创新背景

几乎所有的风力涡轮机都是独立的单元，它们的发电量占世界发电量的5%以上。事实上，绝大多数都是大型风电场安装的一部分，涉及几十台甚至数百台涡轮机，它们大多被控制得只最大化自己的发电量，就好像它们是孤立的单元，对邻近的涡轮机没有不利影响。但实际上，它们的尾迹会相互影响。为了实现与土地使用(陆上或海上)以及基础设施(如接入道路和输电线路)相关的经济效益，风力发电场中的涡轮机被故意间隔得很近，这种接近意味着涡轮机经常会受到逆风的其他涡轮机产生的紊流尾迹的强烈影响——这是目前单个涡轮控制系统没有考虑到的因素。

研究人员表示，从流动物理学的角度来看，在风力发电场中，把风力涡轮机放在一起通常是最糟糕的做法。使总能源产量最大化的理想方法是将它们尽可能地分开，但这会增加相关成本。

创新过程

麻省理工学院和其他地方的工程师们发现，在不需要任何新的设备投资的情况下，风电场装置的能量输出可以通过建模整个涡轮机集合的风流和相应地优化单个机组的控制来增加。这项研究于2022年8月11日发表在《自然能源》杂志上。这项工作得到了麻省理工学院能源倡议和西门子Gamesa可再生能源的支持。

研究团队开发了一种新的流动模型，根据大气中的入射风和每个涡轮机的控制策略来预测农场中每个涡轮机的发电量。而基于流物理，该模型从运行的风电场数据学习，以减少预测误差和不确定性。在不改变现有风电场的物理涡轮机位置和硬件系统的情况下，他们使用基于物理的数据辅助建模，对风电场内部的气流和每个涡轮机的最终发电量进行建模，在不同的风力条件下，找到每个涡轮机在给定时刻的最佳方向。这使得他们能够最大限度地提高整个农场的产量，而不仅仅是单个涡轮机。

如此一来，每个涡轮机都能不断感知来风的方向和速度，并利用其内部控制软件调整其偏航(垂直轴)角度位置，以尽可能地与风对齐。但在新系统中，例如，研究小组发现，只要使一台涡轮机稍微偏离其自身的最大输出位置——也许偏离其单个峰值输出角20度——一个或多个顺风机组的输出功率增加将超过第一个机组输出功率的略微减少。通过使用集中控制系统，将所有这些相互作用都考虑在内，涡轮机的输出功率在某些条件下可提高32%。

特定装置的能量输出总体大约增加了1.2%，最佳风速增加3%。虽然看起来增加得并不多，但该算法可以部署在任何风力发电场，而风力发电场的数量正在迅速增长，以满足加速增长的气候目标。研究人员表示，如果将这1.2%的能源增长应用到世界上所有现有的风力发电场，这相当于增加了3600多台新的风力涡轮机，或足够为大约300万户家庭供电，每年给发电商带来近10亿美元的总收益。而且所有这些基本上都是零成本的。

实验过程

在印度一个实际的公用事业规模的风电场进行的长达数月的实验中，预测模型首先通过测试广泛的偏航定向策略进行验证，其中大多数策略是故意次优的。通过在真实农场和模型中测试许多控制策略，包括次优策略，研究人员可以确定真正的最优策略。重要的是，该模型能够预测农场的电力生产和测试的大多数风力条件下的最优控制策略，使模型的预测有信心跟踪农场的真正最优操作策略。因此可以使用该模型来设计新风条件和新风场的最优控制策略，而不需要从头开始进行新的计算。

然后，在同一个农场进行了第二个月的实验，只实现了模型的最优控制预测，证明了算法的现实效果可以与模拟中看到的整体能源改进相匹配。在整个测试期间，该系统在所有风速下的平均能量输出增加了1.2%，在6 - 8米每秒(约13 - 18英里每小时)的速度下增加了3%。

虽然测试是在一个风电场进行的，但研究人员表示，该模型和合作控制策略可以在任何现有或未来的风电场实施。研究人员估计，如果将全球现有的风力涡轮机转化为整体能源改善的1.2%，每年将多产生31太瓦时的电力，大约相当于免费多安装3600台风力涡轮机。这将为风电场运营商带来每年约9.5亿美元的额外收入。

研究人员表示，新系统不需要任何额外的硬件安装，只是在软件上做了改变，就显著增加了与此相关的势能。即使只有1%的改进，也意味着在一个拥有100台机组的典型风力发电场中，操作者可以通过减少一台涡轮机来获得相同的输出，这能够节省购买、建造和安装相关的数百万美元的成本。

创新价值

这项研究使用最先进的基于物理的尾流模型，辅以数据驱动方法，智能实现偏航控制策略，可以增加风力发电厂的输出功率，提供了在高度可变的风能资源下有效控制风力涡轮机的新方法。

通过减少尾流损失，该算法可以在未来的风力发电场中使涡轮机更紧密地连接在一起，从而增加风能的功率密度，节省陆地(或海洋)足迹。同时，这种功率密度的增加和足迹的减少有助于实现温室气体减排目标。