Ny kontrolstrategi hjælper med at høste maksimal effekt fra vindmølleparker

Hver anden og en halv time, en ny vindmølle rejser sig i USA I 2016, vind gav 5,6 procent af al produceret elektricitet, mere end det dobbelte af den mængde vind genereret i 2010, men stadig langt fra dets potentiale.

Et team af forskere fra University of Texas i Dallas (UT Dallas) har udviklet en ny måde at udvinde mere strøm fra vinden. Denne tilgang har potentiale til at øge vindkraftproduktionen betydeligt med en deraf følgende stigning i omsætningen. Numeriske simuleringer udført på Texas Advanced Computing Center (TACC) indikerer potentielle stigninger på op til seks til syv procent.

Ifølge forskerne, en forbedring på én procent anvendt på alle vindmølleparker i landet ville generere, hvad der svarer til $100 millioner i værdi. Denne nye metode, derfor, har potentiale til at generere 600 millioner dollars i ekstra vindkraft på landsplan.

Holdet rapporterede deres resultater i Vindenergi i december 2017 og Vedvarende energi i december 2017.

I den gren af ​​fysik kendt som væskedynamik, en almindelig måde at modellere turbulens på er gennem store hvirvelsimulationer. For flere år siden, Stefano Leonardi og hans forskerhold skabte modeller, der kan integrere fysisk adfærd på tværs af en lang række længdeskalaer - fra turbinerotorer på 100 meter lange, til centimetertykke spidser af en vinge – og forudsige vindkraft med nøjagtighed ved hjælp af supercomputere.

"Vi udviklede en kode til at efterligne vindmøller, under hensyntagen til interferensen mellem kølvandet på tårnet og nacellen [dækslet, der huser alle de genererende komponenter i en vindmølle] med kølvandet på turbinerotoren, " sagde Leonardi, lektor i maskinteknik og forfatter på Vindenergi papir, som blev udvalgt til forsiden.

Ud over rækkevidden af ​​længdeskalaer, modellering af vindens variabilitet for en given region på et bestemt tidspunkt er en anden udfordring. For at løse dette, holdet integrerede deres kode med Weather Research and Forecasting Model (WRF), en førende vejrudsigelsesmodel udviklet ved National Center for Atmospheric Research.

"Vi kan få vindfeltet fra den nordamerikanske mesoskalamodel på et groft gitter, bruge det som input til fem indlejrede domæner med progressivt højere opløsning og genskabe med høj troværdighed strømproduktionen fra en rigtig vindmøllepark, "Sagde Leonardi.

Computerens voksende kraft giver Leonardi og hans team mulighed for præcist at modellere vindfeltet på en vindmøllepark og strømproduktionen af ​​hver enkelt turbine. Tester deres models resultater mod data fra en vindmøllepark i det nordlige Texas, de så en 90 procent overensstemmelse mellem deres forudsigelser og turbinens effektivitet. De vil præsentere deres resultater ved Torque 2018, en stor vindkraftforskningskonference.

Tager turbulensen ud af optimeringskontrolalgoritmen

Vinden flyder ikke bare jævnt i én retning. Den indeholder turbulens og vågner, som forstørres, når møller grupperes sammen, som de er på en vindmøllepark.

Wake interaktioner fører til tab på op til 20 procent af den årlige produktion, ifølge det amerikanske energiministerium. Det er vigtigt at forstå, hvordan turbulens påvirker energiproduktionen, for at justere møllernes opførsel i realtid for at høste maksimal effekt.

Ved at bruge deres modelleringsevner, de testede kontrolalgoritmer, der bruges til at styre driften af ​​dynamiske systemer på vindmølleparker. Dette omfattede kontrolalgoritmerne kendt som ekstremumsøgende kontrol, en modelfri måde at få den bedste ydeevne ud af dynamiske systemer, når kun begrænset viden om systemet er kendt.

"Mange troede, at det ikke ville være muligt at bruge denne tilgang på grund af turbulens og det faktum, at det giver en situation, hvor turbiner ændrer sig hele tiden, " sagde Leonardi. "Men vi lavede et stort antal simuleringer for at finde ud af en måde at filtrere turbulens ud af kontrolskemaet. Det var den store udfordring."

Med ekstrem kontrol, systemet øger og reducerer rotationshastigheden af ​​en roterende turbinevinge, alt imens man måler kraften, og beregning af gradienten. Dette gentages indtil regulatoren finder den optimale driftshastighed.

"Det vigtige er, at kontrolalgoritmen ikke er afhængig af en fysikbaseret model, " sagde Leonardi. "Der er mange usikkerheder i en rigtig vindmøllepark, så du kan ikke modellere alt. Den ekstremumsøgende kontrol kan finde det optimale, uanset om der er erosion eller isdannelse på knivene. Det er meget robust og fungerer på trods af usikkerheder i systemet. "

Simulering af vinden

For at teste deres nye tilgang, holdet kørte virtuelle vindeksperimenter ved hjælp af supercomputere på TACC, inklusive Stampede2 og Lonestar5 - to af de mest magtfulde i verden. De var i stand til at bruge disse systemer gennem initiativet fra University of Texas Research Cyberinfrastructure (UTRC), hvilken, siden 2007, har givet forskere ved enhver af University of Texas Systems 14 institutioner adgang til TACCs ressourcer, ekspertise og uddannelse.

Adgang til kraftige supercomputere er vigtig, fordi vindmøller er dyre at bygge og drive, og få vindforskningsfaciliteter er tilgængelige for forskere.

"Fordelene ved at bruge high performance computing til at skabe en virtuel platform til at lave analyser af foreslåede løsninger til vindenergi er enorme, sagde Mario Rotea, professor i maskinteknik ved UT Dallas, og stedsdirektør for den National Science Foundation-støttede Wind-Energy Science, Teknologi og forskning (WindSTAR) Industry-University Cooperative Research Center (IUCRC). "Jo mere vi kan gøre med computere, jo mindre vi har med test at gøre, hvilket er en stor del af omkostningerne. Dette gavner nationen ved at sænke energiomkostningerne. "

Mens anvendelsen af ​​ekstremum søgende kontrol på vindmølleparker endnu ikke er testet i marken, UT Dallas-teamet anvendte allerede metoden på en enkelt turbine ved National Renewable Energy Laboratory (NREL).

"NREL-testen gav os eksperimentelle data, der understøtter værdien af ​​ekstremumsøgningskontrol for vindkraftmaksimering, " sagde Rotea. "De eksperimentelle resultater viser, at ekstremumsøgningskontrol øger effektfangsten med 8-12 % i forhold til en baseline-controller."

I betragtning af de opmuntrende eksperimentelle og beregningsmæssige resultater, UT Dallas -teamet planlægger en eksperimentel kampagne, der involverer en klynge møller i en vindmøllepark.

Samarbejde og næste trin

Udviklingen af ​​væskedynamikmodellen for vindmøller var en del af et internationalt samarbejde mellem fire amerikanske institutioner (Johns Hopkins University, UT Dallas, Texas Tech og Smith College) og tre europæiske institutioner (Danmarks Tekniske Universitet, École polytechnique fédérale de Lausanne og Katholieke Universiteit Leuven) finansieret af National Science Foundation.

Gennem WindSTAR-centret, de samarbejder med ni førende vindenergivirksomheder og udstyrsproducenter. Disse virksomheder er interesserede i at adoptere eller kommercialisere arbejdet.

"Medlemmerne af vores center har ikke adgang til en masse hestekræfter med hensyn til HPC [high-performance computing], " sagde Rotea. "Computerne hos TACC er et aktiv for os og giver os en konkurrencefordel i forhold til andre grupper. Med hensyn til at løse faktiske problemer, vi skaber kontrolsystemer, som de kan inkorporere, eller de kan bruge HPC til at udvikle nye værktøjer til at forudsige vindressourcer eller afgøre, om der er møller, der ikke yder."

Ud over at udvikle de nye turbulensalgoritmer og kontrolstrategier, medlemmer af WindSTAR-teamet har introduceret metoder til at forudsige nøjagtige resultater på mindre kraftfulde computere (arbejde, der udkom i marts 2018-udgaven af Vindenergi ) og for at bestemme, hvor tæt man skal placere turbiner for at maksimere profitten, afhængigt af prisen på jord (præsenteret på Wind Symposium 2018).

De langsigtede effekter af arbejdet rækker ud over det teoretiske.

"Forskningen giver os mulighed for at optimere vindenergiproduktionen og øge udbredelsen af ​​vedvarende energi i nettet, " sagde Leonardi. "Der vil være mere strøm genereret af de samme maskiner, fordi vi forstår mere om flow-fysikken i en vindmøllepark, og for samme arealanvendelse og anvendelse, vi kan få mere energi."