X
 

Modellreduksjon for hurtig og presis vindparkmodellering

Christian Michelsen Research: Yngve Heggelund, Chad Jarvis, Lene Sælen og Marwan Khalil.

Industriell utfordring
Vi vet at dagens kommersielle metoder for vindparkmodellering er preget av store usikkerheter og overpredikering av produksjon. Dette gjelder spesielt for større, offshore vindparker som representerer et relativt nytt område med stort potensiale for fremtidens vindindustri. Samtidig er tapet i energiproduksjon grunnet vaker fra oppstrøms turbiner av størrelse 5 – 20% og hele 40% for individuelle turbiner (EWEA, 2009).
Målet med arbeidet beskrevet i denne rapporten er å ytterligere redusere dagens COE (Cost of Energy) og prosjektrisiko gjennom bedre plassering av turbiner i parker og bedre nøyaktighet i estimert langtids-energiproduksjon.

Hva
CMR utvikler verktøy for effektiv og nøyaktig vindparkmodellering gjennom redusert løsning av CFD modeller (Heggelund et al., 2012). Generelt kalles slike strategier «Model Reduction Techniques» og teknikken tar her utgangspunkt i RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) ligningene for væskestrøm. I stedet for å løse disse i det fulle løsningsrommet (vanlig CFD) brukes kun de viktigste modene og en løsning kan oppnås i løpet av noen tidels sekunder. Modene genereres på forhånd fra CFD beregninger. Kontroll av konvergens og nøyaktighet av metoden gjøres ved sammenligning mot CFD.
CFD modellen brukt her er en in-house kode (CMR-Wind) hvor vindturbinene er representert ved sub-grid modeller (Aktuator Disk). Det arbeides parallelt og som en del av denne utviklingen på å forbedre og validere den underliggende CFD modellen inkludert utvikling av turbinmodellering.

Hvordan
Modellreduksjonsverktøyet beregner 3-dimensjonale strømningsfelt for både vindhastighet og turbulent kinetisk energi i tillegg til energiproduksjon for hver enkelt turbin. Tilgang til turbulensnivå i vindparken er viktig for kunne avgjøre en trygg plassering av turbinene og for å kunne planlegge effektiv kontroll av turbinene under drift. Den korte beregningstiden gjør det mulig å evaluere store sett med ulike scenarioer for vindforhold som bidrar til bedre estimat av energiutbyttet i parken.
Kort beregningstid gjør det også mulig å evaluere ulike turbinkonfigurasjoner og verktøyet kan således brukes innen design og optimalisering av parklayout. For å optimalisere turbinplassering må faktorer som installasjonskostnader, vedlikeholdskostnader, kabelkostnader, overføringstap, bunnforhold, turbinspesifikasjon, etc. sammenfattes for å gi et helhetlig bilde av netto nåverdi. I en slik beregning er energifangsten i parken åpenbart et avgjørende bidrag.

Alternativer
I den grad det gjøres forsøk på å forbedre layout mhp. vaketap, er det i kommersiell sammenheng i dag vanlig å benytte analytiske vakemodeller, isolert eller sammen med CFD, WRF eller ytterligere forenklinger av disse. Samtlige benytter grove forenklinger av problemet. Innen forskning og utviklingsmiljøer finnes det flere forsøk på å utvikle alternativer til slike modeller. En viktig fordel med metoden som utvikles her er at den bygger på CFD som inkluderer modellering av hver enkelt turbin og leverer resultat som er så nært opp til CFD som nødvendig.

Utvikling
Hittil er grunnleggende utvikling og utprøving av metoden gjennomført. Metoden er verifisert mot CFD for scenario med to og tre turbinrader og en enkelt vindretning, se figur under.Flow-field around six wind turbines.

Neste år vil fokuset være på å videreutvikle funksjonalitet i forhold til turbin-plassering, videre verifikasjon mot CFD for interpolerings- og ekstrapolerings-scenario og validering av CFD. Eksempel på et ekstrapolerings-scenario er å modellere n turbinrader kun med bruk av moder fra CFD beregninger med to og tre turbinrader. Demonstrering av metodens skaleringsegenskaper er et viktig steg mot applikasjon på større vindparker. Den fremtidige målsetningen er å demonstrere metoden på en full-skala vindpark med både regulær og ikke-regulær layout.

Referanser:
EWEA (2009). Wind Energy – the facts: a guide to the technology, economics and future of wind power. European Wind Energy Association (EWEA). Earthscan, London.
Heggelund Y., Skaar I.-M., and Jarvis C. Interactive design of wind farm layout using CFD and model reduction of the steady state RANS equations, 11th World Wind Energy Conference, Bonn, Germany. 3-5 July (2012)

Les mer: Utfyllende rapporter fra dette prosjektet er tilgjengelig for NORCOWE-medlemmer på Projectplace.

 

 

News

08. 11. 2017

Universtitetet i Bergen har utarbeidet en plan for en demopark for fly...

read more >>

15. 02. 2017

NORCOWE presentations at DeepWind'17...

read more >>


Calendar/ Upcoming Events

5. april 2018

Science Meets Industry Stavanger...

read more >>