Elke twee en een half uur, een nieuwe windturbine verrijst in de VS In 2016, wind leverde 5,6 procent van alle geproduceerde elektriciteit, meer dan het dubbele van de hoeveelheid wind in 2010, maar nog ver verwijderd van zijn potentieel.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas (UT Dallas) heeft een nieuwe manier ontwikkeld om meer kracht uit de wind te halen. Deze aanpak heeft het potentieel om de opwekking van windenergie aanzienlijk te vergroten, met als gevolg een stijging van de inkomsten. Numerieke simulaties die zijn uitgevoerd in het Texas Advanced Computing Center (TACC) wijzen op potentiële stijgingen van maximaal zes tot zeven procent.

Volgens de onderzoekers is een verbetering van één procent toegepast op alle windparken in het land zou het equivalent van $ 100 miljoen in waarde opleveren. Deze nieuwe methode, daarom, heeft het potentieel om in het hele land $ 600 miljoen aan extra windenergie te genereren.

Het team rapporteerde hun bevindingen in Windenergie in december 2017 en Hernieuwbare energie december 2017.

In de tak van de natuurkunde die bekend staat als vloeistofdynamica, een gebruikelijke manier om turbulentie te modelleren is door middel van grote wervelsimulaties. Een aantal jaar geleden, Stefano Leonardi en zijn onderzoeksteam hebben modellen gemaakt die fysiek gedrag kunnen integreren over een breed scala aan lengteschalen - van turbinerotoren van 100 meter lang, tot centimeters dikke toppen van een wiek - en voorspel de windkracht nauwkeurig met behulp van supercomputers.

"We hebben een code ontwikkeld om windturbines na te bootsen, rekening houdend met de interferentie tussen het zog van de toren en de gondel [het deksel dat alle opwekkingscomponenten in een windturbine huisvest] met het zog van de turbinerotor, " zei Leonardi, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en auteur van de Windenergie papier, die werd geselecteerd voor de omslag.

Buiten het bereik van lengteschalen, het modelleren van de variabiliteit van wind voor een bepaalde regio op een bepaald tijdstip is een andere uitdaging. Dit behandelen, het team integreerde hun code met het Weather Research and Forecasting Model (WRF), een toonaangevend weersvoorspellingsmodel ontwikkeld door het National Center for Atmospheric Research.

"We kunnen het windveld van het Noord-Amerikaanse Mesoscale Model op een grof raster krijgen, gebruik het als input voor vijf geneste domeinen met steeds hogere resolutie en reproduceer met hifi de energieopwekking van een echt windpark, ' zei Leonardi.

De groeiende kracht van computers stelt Leonardi en zijn team in staat om het windveld op een windpark en de stroomproductie van elke afzonderlijke turbine nauwkeurig te modelleren. De resultaten van hun model testen tegen gegevens van een windmolenpark in Noord-Texas, ze zagen een overeenkomst van 90 procent tussen hun voorspellingen en de efficiëntie van de turbine. Zij zullen hun resultaten presenteren op Torque 2018, een grote onderzoeksconferentie over windenergie.

De turbulentie uit het optimalisatiecontrolealgoritme halen

Wind stroomt niet zomaar soepel in één richting. Het bevat turbulentie en zog die worden vergroot wanneer turbines worden gegroepeerd zoals op een windpark.

Wake-interacties leiden tot verliezen tot 20 procent van de jaarlijkse productie, volgens het Amerikaanse ministerie van Energie. Begrijpen hoe turbulentie de energieopwekking beïnvloedt, is belangrijk om het gedrag van de turbines in realtime aan te passen om maximaal vermogen te oogsten.

Met behulp van hun modelleringscapaciteiten, ze testten regelalgoritmen die worden gebruikt om de werking van dynamische systemen bij windparken te sturen. Dit omvatte de controle-algoritmen die bekend staan ​​​​als extreme zoekcontrole, een modelvrije manier om de beste prestaties uit dynamische systemen te halen wanneer slechts beperkte kennis van het systeem bekend is.

"Velen dachten dat het niet mogelijk zou zijn om deze aanpak te gebruiken vanwege turbulentie en het feit dat het een situatie oplevert waarin turbines voortdurend veranderen, "Zei Leonardi. "Maar we hebben een groot aantal simulaties gedaan om een ​​manier te vinden om turbulentie uit het controleschema te filteren. Dit was de grote uitdaging."

Met extreme op zoek naar controle, het systeem verhoogt en verlaagt de rotatiesnelheid van een draaiend turbineblad, al die tijd het vermogen meten, en het berekenen van de helling. Dit wordt herhaald totdat de controller de optimale werksnelheid heeft gevonden.

"Het belangrijkste is dat het besturingsalgoritme niet afhankelijk is van een op fysica gebaseerd model, " zei Leonardi. "Er zijn veel onzekerheden in een echt windpark, dus je kunt niet alles modelleren. De extreme zoekende controle kan het optimale vinden, ongeacht of er erosie of ijsvorming op de bladen is. Het is zeer robuust en werkt ondanks onzekerheden in het systeem."

De wind simuleren

Om hun nieuwe aanpak te testen, het team deed virtuele windexperimenten met behulp van supercomputers bij de TACC, inclusief Stampede2 en Lonestar5 - twee van de krachtigste ter wereld. Ze konden deze systemen gebruiken via het initiatief University of Texas Research Cyberinfrastructure (UTRC), die, sinds 2007, heeft onderzoekers van een van de 14 instellingen van de University of Texas System toegang gegeven tot de bronnen van TACC, deskundigheid en opleiding.

Toegang tot krachtige supercomputers is belangrijk omdat windturbines duur zijn om te bouwen en te exploiteren en er weinig faciliteiten voor windonderzoek beschikbaar zijn voor onderzoekers.

"De voordelen van het gebruik van high-performance computing om een ​​virtueel platform te creëren voor het doen van analyses van voorgestelde oplossingen voor windenergie zijn enorm, " zei Mario Rotea, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de UT Dallas, en locatiedirecteur van de door de National Science Foundation ondersteunde Wind-Energy Science, Technologie en Onderzoek (WindSTAR) Industrie-Universitair Coöperatief Onderzoekscentrum (IUCRC). "Hoe meer we met computers kunnen doen, hoe minder we te maken hebben met testen, wat een groot deel van de kosten is. Dit komt de natie ten goede door de kosten van energie te verlagen."

Hoewel de toepassing van extremum-zoekende controle op windparken nog in de praktijk moet worden getest, het team van UT Dallas heeft de methode al toegepast op een enkele turbine van het National Renewable Energy Laboratory (NREL).

"De NREL-test gaf ons experimentele gegevens die de waarde van extremum-zoekende controle voor maximalisatie van windenergie ondersteunen, " zei Rotea. "De experimentele resultaten tonen aan dat extreme zoekcontrole de vermogensopname met 8-12% verhoogt ten opzichte van een basislijncontroller."

Gezien de bemoedigende experimentele en computationele resultaten, het team van UT Dallas plant een experimentele campagne met een cluster van turbines in een windpark.

Samenwerkingen en vervolgstappen

De ontwikkeling van het vloeistofdynamicamodel voor windturbines was onderdeel van een internationale samenwerking tussen vier Amerikaanse instellingen (Johns Hopkins University, UT Dallas, Texas Tech en Smith College) en drie Europese instellingen (Technische Universiteit van Denemarken, École polytechnique fédérale de Lausanne en Katholieke Universiteit Leuven) gefinancierd door de National Science Foundation.

Via het WindSTAR-centrum, ze werken samen met negen toonaangevende windenergiebedrijven en fabrikanten van apparatuur. Deze bedrijven zijn geïnteresseerd in het adopteren of commercialiseren van het werk.

"De leden van ons centrum hebben niet veel pk's op het gebied van HPC [high-performance computing], " zei Rotea. "De computers bij TACC zijn een aanwinst voor ons en geven ons een concurrentievoordeel ten opzichte van andere groepen. Als het gaat om het oplossen van echte problemen, we creëren controlesystemen die ze kunnen bevatten, of ze kunnen HPC gebruiken om nieuwe tools te ontwikkelen voor het voorspellen van windbronnen of om te bepalen of er turbines zijn die niet presteren."

Naast het ontwikkelen van de nieuwe turbulentie-algoritmen en regelstrategieën, leden van het WindSTAR-team hebben methoden geïntroduceerd om nauwkeurige resultaten te voorspellen op minder krachtige computers (werk dat verscheen in de uitgave van maart 2018 van Windenergie ) en om te bepalen hoe dicht de turbines moeten worden geplaatst om de winst te maximaliseren, afhankelijk van de grondprijs (gepresenteerd op het Windsymposium 2018).

De langetermijneffecten van het werk gaan verder dan het theoretische.

"Het onderzoek stelt ons in staat om de productie van windenergie te optimaliseren en de penetratie van hernieuwbare energie in het net te vergroten, "Zei Leonardi. "Er zal meer stroom worden opgewekt door dezelfde machines omdat we meer begrijpen over de stromingsfysica in een windpark, en voor hetzelfde landgebruik en dezelfde inzet, we kunnen meer energie krijgen."