En ny metode øger vindmølleparkers energiudbytte uden nyt udstyr

Stort set alle vindmøller, der producerer mere end 5 procent af verdens elektricitet, styres, som om de var individuelle, fritstående enheder. Faktisk er langt de fleste en del af større vindmølleanlæg, der involverer snesevis eller endda hundredvis af møller, hvis kølvand kan påvirke hinanden.

Nu har ingeniører ved MIT og andre steder fundet ud af, at uden behov for nogen ny investering i udstyr, kan energiproduktionen af ​​sådanne vindmølleparkinstallationer øges ved at modellere vindstrømmen af ​​hele samlingen af ​​møller og optimere styringen af ​​individuelle enheder tilsvarende.

Stigningen i energiproduktionen fra en given installation kan virke beskeden - det er omkring 1,2 procent samlet set og 3 procent for optimale vindhastigheder. Men algoritmen kan implementeres på enhver vindmøllepark, og antallet af vindmølleparker vokser hurtigt for at opfylde accelererede klimamål. Hvis den energistigning på 1,2 procent blev anvendt på alle verdens eksisterende vindmølleparker, ville det svare til at tilføje mere end 3.600 nye vindmøller, eller nok til at drive omkring 3 millioner hjem, og en samlet gevinst for elproducenterne på næsten en mia. dollars om året, siger forskerne. Og alt dette stort set uden omkostninger.

Forskningen er offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature Energy, i en undersøgelse ledet af MIT Esther og Harold E. Edgerton Assistant Professor of Civil and Environmental Engineering Michael F. Howland.

"I bund og grund styres alle eksisterende turbiner i brugsskala 'grådigt' og uafhængigt," siger Howland. Udtrykket "grådigt," forklarer han, refererer til det faktum, at de styres til kun at maksimere deres egen elproduktion, som om de var isolerede enheder uden skadelig indvirkning på nabomøller.

Men i den virkelige verden er møller bevidst placeret tæt sammen i vindmølleparker for at opnå økonomiske fordele relateret til arealanvendelse (on- eller offshore) og til infrastruktur såsom adgangsveje og transmissionsledninger. Denne nærhed betyder, at møller ofte er stærkt påvirket af de turbulente vågner produceret af andre, der er i modvind fra dem - en faktor, som individuelle møllestyringssystemer i øjeblikket ikke tager højde for.

"Fra et flow-fysisk synspunkt er det ofte det værste, man kan gøre at sætte vindmøller tæt sammen i vindmølleparker," siger Howland. "Den ideelle tilgang til at maksimere den samlede energiproduktion ville være at sætte dem så langt fra hinanden som muligt," men det ville øge de dermed forbundne omkostninger.

Det er her, Howlands og hans samarbejdspartneres arbejde kommer ind i billedet. De udviklede en ny flowmodel, som forudsiger strømproduktionen af ​​hver turbine i farmen afhængigt af de indfaldende vinde i atmosfæren og styrestrategien for hver turbine. Mens den er baseret på flow-fysik, lærer modellen af ​​operationelle vindmølleparkdata for at reducere prædiktive fejl og usikkerhed. Uden at ændre noget ved de fysiske vindmølleplaceringer og hardwaresystemer i eksisterende vindmølleparker, har de brugt den fysikbaserede, dataassisterede modellering af flowet i vindmølleparken og den resulterende strømproduktion af hver enkelt vindmølle, givet forskellige vindforhold, til at finde den optimale orientering for hver turbine på et givet tidspunkt. Dette giver dem mulighed for at maksimere output fra hele gården, ikke kun de enkelte møller.

I dag registrerer hver vindmølle konstant den indkommende vindretning og hastighed og bruger sin interne kontrolsoftware til at justere sin krøjevinkel (lodret akse) vinkelposition for at justere så tæt som muligt på vinden. Men i det nye system, for eksempel, har teamet fundet ud af, at ved at dreje en turbine bare lidt væk fra dens egen maksimale output-position - måske 20 grader væk fra dens individuelle peak output-vinkel - den resulterende stigning i effekt fra en eller flere medvind. enheder vil mere end opveje den lille reduktion i output fra den første enhed. Ved at bruge et centraliseret kontrolsystem, der tager højde for alle disse interaktioner, blev opsamlingen af ​​turbiner drevet med effektniveauer, der var så meget som 32 procent højere under nogle forhold.

I et måneder langt eksperiment i en vindmøllepark i rigtig brugsskala i Indien blev den prædiktive model først valideret ved at teste en bred vifte af krøjeorienteringsstrategier, hvoraf de fleste var bevidst suboptimale. Ved at teste mange kontrolstrategier, inklusive suboptimale, i både den rigtige bedrift og modellen, kunne forskerne identificere den sande optimale strategi. Det er vigtigt, at modellen var i stand til at forudsige gårdens elproduktion og den optimale kontrolstrategi for de fleste testede vindforhold, hvilket gav tillid til, at modellens forudsigelser ville spore den sande optimale driftsstrategi for gården. Dette gør det muligt at bruge modellen til at designe de optimale kontrolstrategier for nye vindforhold og nye vindmølleparker uden at skulle udføre nye beregninger fra bunden.

Derefter beviste et andet måneder langt eksperiment på den samme gård, som kun implementerede de optimale kontrolforudsigelser fra modellen, at algoritmens effekter fra den virkelige verden kunne matche de overordnede energiforbedringer set i simuleringer. I gennemsnit over hele testperioden opnåede systemet en stigning på 1,2 procent i energiproduktionen ved alle vindhastigheder og en stigning på 3 procent ved hastigheder mellem 6 og 8 meter i sekundet (ca. 13 til 18 miles i timen).

Mens testen blev kørt på én vindmøllepark, siger forskerne, at modellen og den kooperative kontrolstrategi kan implementeres på enhver eksisterende eller fremtidig vindmøllepark. Howland vurderer, at oversat til verdens eksisterende flåde af vindmøller, vil en samlet energiforbedring på 1,2 procent producere mere end 31 terawatt-timer ekstra elektricitet om året, hvilket omtrent svarer til at installere yderligere 3.600 vindmøller uden omkostninger. Dette ville udmønte sig i omkring 950 millioner dollars i ekstra indtægt for vindmølleparkoperatørerne om året, siger han.

Mængden af ​​energi, der kan opnås, vil variere meget fra den ene vindmøllepark til den anden, afhængigt af en række faktorer, herunder afstanden mellem enhederne, geometrien af ​​deres arrangement og variationerne i vindmønstre på det pågældende sted i løbet af en år. Men i alle tilfælde kan modellen udviklet af dette team give en klar forudsigelse af præcis, hvad de potentielle gevinster er for et givet websted, siger Howland. "Den optimale styringsstrategi og den potentielle gevinst i energi vil være forskellig ved hver vindmøllepark, hvilket motiverede os til at udvikle en forudsigelig vindmølleparksmodel, som kan bruges bredt til optimering på tværs af vindenergiflåden," tilføjer han.

Men det nye system kan potentielt tages i brug hurtigt og nemt, siger han. "Vi kræver ingen yderligere hardwareinstallation. Vi laver egentlig bare en softwareændring, og der er en betydelig potentiel energistigning forbundet med det." Selv en forbedring på 1 procent, påpeger han, betyder, at i en typisk vindmøllepark på omkring 100 enheder, kunne operatører få det samme output med en mindre mølle og dermed spare omkostningerne, normalt millioner af dollars, forbundet med indkøb, bygning og installere den enhed.

Yderligere, bemærker han, ved at reducere vågnetab kan algoritmen gøre det muligt at placere møller tættere sammen i fremtidige vindmølleparker, hvilket øger vindenergiens effekttæthed, hvilket sparer på land- (eller hav-) fodspor. Denne stigning i strømtætheden og reduktionen af ​​fodaftryk kan bidrage til at nå presserende mål for reduktion af drivhusgasemissioner, som kræver en væsentlig udvidelse af udbredelsen af ​​vindenergi, både på og offshore.

Hvad mere er, siger han, er det største nye område for udvikling af vindmølleparker offshore, og "påvirkningen af ​​vågnetab er ofte meget højere i havvindmølleparker." Det betyder, at virkningen af ​​denne nye tilgang til at kontrollere disse vindmølleparker kan være betydeligt større.

Howland Lab og det internationale team fortsætter med at forfine modellerne yderligere og arbejder på at forbedre de operationelle instruktioner, de stammer fra modellen, bevæger sig mod autonom, samarbejdende kontrol og stræber efter den størst mulige effekt ud fra et givet sæt betingelser, siger Howland. . + Udforsk yderligere

Justering af turbinevinkler presser mere strøm ud af vindmølleparker