Лучшие достижения 2020 года в области научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок по ветроэнергетике.
Демонстрационный проект Aqua Ventus в Новой Англии.
Поддерживаемый WETO демонстрационный проект оффшорного ветра, предложенный для развертывания у побережья штата Мэн, утвердила Комиссия по коммунальным предприятиям штата, а компания Maine Aqua Ventus I и Central Maine Power Company подписали 20-летнее соглашение о закупке электроэнергии (PPA). Заключение соглашения о подаче электроэнергии предоставляет возможность демонстрационному проекту продавать электроэнергию компании Central Maine Power, что уже привлекло финансовых инвесторов. 5 августа 2020 года Diamond Offshore Wind и RWE Renewables присоединились к New England Aqua Ventus, чтобы возглавить разработку, строительство и эксплуатацию проекта. Diamond Offshore Wind является дочерней компанией Mitsubishi Corporation, а RWE Renewables - вторым по величине владельцем морских ветряных электростанций в мире.
Обе компании привносят мировой опыт в разработку и строительство оффшорных ветроэнергетических проектов и поддерживают демонстрацию проекта плавучего бетонного фундамента.
Развертывание буя лидар.
В сентябре 2020 года WETO привлекла финансирование от Бюро по управлению океанической энергией (BOEM) для развертывания двух морских буев с целью изучения траектории ветров у побережья Калифорнии на глубине 2 000–3 000 футов. Буи будут собирать метеорологические и океанографические данные у западного побережья в течение года, чтобы поддержать решение BOEM о возможности потенциальной аренды объектов ветроэнергетики у побережья Калифорнии. Развертывание следует за обновлением стоимостью 1,3 миллиона долларов для установки более мощных лидаров, после открытия исходного кода соответствующей системы управления данными, чтобы облегчить доступ для всех ученых.
Национальный консорциум исследований и разработок в области морской ветроэнергетики.
Национальный консорциум исследований и разработок в области морской ветроэнергетики был учрежден Министерством энергетики и Управлением энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк. Финансирование высокоэффективных исследовательских проектов снизят затраты на морскую ветроэнергетику и поддержат развитие цепочки поставок. Инвестиции для каждого проекта составили 20,5 миллионов долларов. Государственные агентства в Мэриленде, Вирджинии и Массачусетсе также предоставили финансирование. Общий объем инвестиций составил около 46 миллионов долларов. Первый запрос предложений Консорциума привел к получению 20 наград на общую сумму 17,3 миллиона долларов, а в 2020 году было объявлено о втором запросе предложений (RFP) по приоритетным для отрасли темам НИОКР в области морской ветроэнергетики.
Референсная турбина 15 МВт.
В начале 2020 года Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL) в рамках международного сотрудничества, финансируемого WETO, разработала прибрежную эталонную ветряную турбину мощностью 15 мегаватт (МВт) - конструкцию открытого доступа для всей системы ветряных турбин, которую исследователи используют для оценки производительности и стоимости предлагаемых модификаций системы. Эталонная турбина широко используется и включает в себя несколько программных инструментов и отдельных модулей для стационарных донных ветряных турбин на мелководье и глубоководных, плавучих ветряных турбин.
Технологии наземного и поперечного ветра.
Наземные ветряные турбины на фоне облаков. Развитие наземных ветроэнергетических установок в Соединенных Штатах продолжает расширяться. Фото Денниса Шредера, NREL.
Высокоэффективные легкие ветрогенераторы.
WETO поддержала и профинансировала три проекта по разработке технологий трансмиссии ветряных турбин нового поколения, которые будут способствовать дальнейшему развитию ветряных турбин. Легкие генераторы имеют большое значение, поскольку размер и вес генератора влияют на вес и стоимость башни и фундамент ветряной турбины, а также на специализированное оборудование, необходимое для транспортировки и установки крупных компонентов.
General Electric (GE) Research разработала прототип высокоэффективного сверхлегкого низкотемпературного сверхпроводящего генератора на основе технологий магнитно-резонансной томографии (МРТ), без использования редкоземельных металлов, что позволило снизить массу генератора. WEG Energy Corporation разработала высокоэффективный легкий генератор с постоянным магнитом и прямым приводом для интеграции в существующие платформы.
Американская сверхпроводниковая корпорация разработала высокоэффективный легкий ветрогенератор, в котором используются высокотемпературные сверхпроводящие материалы для замены постоянных магнитов в роторе генератора.
Композиты из углеродного волокна для лопастей.
Национальные лаборатории Сандия Министерства энергетики, Национальная лаборатория Ок-Ридж и Государственный университет Монтаны продемонстрировали коммерческую жизнеспособность нового конкурентоспособного композитного материала из углеродного волокна для использования в лопастях ветряных турбин. Анализ показал коммерческую жизнеспособность использования композитных материалов из углеродного волокна для снижения общей стоимости энергии ветра и производства более длинных и тонких лопастей ветряных турбин. Вес лопастей при использовании лонжеронов из углеродного волокна по сравнению со стекловолокном ниже на 25%. Производители ветряной энергии не применяли углеродное волокно из-за его высокой стоимости. Новый материал из углеродного волокна, используемый в данном исследовании, стоит на 40% меньше, чем коммерческое углеродное волокно, что позволяет использование материалов из углеродного волокна в лопастях ветряных турбин.
Запатентованная конструкция лопастей.
При финансовой поддержке WETO, Sandia National Laboratories (SNL) США разработала конструкцию лопасти ветряной турбины, которая позволит сократить расстояние между турбинами. Идея возникла во время проекта Национального испытательного стенда ротора для разработки новых лопастей ветряных турбин с акцентом на исследования спутного следа на ветроэлектростанции DOE / SNL в Техасе. Запатентованная инновация изменит скорость воздуха, проходящего через ротор ветряной турбины. В результате такой конструкции лопастей воздушный шлейф исчезает быстрее, что позволяет размещать ветряные турбины ближе друг к другу без снижения эффективности, а выработка энергии в расчете на единицу используемой площади земли увеличится.
Инструмент оптимизации производительности с открытым исходным кодом.
При финансовой поддержке WETO компания NREL выпустила новую версию своей модели FLOw Redirection и Induction in Steady State (FLORIS) для оптимизации производительности ветряных электростанций. FLORIS, которая была разработана совместно NREL и Делфтским технологическим университетом, представляет собой платформу с открытым исходным кодом, доступную для загрузки и совместной разработки. В последнем обновлении FLORIS используются новые инструменты моделирования, которые расширяют возможности проектирования и анализа стратегии управления ветряными электростанциями для больших массивов турбин. С 2018 года более 2000 пользователей получили доступ к инструменту для получения информации о работе турбин, а также о проектировании ветряных электростанций. Оптимизируя стратегии управления потоком, такие как управление спутным потоком, FLORIS позволяет существующим ветроэнергетическим установкам повышать производительность и увеличивать прибыль.
Распределенный ветер.
Фотография экологического центра CBF Brock на фоне голубого неба. Экологический центр CBF Brock с солнечными батареями и ветряными турбинами для жилых домов производит в два раза больше энергии, чем при использовании технологии распределенной энергии.
Проект повышения конкурентоспособности.
NREL при финансовой поддержке WETO работает с десятками малых предприятий по всей территории Соединенных Штатов, чтобы продвигать ветроэнергетику как распределенный энергетический ресурс в рамках Проекта повышения конкурентоспособности (CIP). Программа CIP с 2013 года поддерживает производителей распределенной ветряной техники - малых и средних ветряных турбин - посредством проектов с разделением затрат на конкурсной основе, направленных на: 1) оптимизацию конструкций для увеличения производства энергии и поддержки сетей; 2) испытания турбин и компонентов в соответствии с национальными стандартами для проверки производительности и безопасности; 3) разработки передовых производственных процессов для снижения затрат на оборудование. В период с 2013 по 2020 год NREL заключил 36 субподрядов с 20 компаниями на общую сумму 7,75 миллиона долларов США и привлек 3,79 миллиона долларов дополнительных инвестиций частного сектора. В августе 2020 г. DOE выбрало восемь проектов для их финансирования в размере 2,6 миллионов долларов, в результате чего общая сумма обязательств DOE составила более 10 миллионов долларов. Также это привлекло более 5 миллионов долларов в рамках отраслевого распределения затрат.
Ветряные турбины для защиты от стихийных бедствий.
Финансируемый WETO проект ветряных турбин для защиты от стихийных бедствий оценил технический и рыночный потенциал быстро развертываемых ветроэнергетических систем для удовлетворения энергетических потребностей в деятельности по защите и реагированию на бедствия. Отчет за 2020 год показал, что у ветряных турбин есть значительные возможности для обеспечения электроэнергией на местах без рисков и ограничений, которые существуют для дизельных генераторов, используемых в процессе поддержки иностранных оборонных миссий или гуманитарной помощи. Анализ отчета показывает, что оптимизированные для низкой скорости ветра и быстро развертываемые ветряные турбины, при интеграции с аккумуляторным аккумулятором, могут заменить 80% дизельных генераторов в определенных условиях.
Микросетевые установки, инфраструктура, устойчивость и усовершенствованные средства управления.
Проект Microgrids, Infrastructure Resilience и Advanced Controls Launchpad (MIRACL) является частью инвестиционного портфеля WETO, направленного на то, чтобы ветроэнергетика стала доступным и совместимым распределенным энергоресурсом (DER). DER все чаще используются отдельными лицами, предприятиями и сообществами для создания отказоустойчивой электрической инфраструктуры и расширения возможностей работы местных распределительных сетей. В 2020 году в рамках совместного исследовательского проекта, в который вошли Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии Министерства энергетики, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (PNNL), Национальная лаборатория Сандии и Национальная лабораторию Айдахо, была установлена высокоскоростная линия передачи данных под названием MIRACL Hub.
Были проведены исследования, разработки и промышленная валидация инструментов, компонентов и гибридных энергетических систем с целью проектирования и планирования DER в различных масштабах и конфигурациях при различных географических условиях. Отчет PNNL за 2020 год показал, что многие пользовательские инструменты распределения и моделирования неточно рассчитывают производительность или не отражают временную, географическую ценность и устойчивость распределенного ветра, что определяет будущую область работы для исследований и разработок MIRACL.
Интеграция сетей.
Подстанция 19,9 МВт на фоне яркого солнца и ясного голубого неба. Новая подстанция NREL мощностью 19,9 МВт, используемая для исследования интеграции энергосистемы ARIES. Фото Денниса Шредера, NREL.
Демонстрация сетевого обслуживания на местах.
По мере того как поставщики энергии исследуют новые способы надежной интеграции возобновляемых источников энергии в электрическую сеть, теперь они могут использовать ветряных электростанций не только для выработки электроэнергии. При поддержке WETO исследователи из NREL, Avangrid Renewables, независимого системного оператора Калифорнии и General Electric провели серию тестов, показывающих, что ветряные технологии могут предоставить полный набор сетевых услуг и реагирования на динамические потребности электрической сети. Результаты этих тестов, проведенных в активной сетевой среде, послужат основой для будущих исследований, в ходе которых будет изучен вопрос возможности активного управления мощностью подключенных к инвертору ветряных турбин, фотоэлектрических установок и солнечных батарей.
Исследование в области континентальной передачи энергии.
В рамках исследования межсоединений, NREL присоединился к национальным лабораториям, университетам и отраслевым партнерам, чтобы изучить ценность увеличения передачи электроэнергии через электрическую сеть США с использованием передачи постоянного тока высокого напряжения. В исследовании, спонсируемом EERE и Министерством энергетики США, количественно оцениваются затраты и выгоды от укрепления соединений (или стыков) между восточными и западными межсетевыми соединениями, которые могут создать более интегрированную энергосистему и повысить эффективность разработки и использования национальных энергетических ресурсов страны, включая солнечную, ветряную и газовую энергию.
Дорожная карта для кибербезопасности.
В Соединенных Штатах работает более 50 000 ветряных турбин общей мощностью более 100 гигаватт. Поэтому существует необходимость защиты ветряной инфраструктуры от кибератак. При поддержке национальных лабораторий WETO опубликовало Дорожную карту ветроэнергетической кибербезопасности, в которой описывается возрастающая опасность киберугроз для ветроэнергетической отрасли, ее технологий и систем управления, а также представлены методы, которые могут использоваться для повышения кибербезопасности в ветроэнергетике.
Инструменты для оптимизации использования трансмиссии.
Национальная лаборатория Министерства энергетики штата Айдахо (INL) предоставила компании WindSim Americas лицензию на программное обеспечение General Line Ampacity State Solver (GLASS). GLASS - это важная часть методологии динамического рейтинга линий (DLR) INL, основанная на погодных условиях, которая предоставляет отрасли средства для оптимизации использования существующей пропускной способности и уменьшения перегрузок при передаче. GLASS ориентируется на прогноз погоды в режиме реального времени для динамической оценки воздушных линий электропередач, оптимизируя использование инфраструктуры для интеграции энергии ветра.
Экологические исследования, размещение и обучение персонала.
Фотография ветряной электростанции и мужчины с ястребом на руке. Сэм Доллар и Гудини изучают траекторию полета птиц вокруг ветряных турбин в кампусе Flatirons. Фото Джейсона Роудмана, NREL.
Коммерциализация системы защиты от летучих мышей.
Поддерживаемая WETO система защиты от летучих мышей, разработанная NRG Systems, Inc. из Вермонта, коммерциализирована. В июле 2020 года NRG объявила, что Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE) обеспечивает установку системы защиты от летучих мышей, в которой используются установленные на турбине устройства, генерирующие ультразвук, и контроллер, интегрированный с системой SCADA турбины для отпугивания летучих мышей от ветряных турбин. SGRE установила систему на ветряные турбины в Онтарио, Канада, и Мауи, Гавайях.
Трехмерное тепловое слежение за птицами и летучими мышами.
По заказу WETO Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики США разработала ThermalTracker-3D, систему стереосмотра для оценки траекторий полета птиц и летучих мышей вокруг морских ветряных турбин. Тепловизор записывает полеты птиц в течение суток (даже в условиях ограниченной видимости). ThermalTracker-3D непрерывно передает данные спутников, отображающих активность птиц и летучих мышей возле ветряных электростанций.
Ветряные турниры проходят в виртуальном режиме.
Министерство энергетики США проводило соревнования по ветроэнергетике для студентов в онлайн режиме. После четырех дней виртуальных презентаций Министерство энергетики объявило победителей Collegiate Wind Competition 2020. Первое место в категории «Цифровой дизайн турбин» (Turbine Digital Design) заняла Морская академия государственного университета Калифорнии, а победителем в категории «Разработка проектов» стал Университет Джеймса Мэдисона(James Madison University).
База данных ветряных турбин США.
WETO и Berkeley Lab в сотрудничестве с Геологической службой США дополнили «Базу данных ветряных турбин США». В ней содержатся данные по 65 000 ветряных турбин из 43 штатов, а также Пуэрто-Рико и Гуам. С момента создания в 2018 году данные базы были просмотрены более 4,5 миллионов раз. Эта база данных является авторитетным источником данных о развертывании ветряной энергии для учреждений, оценивающих влияние ветра. В 2020 году в качестве расширения базы данных была подготовлена информация по турбинам, которые находятся на разных стадиях разработки, для использования оценок радиолокационного воздействия и для оценки возможных кумулятивных воздействий от строительства ветряных электростанций в США.
Исследования по орлам для смягчения последствий.
В 2020 году Университет Пердью и Университет Миннесоты исследовали физиологию орлов для повышения эффективности сдерживающих факторов, используемых возле объектов ветроэнергетики. Пердью оценивал зрение птиц, а Университет Миннесоты - слух. Пердью обнаружил, что у орлов есть слепые зоны около макушки головы, которые мешают им видеть то, что находится впереди, когда они смотрят вниз во время охоты. Пердью также обнаружил, что синий / индиго и оранжевый / красный наиболее заметны для орлов. Исследователи пришли к выводу, что беркуты чаще реагируют на визуальные сигналы, тогда как белоголовые орлы больше реагируют на сочетание визуальных и звуковых сигналов. Университетом Миннесоты был исследован слуховой диапазон орлов и их способность реагирования на различные слуховые стимулы, включая вокализацию. В ходе эксперимента выяснилось, что разработчикам средств отпугивания орлов следует учитывать изменение частоты и громкости звука для достижения «наименее привычных реакций».