全球合作:决定风电未来命运的11个研究课题

学术   2024-07-05 08:09   河南  

尽管美国是超级大国,在航天、AI、芯片、军工及制药等各方面独步全球,但搞风电的都知道,美国并不是风电技术最先进的国家,而是以丹麦、德国及荷兰为带边的欧洲国家,尤其是欧盟国家(不包括英国)。与欧盟和美国相比,中国的风电研发实力明显落后一个Level层次。


欧洲风能学会 EAWE

欧洲为了进一步激发自身在技术和研究上的活力,于 2003 年,在德国奥尔登堡注册成立了一个国际非盈利组织EAWE(European Academy of Wind Energy,欧洲风能学会)尽管名字里有“欧洲”,但后期加入的成员并不局限于欧洲,目前成员包括欧洲和美国 56 所大学的国际联盟(也包括中国的一个组织,下文揭晓)。


学会研究的领域涉及风能的各个方面,但它秉承着西方科学的严谨,成立页面赫然写着“Curiosity provides the basis of fundamental science, future wealth and progress of societies! 好奇心是基础科学、未来财富和社会进步的基础”,由此可以看出这个学会的核心价值观。


11个重点研究领域

为了探索科学技术的未来挑战和不断变化的边界,EAWE 的成员为 2016 年至 2025 年期间确定了 11 个雄心勃勃的研发重点领域。


1)材料和结构
复合材料转子叶片和金属风力涡轮机支撑结构应能够在 25-30 年的无人值守使用寿命内承受高度波动的疲劳载荷。符合长期运行的结构部件和系统设计提出了巨大的挑战,需要(新的)材料、方法和(应用)效果,所有这些都需要充分了解基本原理。


2)风和湍流
最佳的风力机放置需要深入了解地形或空间任何相关位置的盛行风况,从平坦的土地到森林地区、城市化场地、山区和近海等。确定大气流量的基本方程是众所周知的,但不可求解,因此通过建模得出近似解需要持续的实验验证。


3)空气动力学
风力机和风电场在聚集时会经历从亚毫米级(翼型边界层)到数百公里的三维非定常空气动力学现象。目前空气动力学的主要挑战是在整个尺度范围内理解和模拟这些现象,并通过气动弹性和控制来设计涡轮机的结构寿命和风电场性能。


4)控制和系统识别
电力电子转换器的可用性以及涡轮机电网集成规则使变桨控制变速运行成为风力涡轮机的当前行业标准。然而,由于更大的转子尺寸、浮动结构和更大规模的风电场,系统复杂性的增加给风力涡轮机控制带来了新的挑战。


5)电力转换
电力转换包括从转子轮毂到机械和电气系统的所有单独步骤,包括变频器、变压器和(海上)风电场基础设施。科学挑战在于利用最先进的和新的转换解决方案消除关键的技术障碍,对 CoE 性能产生重大积极影响,尤其是对进一步扩大规模的海上涡轮机。


6)可靠性和不确定性建模
该主题的重点是减少甚至消除意外故障。为了优化运营和维护,对外部条件的透彻了解以及对诊断和数据分析的重视是必不可少的。在结构健康监测、预后和随机维护优化以及决策工具方面也需要关键发展。


7)设计方法
当前的风力涡轮机设计通常基于以学科为导向的专家小组之间的迭代,直到确定可接受的折衷解决方案,但仍然缺乏集成设计方法。使用具有自适应保真度的经过验证的数值模型(精度与效率之间的不同权衡)并与自动化算法相结合,可以产生更令人满意的解决方案。


8)流体动力学、土壤特性和浮动涡轮机
与石油和天然气行业的专业知识和经验相比,海床固定和浮动海上风力涡轮机支撑结构更小、更动态,并且在不同的条件下运行。目前最先进的仿真工具在功能方面受到限制,一个主要的研究挑战是如何以高效、准确和可靠的方式预测与海上涡轮机相关的所有流体动力学和岩土工程效应。


9)海上环境方面
海上风电场的整体快速增长会因打桩噪音、坚硬的基质地层(桩和岩石填充物)、移动的转子叶片和人员而对环境造成累积影响。对底栖生物、鸟类、鱼类和海洋哺乳动物的影响仅得到部分量化,范围从积极到中性和消极不等。减缓和水产养殖将创造新的机会。


10)电力系统中的风能 

风电装机容量的快速增长要求园区像传统电厂一样运行,以保持可靠的基础设施和稳定的电网供电和消费平衡。除了电压和频率控制作为基本的功能辅助能力外,还需要进行持续的研究工作,以改善功率平衡和可靠的短期风电场输出预测。


11)风能的社会和经济方面

在向可持续能源系统过渡的计划中,风能是许多国家的政治目标,风能通常发挥着至关重要的作用。然而,随着风能在能源系统中所占份额的增加,社会和经济方面变得越来越具有挑战性。因此,在研究中理解和纳入政治、社会和经济方面至关重要,这样风能才能继续成为一个成功的故事。


其他关键问题

成本影响:讨论了成本(CoE)对风能技术发展的影响,并强调了长期研究对降低成本的潜在贡献。


多尺度问题:强调了从微观到宏观不同尺度的风能问题,以及如何整合这些尺度的知识以解决风能问题。


大数据和相关信息:讨论了大数据在风能研究中的应用,以及如何通过数据挖掘来提高风能系统的设计和运行效率。


模型验证:强调了通过计算、模型实验和全尺度测试来验证风能模型的重要性。


科学与风能:报告强调了跨学科知识在风能技术发展中的重要性,并提出了各学科领域的研究挑战。


社会经济方面:讨论了风能的社会经济影响,以及如何设计支持机制和经济激励措施以促进风能的发展。


欧洲风能学院的成员

58个成员主要来自欧洲、美国及中国的8个不同国家的大学和研究机构:

欧洲(49):丹麦(2)+德国(13)+英国(6)+比利时(5)+挪威(4)+法国(4)+瑞典(3)+瑞士(2)+爱尔兰(2)+意大利(2)+荷兰(2)+葡萄牙(1)+西班牙(1)+希腊(1)+土耳其*(1)

美国(8)

中国(1)


*注:土耳其地理上属于亚洲,但在政治、经济和文化领域实行欧洲模式,是欧盟的候选国,对外坚持自己为欧洲国家。

中国的 华北电力大学 在一众欧美的大学里显得如此格格不入。。。希望更多的中国高校加入这个协会,参与国际前沿的风电技术交流。


参考文献

[1]https://www.eawe.eu/research/long-term-research-agenda/

[2]https://rehack.com/iot/what-is-a-grid-connected-wind-turbine-system/

[3]https://arka360.com/ros/solar-farms-grid-connected-pv-plants/

[4]https://sgkplanet.com/en/how-many-households-can-a-wind-turbine-provide-electricity/

[5]https://www.clean-energy-ideas.com/wind/wind-energy/wind-energy-in-india/

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