Разработка и исследование цифровых двойников атмосферного пограничного слоя в окрестности ветропарков

В связи с ростом установленных мощностей ветропарков по всему миру проблематика, связанная с изучением взаимодействия ветровых турбин и их комплексов (ветропарков) с атмосферным пограничным слоем, становится актуальной и значимой как в ветроэнергетической практике, так и в научных сообществах по исследованиям атмосферы. Россия заметно отстаёт от технологических лидеров ветроэнергетической индустрии. Вместе с тем, имеющиеся оценки технического и экономического потенциала отечественной ветроэнергетики свидетельствуют о возможности покрытия не менее трети от существующей потребности в электроэнергии за счёт ветрогенерации. Во многом развитию отечественной ветроэнергетики препятствуют нерегулярный и низкий ветропотенциал на большей части территории Российской Федерации, а также сложные метеорологические условия с частыми переходами температурного режима "через ноль" и осадками, которые способствуют образованию наледи на рабочих поверхностях ветровых турбин. Следствиями этого являются длительные фазы работы ветроэнергетических комплексов в неэффективных аэродинамических режимах, либо технологических простоев, связанных с производством работ по очистке от наледи, что, в свою очередь, приводит к необходимости в избыточных (и дорогостоящих) резервах установленной мощности и накопителей энергии. Заявленный проект посвящён решению научной проблемы познания закономерностей влияния ветропарков на состояние атмосферного полидисперсного пограничного слоя. Реализация проекта связана с развитием мезомасштабных моделей турбулентного переноса и созданием цифровых двойников атмосферного пограничного слоя ветропарка как средства исследования эффективности и отработки в вычислительном эксперименте технологий управления метеорологической обстановкой на локальных территориях (в частности путём "программируемого" выпадения в заданных технологических участках осадков вне рабочей зоны ветроколеса) посредством инъекций концентраторов влаги и рационального использования аэродинамического следа соседних ветротурбин. Достоверное и точное прогнозирование эволюции взаимодействующего с ветропарком атмосферного пограничного слоя в широком диапазоне пространственных и временных масштабов даст ценную количественную информацию о потенциальном воздействии на местную метеорологическую обстановку и имеет большое значение для оптимизации как проектирования (размещения турбин), так и эксплуатации ветропарков. Разрабатываемый в проекте цифровой двойник будет построен на основе оригинального аналитического ядра, обеспечивающего высокоточное моделирование тепломассопереноса и фазовых превращений при взаимодействии полидисперсного воздушного потока с сетью ветротурбин и рельефной поверхностью локальной территории Ульяновского ветропарка. Помимо новизны постановки задачи, принципиальная новизна ожидаемых результатов связана с мезомасштабным развитием и использованием в аналитическом ядре проблемно-ориентированного комплекса средств исследования разработанной Н.Н. Ковальноговым оригинальной полуэмпирической модели турбулентного переноса в пограничном слое дисперсных потоков с интенсивными воздействиями, в которой адекватно учтено воздействие влияющих факторов, в том числе полидисперсности пограничного слоя, орографии обтекаемой поверхности и градиента давления потока. Посредством исследования цифрового двойника будут получены новые результаты и научные данные по закономерностям влияния ветропарков на состояние атмосферного полидисперсного пограничного слоя на локальных территориях, а также по оценке потенциала и эффективности технологий управления метеорологической обстановкой. Реализация проекта обеспечит формирование научного и технологического задела для перехода к цифровым интеллектуальным технологиям производства энергии, основанных на использовании ветра и адаптированных к природным особенностям территории Российской Федерации, будет способствовать ликвидации технологического отставания от мировых лидеров ветроэнергетической индустрии в области управляющей автоматики и контроля и создаст предпосылки для технологического лидерства в области рационального природопользования.