分布式风能推动偏远农村社区发展

分布式风能推动偏远农村社区发展

为期四年的多实验室项目评估社区如何安全、有效和高效地从分布式风能中受益

没有道路通向阿拉斯加的圣玛丽。为了到达那里,大多数人沿着附近的育空河划船,这条河几乎和村庄本身一样宽。同一条路线用于运送物资,例如为居民生活提供动力和支持所需的柴油,其中 90% 是阿拉斯加本地人。但是寒冷的冬天和狂风可以在平静的夏季以外的任何时间阻止运输。

一台 900 千瓦的 Emergya Wind Technologies 涡轮机于 2019 年在阿拉斯加圣玛丽开始运行。 MIRACL 项目分析了其弹性收益和价值流,以及更高级控制的潜在收益。图片来自美国能源部。

幸运的是,阿拉斯加的强风还可以产生清洁、本地和负担得起的能源。分布式风能——由风力涡轮机生产,服务于当地客户,如小镇、农场、企业,甚至个人家庭——可以为圣玛丽等偏远和农村地区带来长期的经济、社会和环境效益。

St. Mary’s 在 2019 年安装了一个 900 千瓦的风力涡轮机。该涡轮机产生约 50% 的电力。

虽然分布式风能项目已经为圣玛丽和其他社区节省了资金并带来了其他好处,但它们的采用却很有限,2003 年至 2021 年间全国部署的累计分布式风能容量仅为 1,075 兆瓦。缺乏对分布式风能的认识经济价值、清洁能源价值和能源弹性可能是其采用缓慢的原因。

现在,由于为期四年的微电网、基础设施弹性和高级控制发射台(或 MIRACL)项目,这些数据已经存在,并证实分布式风能可以成为许多社区的一种具有成本效益的清洁能源,尤其是偏远和偏远地区的社区。农村地区,以及可靠和有弹性的能源系统的关键组成部分。

美国能源部国家可再生能源实验室 (NREL) 研究员、MIRACL 研究团队成员 Ian Baring-Gould 表示:“美国各地的分布式风能资源潜力巨大。” “作为一种可再生资源,它可以帮助抵消碳排放并为社区提供清洁能源。对于一些偏远或农村地区,它可能是可用的最佳清洁能源。”

MIRACL 项目由美国能源部风能技术办公室于 2018 年启动,旨在评估社区如何安全、有效和高效地将风能整合到配电、孤岛、混合或微电网系统(如 St. Mary’s,是一个孤立的微电网,未连接到更大的电网)。

为此,来自 NREL、太平洋西北国家实验室 (PNNL)、桑迪亚国家实验室 (Sandia) 和爱达荷国家实验室 (INL) 的研究人员组成的协作团队齐聚一堂,以更好地推进分布式风能的诸多优势——节约能源成本增强复原力——适用于美国各地的社区。

“当人们想到分布式风能时,很多人会想到田野中的单个小型涡轮机,”MIRACL 项目的首席研究员兼 NREL 的研究员 Caitlyn Clark 说。 “但是有很多应用程序可以使用分布式风能。 MIRACL 项目问道,‘是什么障碍阻碍了分布式风能的发展?我们能做些什么来克服这些障碍?’”

MIRACL 团队确定了分布式风能单独使用或与其他类型电力结合使用的四个主要用例,包括孤立电网和微电网。

尽管小型风力涡轮机制造商对微电网和混合系统(将风能与太阳能电池板和储能等其他可再生能源配对)的兴趣越来越大,但新增的分布式风能容量从 2020 年的约 22 兆瓦下降到 12 PNNL 的分布式风研究负责人兼 MIRACL 团队的研究员 Alice Orrell 说,到 2021 年将达到兆瓦。这几乎减少了 50%。

解决关键知识差距

这种下降的部分原因可能是缺乏对分布式风能在经济效益、电网服务、可靠性和弹性以及能源安全方面的价值的了解。 MIRACL 团队的工作重点是填补这些空白。

对阿拉斯加偏远社区分布式风能的研究揭示了这些社区如何从这种可再生能源中受益。 (Drew Dempsey 在 Unsplash 上拍摄的照片)

PNNL 的专家设计了一个史无前例的框架来估计分布式风能在各种案例研究和场景中的实际价值。

NREL 和桑迪亚团队成员检查了先进的控制装置,这些装置使用连接到中央处理系统的传感器网络来操作风力涡轮机的电气和机械系统。这些控制单个风力涡轮机的现代方法可以补偿 – 甚至预测 – 风速的变化,以改进风力涡轮机与其他分布式能源技术(如太阳能和存储)协调运行的方式,以尽可能多地利用能源。

INL 的专家还研究了分布式风能如何为经历极端天气事件的社区提供更高的可靠性和弹性。

他们开发的弹性框架可以帮助比较不同系统升级的弹性影响,量化分布式风能对整体系统弹性的影响,并使用基于风险的分析来指导投资决策。该框架现在正在开发成一种工具,可以自动进行分析,从而提高研究的可及性。

此外,INL 的一个团队评估了网络攻击可能对分布式风能系统构成的潜在威胁。他们的发现可以帮助制造商和运营商保护风力涡轮机免受这些攻击。

INL 的工程师兼 MIRACL 项目调查员梅根库勒说:“对整体电力基础设施,特别是对风能的网络威胁正在持续增长。” “对于分布式风能,网络风险可能包括勒索软件、无针对性的恶意软件和其他针对通常未受保护的架构的攻击。”

MIRACL团队还发现,将分布式风能与太阳能、储能耦合,可以大大提高发电的一致性。由于这些资源相互补充,因此这种混合系统可以更好地满足能源需求。

克拉克说:“与太阳能相比,分布式风能提供了不同的发电方式,无论是在其自身还是在混合系统中,它都有可能更好地为客户服务。”

他们还探索了分布式风能的潜力,包括作为这些混合系统的一部分或连接到孤立的电网或微电网,以帮助社区建立弹性并在寒流、自然灾害或网络攻击期间保持照明。

现实世界的实施

MIRACL 团队直接与社区合作,分析分布式风能如何帮助降低能源成本或即使在极端天气事件期间也能维持电力供应。

MIRACL 团队与阿拉斯加能源和电力中心以及圣玛丽的当地电力合作社阿拉斯加乡村电力合作社合作,还确定了混合动力系统技术的进步,以进一步节省燃料。

除了在阿拉斯加的工作外,该团队还与爱荷华州北部的爱荷华湖电力合作社合作,该合作社于 2009 年安装了两个七涡轮分布式风力发电厂,每个总计 10.5 兆瓦,其规模和选址可满足当地两个乙醇植物。该团队考虑了乙醇工厂的特定弹性需求,并使用估值框架、弹性框架和混合设计工具来展示现有工厂的优势,并探索最大限度发挥其潜力的方法。

该团队还与爱荷华州阿尔戈纳市合作,帮助他们探索潜在的混合风能项目,以补充他们目前的能源供应。

这些伙伴关系有助于建立对分布式风能巨大价值的信任和认识。

对于 Sandia 的工程师 Rachid Darbali Zamora 来说,这些社区伙伴关系是 MIRACL 项目最让他兴奋的地方。他说,与当地公用事业公司一起,该团队正在“寻找现实世界的解决方案,以最大限度地发挥清洁能源的影响”。

在他们最近发布的纲要和 NREL 的分布式风能工作中了解更多关于 MIRACL 项目的研究和主要发现。

这篇文章的一个版本也于 2023 年 3 月 9 日出现在美国能源部风能技术办公室。

NREL提供

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来源:CleanTechnic

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