабе времени.В прошлом некоторые ученые недооценивали проблему турбулентности, утверждая, что мощность, производимая географически разнесенными ветряными турбинами в ветреных и спокойных местах в любой момент времени, будет усредняться, когда они достигнут централизованной сети. Однако открытия профессора Банди впервые показывают, что это явление, известное как «географическое сглаживание», работает только в определенной степени.
Энергия, вырабатываемая географически разнесенными турбинными установками, в среднем находится на высоких частотах, потому что, хотя одна установка может попасть в кратковременный вихрь, а другая — нет. Другими словами, скачок выходной мощности на одном заводе усредняется падением мощности на высоких частотах другого, удаленного завода. Но поскольку растения по-прежнему попадают в один и тот же вихрь с длительным временным масштабом, мощность, которую они производят, будет иметь коррелированные колебания на низких частотах, которые генерируют наибольшую мощность. Всплеск мощности на одной ветряной электростанции будет совпадать с всплеском мощности на удаленной электростанции в пределах того же длительного вихря, что означает, что мощность, которую они подают в сеть, не может быть усреднена.
Это означает, что существует естественный предел того, насколько можно усреднить колебания энергии ветра; предел, за которым колебания могут продолжать наносить ущерб энергосистеме. Используя данные 20 ветряных электростанций в Техасе и 224 ветряных электростанций в Ирландии, профессор Банди показал, что этот предел действительно существует.«Понимание природы колебаний мощности ветряных турбин имеет непосредственное значение для принятия экономических и политических решений», — говорит профессор Банди.
Из-за изменчивости возобновляемых источников энергии угольные электростанции, обеспечивающие резервную энергию, продолжают работать в случае внезапных отключений электроэнергии, а это означает, что вырабатывается больше энергии, чем необходимо. Это означает, что «зеленая» энергия по-прежнему способствует выбросам углерода, и есть связанные с этим затраты на поддержание резервной энергии, которые будут только увеличиваться по мере увеличения доли возобновляемых источников энергии в ближайшие годы. Обнаружение предела в географическом сглаживании, сформулированное профессором Банди, позволит лучше оценить оперативный объем резервов, которые необходимо поддерживать.Это открытие также повлияет на экологическую политику.
Рассматривая предел для усреднения колебаний мощности в сочетании с доступностью различных возобновляемых ресурсов, таких как солнце, ветер и волны, в определенной области, лица, определяющие политику, будут лучше оснащены для разработки оптимальных комбинаций различных источников энергии для конкретных регионов.«Понимание природы колебаний ветряных турбин может также открыть другие возможности для исследований в других колеблющихся системах», — говорит профессор Банди.