Turbina eolica e parco eolico

turbina nominale: ~6 MWturbina nominale
Cp di picco (81% del limite di Betz): 0.48Cp di picco (81% del limite di Betz)
AEP del parco contro griglia semplice: +18%AEP del parco contro griglia semplice
parco a 16 turbine: 295 GWh/annoparco a 16 turbine
notebook di progettazione: 9notebook di progettazione
composizione .djl: 1composizione .djl

Da un rotore a un parco ottimizzato per la scia.

Una turbina multimegawatt modellata dove si incontrano aerodinamica, dinamica della trasmissione e controllo — la superficie Cp(λ), una trasmissione a due inerzie, MPPT di regione 2 e controllo di pitch di regione 3, e carichi turbolenti — poi scalata a un parco dove l’interazione di scia viene ottimizzata via per il 18% di energia annua in più. La trasmissione vive anche come .djl acausale eseguibile su un dominio rotazionale personalizzato.

Aerodinamica, controllo e un intero parco.

Ogni sottosistema è un proprio notebook eseguibile, costruendo dalla curva di coefficiente di un singolo rotore fino a un layout di parco accoppiato dalla scia.

Aerodinamica del rotore

Il coefficiente di potenza Cp(λ, pitch) e la curva di potenza completa — Cp di picco ≈ 0,48 a un rapporto di velocità periferica di 8,1, 81% del limite di Betz, attraverso cut-in, nominale e cut-out.

Trasmissione

Una trasmissione a due inerzie — rotore, un albero a bassa velocità cedevole, moltiplicatore e generatore — accelera secondo una legge K-ω² fino a 12,3 giri/min e si riassesta in modo pulito dopo un gradino di vento.

Controllo MPPT

Una legge di coppia K-ω² senza sensore di vento mantiene il rapporto di velocità periferica intorno al proprio ottimo al variare del vento, catturando una potenza quasi ideale nella regione 2.

Controllo di pitch

Un ciclo PI di pitch mette in bandiera le pale nella regione 3 per mantenere la potenza nominale attraverso una raffica di +5 m/s con solo lo 0,4% di sovravelocità.

Carichi turbolenti

Un campo di vento turbolento di tipo Dryden (TI ≈ 0,14) spinge il rotore a un carico di spinta di ~736 kN, con uno spettro di carico dominato dalle basse frequenze dalla FFT.

Parco e scia

Un modello di scia di Jensen con un ottimizzatore di layout CMA-ES aumenta l’energia annua secondo la rosa dei venti del 18% rispetto a una griglia semplice 4×4 — il parco ottimizzato a 16 turbine su una mappa.

Un grafico del notebook della potenza della turbina in megawatt e del coefficiente di potenza effettivo in funzione della velocità del vento, attraverso cut-in, nominale e cut-out — La curva di potenza della turbina: zero sotto il cut-in, la salita cubica attraverso la regione 2 dove l’MPPT massimizza la cattura, il plateau nominale piatto dove il controllo di pitch limita la potenza, e il cut-out. Il Cp effettivo (tratteggiato) mostra il rotore che gira alla massima efficienza solo nella salita.

Un grafico del notebook del coefficiente di potenza Cp in funzione del rapporto di velocità periferica per una famiglia di angoli di pitch delle pale — Il cuore aerodinamico della macchina: Cp(λ) per una famiglia di angoli di pitch. Il picco — Cp ≈ 0,48 a λ ≈ 8,1, pitch zero — è il punto di funzionamento che l’MPPT insegue nella regione 2; mettere le pale in bandiera fa scivolare l’intera curva verso il basso per scaricare potenza nella regione 3.

Una trasmissione su un dominio fisico completamente nuovo.

La trasmissione a due inerzie è un .djl acausale eseguibile — coppia aerodinamica in un’inerzia di rotore, attraverso un albero cedevole e un moltiplicatore, fino al freno a controllo di coppia del generatore. È costruita su un dominio rotazionale personalizzato (angolo come potenziale, coppia come flusso) che non è incluso nel catalogo dei blocchi — definito inline in poche righe e risolto dallo stesso kernel che gestisce le reti elettriche e meccaniche, senza modifiche al motore. Accelera da 1,0 a 1,49 rad/s fino al proprio bilancio di coppia di regione 2, circa 6 MW. Lo stesso kernel acausale modella la potenza fluida, la meccanica rotazionale, o qualsiasi dominio per cui tu possa scrivere un connettore.

Un grafico del notebook della densità spettrale di potenza del carico di spinta del rotore in funzione della frequenza, dominata da contenuto a bassa frequenza — Carico turbolento nel dominio della frequenza: la densità spettrale di potenza della spinta del rotore sotto un campo di vento di tipo Dryden. La dominanza a bassa frequenza è ciò che interessa all’analisi a fatica — le raffiche lente e ampie che la struttura sente ciclo dopo ciclo.

Ogni affermazione è un numero che puoi rieseguire.

I notebook sono subordinati a risultati verificati dal worker, e il .djl della trasmissione è confermato risolvere attraverso il motore di produzione del canvas.

Risultato

Coefficiente di potenza di picco: 0,48
Potenza nominale mantenuta attraverso la raffica: +0,4% di sovravelocità
Energia annua della turbina: 20,3 GWh/anno
Energia annua del parco: 295 GWh/anno
Guadagno di AEP ottimizzato per la scia: +18%

Dettaglio

Coefficiente di potenza di picco: 81% del limite di Betz
Potenza nominale mantenuta attraverso la raffica: pitch PI
Energia annua della turbina: fattore di capacità 46%
Energia annua del parco: fattore di capacità 42%, 9% di scia
Guadagno di AEP ottimizzato per la scia: contro griglia 4×4

Aerodinamica, controllo e scia di livello progettuale.

L’aerodinamica è un modello a coefficiente Cp(λ, pitch), non un rotore a elemento di pala/quantità di moto o CFD; la trasmissione è un modello concentrato a due inerzie; la scia è il modello analitico di Jensen, non una simulazione di scia ad alta fedeltà. La turbolenza è un campo spettrale di tipo Dryden. Questa è la fedeltà di cui la progettazione di un parco eolico ha bisogno per prima: dimensionare rotore e trasmissione, tarare i controllori di coppia e pitch, delimitare i carichi turbolenti, e disporre l’array in modo che le scie costino la minor energia possibile — sulla rosa dei venti del tuo sito, prima di una campagna CFD o di un modello aeroelastico.