Vrijwel alle windturbines, die meer dan 5 procent van de elektriciteit in de wereld produceren, worden aangestuurd alsof het individuele, vrijstaande eenheden zijn. In feite maakt de overgrote meerderheid deel uit van grotere windparkinstallaties met tientallen of zelfs honderden turbines, waarvan de zog elkaar kan beïnvloeden.

Nu hebben ingenieurs van MIT en elders ontdekt dat, zonder dat er nieuwe investeringen in apparatuur nodig zijn, de energie-output van dergelijke windparkinstallaties kan worden verhoogd door de windstroom van de hele verzameling turbines te modelleren en de besturing van individuele eenheden te optimaliseren dienovereenkomstig.

De toename van de energie-output van een bepaalde installatie lijkt misschien bescheiden:het is ongeveer 1,2 procent in het algemeen en 3 procent voor optimale windsnelheden. Maar het algoritme kan bij elk windpark worden ingezet en het aantal windparken groeit snel om versnelde klimaatdoelen te halen. Als die energieverhoging van 1,2 procent zou worden toegepast op alle bestaande windparken ter wereld, zou dit het equivalent zijn van het toevoegen van meer dan 3.600 nieuwe windturbines, of genoeg om ongeveer 3 miljoen huishoudens van stroom te voorzien, en een totale winst voor energieproducenten van bijna een miljard dollar per jaar, zeggen de onderzoekers. En dit alles voor vrijwel geen kosten.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature Energy, in een onderzoek onder leiding van MIT Esther en Harold E. Edgerton, universitair docent civiele en milieutechniek Michael F. Howland.

"In wezen worden alle bestaande turbines op utiliteitsschaal 'gretig' en onafhankelijk bestuurd", zegt Howland. De term 'gretig', legt hij uit, verwijst naar het feit dat ze worden gecontroleerd om alleen hun eigen stroomproductie te maximaliseren, alsof het geïsoleerde eenheden zijn zonder nadelige invloed op naburige turbines.

Maar in de echte wereld worden turbines opzettelijk dicht bij elkaar geplaatst in windparken om economische voordelen te behalen met betrekking tot landgebruik (on- of offshore) en met infrastructuur zoals toegangswegen en transmissielijnen. Deze nabijheid betekent dat turbines vaak sterk worden beïnvloed door de turbulente zog die wordt geproduceerd door anderen die tegen de wind in liggen - een factor waarmee individuele turbineregelsystemen momenteel geen rekening houden.

"Vanuit het oogpunt van stromingsfysica is het dicht bij elkaar plaatsen van windturbines in windparken vaak het slechtste wat je kunt doen", zegt Howland. "De ideale benadering om de totale energieproductie te maximaliseren zou zijn om ze zo ver mogelijk uit elkaar te plaatsen", maar dat zou de bijbehorende kosten verhogen.

Dat is waar het werk van Howland en zijn medewerkers om de hoek komt kijken. Ze ontwikkelden een nieuw stroommodel dat de energieproductie van elke turbine in het park voorspelt, afhankelijk van de invallende winden in de atmosfeer en de regelstrategie van elke turbine. Hoewel het is gebaseerd op stromingsfysica, leert het model van operationele windparkgegevens om voorspellende fouten en onzekerheid te verminderen. Zonder iets te veranderen aan de fysieke turbinelocaties en hardwaresystemen van bestaande windparken, hebben ze de op fysica gebaseerde, data-ondersteunde modellering van de stroming binnen het windpark en de resulterende stroomproductie van elke turbine, gegeven verschillende windomstandigheden, gebruikt om vind de optimale oriëntatie voor elke turbine op een bepaald moment. Hierdoor kunnen ze de output van het hele park maximaliseren, niet alleen van de individuele turbines.

Tegenwoordig neemt elke turbine constant de inkomende windrichting en -snelheid waar en gebruikt de interne besturingssoftware om de hoekpositie van de gier (verticale as) aan te passen om zo dicht mogelijk bij de wind uit te lijnen. Maar in het nieuwe systeem heeft het team bijvoorbeeld ontdekt dat door één turbine net iets weg te draaien van zijn eigen maximale uitgangspositie - misschien 20 graden verwijderd van zijn individuele piekuitgangshoek - de resulterende toename van het vermogen van een of meer benedenwindse units zullen de lichte afname van de output van de eerste unit ruimschoots goedmaken. Door gebruik te maken van een gecentraliseerd besturingssysteem dat rekening houdt met al deze interacties, werd de verzameling turbines gebruikt met een vermogen dat onder bepaalde omstandigheden maar liefst 32 procent hoger was.

In een maandenlang experiment in een echt windpark op utiliteitsschaal in India, werd het voorspellende model eerst gevalideerd door een breed scala aan gieroriëntatiestrategieën te testen, waarvan de meeste opzettelijk suboptimaal waren. Door veel controlestrategieën te testen, waaronder suboptimale, in zowel de echte boerderij als het model, konden de onderzoekers de echte optimale strategie identificeren. Belangrijk was dat het model in staat was om de elektriciteitsproductie van het landbouwbedrijf en de optimale regelstrategie voor de meeste geteste windomstandigheden te voorspellen, wat het vertrouwen gaf dat de voorspellingen van het model de werkelijk optimale operationele strategie voor het landbouwbedrijf zouden volgen. Dit maakt het gebruik van het model mogelijk om de optimale regelstrategieën voor nieuwe windomstandigheden en nieuwe windparken te ontwerpen zonder dat er nieuwe berekeningen hoeven te worden uitgevoerd.

Vervolgens bewees een experiment van een tweede maand op dezelfde boerderij, dat alleen de optimale controlevoorspellingen van het model implementeerde, dat de real-world effecten van het algoritme konden overeenkomen met de algehele energieverbeteringen die in simulaties worden waargenomen. Gemiddeld over de gehele testperiode behaalde het systeem een ​​toename van 1,2 procent in energie-output bij alle windsnelheden en een toename van 3 procent bij snelheden tussen 6 en 8 meter per seconde (ongeveer 13 tot 18 mijl per uur).

Terwijl de test bij één windpark werd uitgevoerd, zeggen de onderzoekers dat het model en de coöperatieve regelstrategie kunnen worden geïmplementeerd bij elk bestaand of toekomstig windpark. Howland schat dat, vertaald naar 's werelds bestaande vloot van windturbines, een totale energieverbetering van 1,2 procent meer dan 31 terawattuur extra elektriciteit per jaar zou opleveren, ongeveer gelijk aan het gratis installeren van 3.600 extra windturbines. Dit zou jaarlijks zo'n 950 miljoen dollar aan extra inkomsten opleveren voor de exploitanten van windparken, zegt hij.

De hoeveelheid energie die moet worden gewonnen, zal sterk variëren van het ene windpark tot het andere, afhankelijk van een reeks factoren, waaronder de afstand tussen de eenheden, de geometrie van hun opstelling en de variaties in windpatronen op die locatie in de loop van een jaar. Maar in alle gevallen kan het door dit team ontwikkelde model een duidelijke voorspelling geven van wat de potentiële winst voor een bepaalde site precies is, zegt Howland. "De optimale regelstrategie en de potentiële winst in energie zal bij elk windpark anders zijn, wat ons motiveerde om een ​​voorspellend windparkmodel te ontwikkelen dat breed kan worden gebruikt, voor optimalisatie in de hele windenergievloot", voegt hij eraan toe.

Maar het nieuwe systeem kan in potentie snel en gemakkelijk worden ingevoerd, zegt hij. "We hebben geen extra hardware-installatie nodig. We voeren eigenlijk alleen een softwarewijziging door en er is een aanzienlijke potentiële energietoename aan verbonden." Zelfs een verbetering van 1 procent, zo merkt hij op, betekent dat in een typisch windpark van ongeveer 100 eenheden, operators dezelfde output kunnen krijgen met één turbine minder, waardoor de kosten, meestal miljoenen dollars, worden bespaard die gepaard gaan met aankoop, bouw en dat apparaat installeren.

Verder merkt hij op dat het algoritme, door zogverliezen te verminderen, het mogelijk zou kunnen maken om turbines dichter bij elkaar te plaatsen in toekomstige windparken, waardoor de vermogensdichtheid van windenergie wordt vergroot, wat op land (of zee) voetafdrukken bespaart. Deze toename van de vermogensdichtheid en de vermindering van de voetafdruk kunnen helpen om de dringende doelstellingen voor de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen te bereiken, waarvoor een aanzienlijke uitbreiding van de inzet van windenergie nodig is, zowel op als op zee.

Bovendien, zegt hij, is het grootste nieuwe gebied van de ontwikkeling van windparken offshore, en "de impact van zogverliezen is vaak veel groter in offshore windparken." Dat betekent dat de impact van deze nieuwe benadering van het beheersen van die windparken aanzienlijk groter zou kunnen zijn.

Het Howland Lab en het internationale team blijven de modellen verder verfijnen en werken aan het verbeteren van de operationele instructies die ze van het model afleiden, in de richting van autonome, coöperatieve controle en het streven naar het grootst mogelijke vermogen onder een bepaalde reeks omstandigheden, zegt Howland. . + Verder verkennen

Tweaking turbinehoeken persen meer kracht uit windparken