Tweaking af turbinevinkler presser mere strøm ud af vindmølleparker

En ny styringsalgoritme til vindmølleparker, der ændrer, hvordan individuelle møller er orienteret i vinden, lover at øge gårdenes samlede effektivitet og energiudbytte ved at optimere, hvordan de håndterer deres turbulente kølvandet.

Algoritmen, som blev testet i en kommerciel vindmøllepark i Indien, men som kunne bruges hvor som helst, giver mulighed for en øjeblikkelig, gratis forbedring i eksisterende vindmølleparker. Det kan også gøre det muligt at bygge vindmølleparker i snævrere lokaler og dermed presse mere strøm ud af mindre fast ejendom – hvilket afbøder en enorm ulempe ved vindenergi.

Tilsammen genererer vindmølleparker omkring 380 milliarder kilowatt-timer hvert år i USA. Hvis hver amerikansk vindmøllepark skulle vedtage den nye strategi og se effektivitetsforøgelser svarende til dem, der blev fundet i den nye undersøgelse, ville det svare til at tilføje hundredvis af nye møller, der er i stand til at forsyne hundredtusindvis af hjem til landets elnet, siger Caltech's. John O. Dabiri, hundredårsprofessor i luftfart og maskinteknik, og seniorforfatter til et papir om projektet, der blev udgivet af tidsskriftet Nature Energy den 11. august.

"Individuelle turbiner genererer hakkende luft, eller et kølvand, som skader ydeevnen af ​​hver turbine i modvind," siger Dabiri. "For at klare det er vindmøller traditionelt placeret så langt fra hinanden som muligt, hvilket desværre fylder meget i fast ejendom."

Efter flere års undersøgelse af problemet udviklede Dabiri og hans tidligere kandidatstuderende Michael F. Howland, hovedforfatter af papiret og nu Esther og Harold E. Edgerton Assistant Professor of Civil and Environmental Engineering ved MIT, en algoritme, der fremtvinger individuelle vindmøller at stoppe med kun at handle i deres egen interesse – det vil sige at maksimere deres egen adgang til vind ved at vende direkte ind i den – og i stedet handle til gavn for vindmølleparkens produktion.

En årelang test og justering af algoritmen udført i Indien fra 2020 til 2021 blev muliggjort af Varun Sivaram, som på det tidspunkt var Chief Technology Officer (CTO) for ReNew Power, Indiens største vedvarende energiselskab, og som nu er seniorrådgiver for USA's særlige præsidentielle udsending for klima John Kerry, som hans administrerende direktør for ren energi og innovation. Sivaram er også medforfatter på papiret.

Sivaram var blevet imponeret over en præsentation, Dabiri lavede i 2017 til bestyrelsen for et canadisk elselskab om at bruge algoritmer til at forbedre effektiviteten af ​​vindmølleparker. Da han blev CTO for ReNew Power i 2018, tog Sivaram ud for at se, om Dabiri ville være interesseret i at samarbejde.

"Jeg ringede op til John og spurgte, om vi kunne gøre det her. Og han sagde:'Jeg har en ekstraordinær kandidatstuderende lige nu, og jeg tror, ​​at dette kan være det perfekte projekt for os alle at tage fat på.'"

Howlands interesse for kollektiv vindmølleparkskontrol begyndte, da han var bachelorstuderende ved Johns Hopkins University og studerede fysikken i luftstrømmen gennem vindmølleparker. "Jeg var interesseret i at udvikle prædiktive modeller for vindmølleparker, som kan bruges til at forbedre effektiviteten," siger Howland. "Men det er utroligt dyrt i form af regnekraft at simulere den fulde fysik af den atmosfæriske og vindmøllestrøm."

Det var i løbet af sin bachelor-forskning, at Howland først undersøgte, hvordan fejljustering af vindmøllens vinkel i forhold til vinden har en enorm indflydelse på kølvandet.

For at forklare betydningen af ​​denne justering hjælper det at forstå, at der ikke er mange måder, hvorpå man nemt kan justere ydeevnen af ​​en vindmølle uden at installere yderligere hardware. De er ikke designet til at få deres hældning eller deres op-og-ned-vinkel ændret. Men de kan drejes fra side til side og justere deres krøje.

"Nogle tidligere undersøgelser fokuserede på at ændre modstanden skabt af turbinens strømproduktion," siger Howland. "At lade vingerne spinde mere frit skaber mindre intense vågner, men turbinen med modificeret drift genererer også mindre strøm." Kraveforskydning reducerer på den anden side ikke kun vågenstyrken – den omdirigerer dens påvirkning nedstrøms.

Efter sine bachelorstudier forfulgte Howland sine kandidatgrader hos Dabiri, som dengang var på Stanford University. Dabiri havde tidligere arbejdet hos Caltech med at studere, hvordan vindmølleplacering påvirkede effektudgangen. I 2019 udviklede Howland og Dabiri en computermodel for at forsøge at forbedre ydeevnen af ​​et specifikt array på seks møller og udførte derefter en to-ugers test på arrayet for at måle møllernes ydeevne. De demonstrerede, at en orienteringsstrategi for hele gården, der inkluderer krøjeforskydning, kan forbedre den samlede ydeevne. Problemet var, om de virkelig havde optimeret ydeevnen på den gård? Eller simpelthen forbedret det noget sammenlignet med industristandard kontrolmetoder?

Uden at være i stand til at teste alle de mulige suboptimale strategier og direkte vælge den bedste, var det umuligt at sige. Så holdet fokuserede specifikt på at udvikle forbedrede modeller for, hvordan justering af en opvindsmølles vinkel påvirker både nedvindsmøllerne og også ydeevnen af ​​selve den fejljusterede turbine. Det er vigtigt, at ydeevnen af ​​den fejljusterede turbine afhænger af de indfaldende atmosfæriske vindforhold, der strømmer ind i gården. Modellering af den fælles effekt af vinkeljusteringen og de indfaldende vindforhold var afgørende for at udvikle en nøjagtig model, der kan forudsige den bedst mulige gårdorienteringsstrategi.

"Fordi kraftige kølvandseffekter reducerer strømproduktionen fra vindmøller, løfter opvindsmøllen det tunge løft for den samlede landbrugsproduktion," forklarer Howland. "Nøjagtig modellering af kraften i den krøje-forskydende turbine, afhængigt af den atmosfæriske vindstrøm, blev ofte overset i modeller, der blev brugt til optimering af vindmøllestrømskontrol. Dette var et fokus for både vores modeludvikling og vores valideringseksperimenter."

Baseret på denne forskning udviklede Howland, Dabiri og deres kolleger en algoritme, der tvinger individuelle turbiner – startende med den førende turbine – til at forskyde deres krøjning med op til 25 grader for at maksimere den samlede gårdeffektivitet og dermed effektudgangen.

Afhængig af vindens hastighed var den nye algoritme i stand til at justere orienteringen af ​​møllerne for at øge vindmølleparkens samlede output i Indien med mellem 1 og 3 procent.

"Ingen behøver at bygge eller købe noget nyt for straks at begynde at få mere strøm ud af deres vindmøllepark," siger Dabiri.

Men den virkelige fordel, siger Howland og Dabiri, er potentialet for algoritmen til at tillade vindmøller at blive klynget tættere sammen ved aktivt at løse problemet med kølvandet, enten ved at tilføje nye møller mellem de eksisterende eller ved at lade fremtidige byggeplaner pakkes sammen. flere møller ind på en given grund.

Et af de vigtigste elementer i den nye algoritme er, at den har potentialet til at være nyttig hvor som helst, lige fra en havvindmøllepark i Nordsøen til de vindmølleparker, der ligger rundt omkring i ørkenen uden for Palm Springs, Californien, ved at forudsige den bedste strategi for orientering af krøjeforskydningen af ​​individuelle turbiner. "Der var ingen måde at pålideligt gøre den forudsigelse indtil dette papir; der var kun forsøg og fejl," siger Dabiri. "Problemet er, at man ikke kan bruge lang tid på at lave et væld af eksperimenter på en vindmøllepark, der har en forpligtelse til at generere energi til sine kunder."

I stedet koger Howland og Dabiris algoritme hver vindmøllepark ned til et par vigtige parametre, der matematisk beskriver, hvordan vågner vil blive skabt af dens turbiner. Algoritmen forudsiger derefter de bedste måder at afbøde dette kølvandet på. En kritisk faktor er for eksempel, om vindmølleparken er over land eller er offshore, fordi land yder mere friktionsmodstand over for vind, end vand gør, og dermed bryder et kølvandet op over en kortere afstand. Algoritmen er funderet i atmosfærisk flow og vindmøllestrøms fysik, men den udnytter operationelle vindmølleparkdata til at lære og forbedre modellen, hvilket væsentligt reducerer de forudsigelige fejl og usikkerheder.

Et centralt element i projektet er, at det ikke kun er baseret på teori; snarere blev den testet i den virkelige verden på en strømproducerende vindmøllepark. Efter Sivarams anvisning investerede ReNew Power i LiDAR-enheder (laserscanningsenheder), der målte den højdeafhængige vindhastighed og retning i flowet, der hændede til vindmølleparken, og tilbyder finkornede data, der gjorde det muligt for Howland og Dabiri at forbedre deres algoritme efter behov . Derudover blev der etableret ingeniørhold i Indien og Spanien for at samarbejde med Howland og Dabiri tilbage i USA.

"I sidste ende blev alle blæst bagover af omfanget af det, der blev opnået:en forbedring af ydeevnen, der ikke koster noget i form af infrastrukturinvesteringer at opnå," siger Sivaram. ReNew Power arbejder nu på at udvide resultaterne for at forbedre resten af ​​sin flåde af vindmølleparker.

I mellemtiden planlægger holdet at udvide deres feltdemonstrationer til at tackle havvindmølleparker, som giver nye udfordringer og muligheder.

"The wakes tend to persist for much longer distances over the ocean, so these new methods become even more important," Dabiri says. "At the same time, the wind resource offshore is phenomenal and still largely untapped. And, we can design those wind farms from scratch using these ideas, so we're not limited by existing wind turbine layouts, as is the case for existing wind farms on land."

The real-world testing of the algorithm was made possible in part by the efforts of Caltech's Office of Technology Transfer and Corporate Partnerships (OTTCP), which helped the engineers in Pasadena negotiate a relationship with ReNew Power in India and also Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation &Technology in Spain (the company that designed the turbines ReNew Power operates).

"Working with OTTCP was fantastic," Sivaram says. "What we created is a groundbreaking, three-continent agreement that I now use as a model."

Sivaram sits on the steering committee of Mission Innovation, a global research and development alliance announced by President Barack Obama in 2015 to address climate change and make clean energy more affordable.

"This is my centerpiece example for how we want to do international R&D collaboration," Sivaram says. "If we have a hundred more partnerships like these, then we'll change the world."

The project was also a true product of the COVID-19 pandemic, as the engineers from the U.S. and Spain only met in-person one time—at a dinner in Pasadena held in February 2020 to kick off their new venture.

"We thought then that we'd all be meeting up regularly to share notes and discuss ideas," Dabiri says. "Thankfully, we were all able to pivot toward work via video conference, with multiple online meetings each week throughout 2020, 2021, and 2022." + Udforsk yderligere

How to build a better wind farm