Algorytmy optymalizujące pracę turbin wiatrowych

Algorytmy optymalizujące pracę turbin wiatrowych

Amerykańscy naukowcy z Wisconsin-Milwaukee University skonstruowali nowatorskie rozwiązanie, dzięki któremu turbiny wiatrowe zasilać będą sieci energetyczne bardziej równomierny sposób. Turbiny wykorzystywać będą bezwładność wirnika do wygładzenia wahań mocy powodowanych przez zmienną prędkość wiatru.

Duże turbiny wiatrowe o mocy powyżej pół megawata wyposażone są zwykle w mechanizmy sterujące ułożeniem łopat wirnika, oraz jego prędkością. Ich celem jest maksymalizacja pozyskiwanej energii. Istniejące algorytmy sterujące dokonują pewnych upraszczających założeń dotyczących wiatru, przyjmując, że krzywe mocy są niezmienne, przez co obniżają nieco sprawność turbin. Modele te zwykle bazują na obliczeniowej mechanice płynów, oraz danych empirycznych, które często są nieprecyzyjne. W dodatku korzystanie z takich modeli zakłada posiadanie ‘doskonałej’ wiedzy dotyczącej prędkości i kierunku wiatru. A co więcej, opracowane dotąd adaptacyjne metody potrzebują całych godzin, by dostosować się do zmienionych warunków.

Istniejące rozwiązania wykorzystują baterie oraz kondensatory, które służą do magazynowania energii w czasie, gdy wiatr wieje z odpowiednią prędkością. Oddają one energię wtedy, gdy wiatr wieje za słabo, albo wręcz tak mocno, że wiatraki muszą być natychmiast unieruchamiane. Turbiny wyposażone są również w technologie służące do wygładzania generowanej energii i zapobiegania nagłym zanikom prądu wywoływanym przez wyłączniki bezpieczeństwa, które reagują na odchyły częstotliwości prądu.

Opracowana technologia pozwala łagodzić wahania mocy dzięki zastosowaniu jako elementu magazynującego energię, bezwładności wirniki turbiny. Opracowali oni algorytm, który tak dopasowuje prędkość wirnika, by w warunkach siły wiatru większej niż przeciętnie dopuszczać zwiększenie prędkości obrotowej wirnika, dzięki czemu nadmiar energii gromadzi on w postaci energii kinetycznej, a nie generuje większej ilości energii elektrycznej. Energia ta jest uwalniana z kolei, gdy siła wiatru spadnie poniżej średniej.

Technologia ta składa się z programowych algorytmów sterujących, które przezwyciężają ograniczenia istniejących dotąd schematów sterujących poprzez optymalizację kąta nachylenia łopat oraz prędkości wirnika w oparciu o jedną, najistotniejszą zmienną, czyli generowaną moc wyjściową. Jest to zatem samooptymalizujący się schemat sterowania, który w czasie rzeczywistym tak dobiera parametry pracy turbiny, by osiągnąć jak najwyższy punkt pracy. Nowa metoda sterowania objawia swoje zalety szczególnie w warunkach słabego wiatru oraz bardzo zmiennych warunków.

Podejście takie oznacza, że nie jest potrzebny żaden zewnętrzny moduł magazynujący nadmiar energii. Co więcej, rozwiązanie to wpływa na poprawę sprawności turbiny, a także efektywności działania całej farmy wiatrowej.

Symulacje przeprowadzone na modelu turbiny o mocy 1,65 megawata pokazały, że można osiągnąć nawet 10 procent więcej mocy przy znacznie krótszym czasie reakcji systemu w porównaniu z konwencjonalnymi metodami adaptacyjnymi.

(lk)