Турбулентность против ветроэнергетики: Ветроэнергетика и стабильность энергосистем
Ветряные турбины работают в условиях значительной турбулентности, и это влияет на стабильность энергосистемы.
Исследователи Патрик Милан, Матиас Вачтер и Иоахим Пинке (Patrick Milan, Matthias Wachter, Joachim Peinke) из Центра исследования ветроэнергетики Ольденбургского университета опубликовали в журнале Physical Review Letters работу «Turbulent Character of Wind Energy» («Турбулентный характер энергии ветра»).
Современные энергосистемы получают энергию в основном от небольшого числа мощных генераторов с контролируемой выработкой (газовые, угольные, гидро- и атомные электростанции). Суммарная выработка энергии от этих источников может управляться автоматически, что обеспечивает баланс выработки и потребления, гарантируя стабильность всей энергосистемы. Но если нынешние источники электроэнергии в значительной степени управляемы, выработка энергии ветрогенераторами неуправляема и меняется скачками.
Для временных интервалов порядка нескольких минут и более преобразование энергии ветра в электрическую можно представить в виде стандартной кривой средней мощности. Но на меньших временных интервалах все оказывается не так просто. Гладкая кривая превращается в сложную мультифрактальную зависимость, для которой применима теория турбулентности, созданная советским математиком Андреем Николаевичем Колмогоровым.
Если наблюдать за работой ветряной турбины, может показаться, что она вращается практически равномерно, но, если измерять выходную мощность ветрогенератора (которая зависит от величин сил и крутящих моментов внутри установки), окажется, что флуктуации мощности имеют «турбулентный» характер. В этом отношении ветряная турбина подобна самолету, совершающему посадку при сильном ветре. Внешнему наблюдателю кажется, что самолет движется плавно, в то время как те, кто находится внутри, испытывают комплекс неприятных ощущений, связанных с турбулентностью. Важно отметить, что ветряная турбина всегда работает в условиях такой «турбулентной посадки».
Моделирование показало, что скачкообразные изменения силы ветра преобразуются в резкие скачки выходной электрической мощности. Другими словами, ветрогенераторы не только передают порывы ветра в сеть, но и усиливают их. Например, изменение скорости ветра на 11 м/с в течение 8 секунд может вызвать изменение мощности на выходе генератора на 80%. Такое «усиление» объясняется нелинейностью процесса преобразования энергии и быстрой реакцией выходной мощности на изменения скорости ветра.
Более того, скачки мощности происходят не только на отдельных установках, но характерны и для ветряной электростанции в целом. Ветряные электростанции ведут себя в этом смысле парадоксально. Казалось бы, что флуктуации мощности должны усредняться при суммировании мощностей отдельных турбин. Однако этого не происходит, так как колебания ветра коррелируют в пределах электростанции. Исходя из того, что корреляции ветра могут наблюдаться на расстояниях в сотни километров, ученые ожидают, что скачки мощности в энергосистеме не будут полностью нивелироваться и на таких больших масштабах.
Результаты исследований показывают необходимость учета нестабильного и фрактального характера поведения ветряных энергетических установок при проектировании электростанций, включая технологии накопления энергии. Оказывается, что ситуация напоминает сделанное много лет назад открытие фрактального поведения финансовых рынков, без понимания которого невозможно было бы поддерживать их стабильность.
Дальнейшие исследования группа собирается вести в направлениях изучения влияния обнаруженной турбулентности на устойчивость энергетических сетей и разработки методов минимизации отрицательных эффектов.
По сообщению PhysOrg