Ученые из Японии сумели объяснить статистический характер колебаний ветровой энергии

Москва, 17:30, 02 Янв 2017, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Количество энергии, вырабатываемой за счет возобновляемых источников энергии, колеблется в зависимости от естественной изменчивости источников. Солнце не всегда светит, а ветер не всегда дует, поэтому традиционные электростанции готовы закрыть «энергетическую брешь» в любой момент. Поскольку у возобновляемой энергии нет «склада» и нет контроля над колебаниями производства, существует риск для электросетей. В особенно ветреные дни, например, всплески энергии, вырабатываемой ветродвигателем, перегружают электросети. Чтобы избежать этого, операторы крупных энергоустановок иногда даже доплачивают потребителям за использование электроэнергии, особенно в ветреные дни, когда есть слишком много избыточной мощности в системе, чтобы сбалансировать спрос и предложение энергии в сети.

Проблемы с «пиками и впадинами» у возобновляемых источников энергии становятся все более сложными, так как существуют планы вывода из эксплуатации более стабильных угольных источников энергии в ближайшие десятилетия. Поэтому нужно лучше понять природу этих колебаний.

Ученые из Японии использовали теории турбулентности в сочетании с экспериментальными данными ветроэлектростанций, чтобы объяснить статистический характер колебаний ветровой энергии.

Скорости ветра могут быть изображены на графике. В 1941 году советский физик Андрей Колмогоров разработал спектры флуктуаций скорости ветра. Впоследствии было показано, что спектр для энергии ветра выглядит точно так же. До сих пор просто предполагалось, что эти спектры были идентичны из-за взаимосвязи между силой и скоростью, где сила равна скорости ветра в кубе. Но профессор Банди из Института Окинавы показал впервые, что для этого существует другая причина.

Результат Колмогорова применяется для измерения скорости ветра в нескольких точках пространства одновременно. Но колебания силы ветра на турбину измеряется в фиксированной точке в течение длительного периода времени. Два этих измерения принципиально отличаются, и путем тщательного учета этого различия, профессор Банди сумел объяснить спектр флуктуаций энергии ветра для отдельной турбины.

Мы можем думать о турбулентности, как о «вихре» из колебаний скорости ветра. Низкочастотные вихри могут охватывать сотни километров. Внутри этих больших вихрей расположены более кратковременные, высокочастотные завихрения, которые могут распространяться на несколько километров. Поэтому, если все турбины нескольких электростанций находятся в пределах краткого и длительного вихрей, энергия, которую они производят, колеблется, как будто они являются одной гигантской турбиной.

На самом деле, даже географически, ветроэлектростанции могут проявлять коррелированные колебания в мощности, если они попадают в такие разномасштабные вихри. Поскольку между электростанциями существует расстояние, их колебания мощности начинают отделяться друг от друга.

В прошлом, некоторые ученые недооценивали проблему турбулентности, утверждая, что энергия, производимая географически отдаленными ветровыми турбинами в ветреных и спокойных местах, в любой момент времени является средней, когда она достигает централизованной сети. Однако, выводы профессора Банди показывают впервые, что это явление, называемое «географическим сглаживанием», работает только в определенной степени.

Это означает, что есть естественный предел тому, насколько можно усреднять колебание энергии ветра — предел, за которым флуктуации могут посеять хаос в сети. Используя данные от 20 ветряных электростанций в штате Техас и 224 ветропарков в Ирландии, профессор Банди показал, что этот предел существует в реальности.

Из-за непостоянства возобновляемых источников энергии, угольные электростанции продолжают работать в случае внезапного отключения электроэнергии, вырабатывая больше энергии, чем необходимо. Это означает, что «зеленая» энергия по-прежнему вносит вклад в выбросы углекислого газа, и связанные с этим затраты на поддержание запаса энергии, которые будут только увеличиваться. Открытие границ в «географических сглаживаниях», позволит лучше оценивать резолютивный объем резервов, который должен быть сохранен.

Это открытие окажет влияние на экологическую политику. Учитывая границы колебаний усредненной мощности, в сочетании с возможностью использования различных возобновляемых источников, таких как солнце, ветер и волны, можно лучше подготовиться к работе с оптимальным сочетанием различных источников энергии для конкретных регионов.