211service.com
Bättre datormodeller behövs för megavindparker
I takt med att vindkraften blir billigare, utarbetar vindkraftsutvecklare planer för gårdar som är en storleksordning större än något annat i dag, vissa med mer än 1 000 turbiner. Men det finns ett stort problem: ekonomin för vindkraftsparker beror på exakta förutsägelser om effekt, och det är mycket svårare att modellera hur sådana stora vindkraftsparker kommer att bete sig.
Skiftande vindar: En simulering visar effekterna av turbulenta vak på nedströms vindkraftverk. Turbulensen påverkar luft så högt som en kilometer över marken.
På en skala från flera hundra till över tusen vindkraftverk, kan simulering av interaktioner mellan så många vindkraftverk, i en rad olika väderförhållanden, vara för komplext för nuvarande datormodeller. Frågan kan få djupgående konsekvenser för kostnaderna för vindkraft och dess förmåga att skala upp för att ersätta stora mängder fossilt bränsle.
För ungefär fem år sedan innebar dålig datainsamling och ineffektiva datormodeller vindutvecklare var benägna att överskatta energiproduktionen på sina gårdar med över 10 procent, tillräckligt för att förstöra vinster och i vissa fall hindra dem från att betala tillbaka lån. Modellerna har förbättrats, men språnget till större vindkraftsparker, och den ökande förekomsten av vanliga vindkraftsparker som byggs tillräckligt nära varandra för att störa varandra, väcker frågan igen.
Vissa forskare och branschexperter säger att även om datormodeller har blivit bra på att uppskatta produktionen av typiska vindkraftsparker på mellan 50 och 100 vindkraftverk kommer de att få problem i mycket större skala. Om du skulle gå till 1 000 vindkraftverk skulle industrins verktyg börja gå sönder, säger Keith Longtin, general manager för produktledning på GE Power and Water.
Med miljarder dollar på spel tar utvecklarna av de nya, mycket stora vindkraftparkerna extraordinära åtgärder för att försöka förutsäga effektuttaget.
Byggandet av en föreslagen megavindpark med 1 000 turbiner, Chokecherry och Sierra Madre-projektet vid Overland Trail-ranchen i Wyoming, förväntas börja nästa år.
Projektets utvecklare har mätt vindhastighet, riktning, temperatur och andra väderförhållanden på platsen i fem år (två år är standard). De har samlat in data från 32 sensorbesatta meteorologiska torn som reser sig 60 till 80 meter över ranchens böljande kullar som är täckta med salvia-borstar, tillsammans med mätningar från ljudbaserad radar (kallad sodar) som kan skanna vinden på höjder upp till 200 meter, höjden på några vindkraftverk.
Utvecklarna har också använt superdatorer för att köra data genom de senaste datormodellerna, sådana som utvecklats för att ta hänsyn till hur vindturbiner interagerar med varandra - när vinden rör sig genom dem skapar turbinerna vak som kan störa prestandan hos nedströms turbiner. De drog slutsatsen att vindkraftsparken skulle kunna generera minst 8,76 miljarder kilowattimmar per år, eller tillräckligt med ström för 770 000 hem.
Ett problem med de nuvarande modellerna är att de inte exakt representerar vindens variation, inte bara på marknivå, utan till och med hundratals meter över vindkraftverkens nivå. Ny forskning tyder på att modeller under vissa väderförhållanden dramatiskt kan underskatta vakna förluster, säger Michael Drunsic, senior konsult på DNV KEMA, som hjälper utvecklare att uppskatta vindkraftsproduktionen. Väckningarna bär mycket längre än tidigare beräknat, säger han. Detta är inte ett stort problem i vindkraftsparker som bara har en rad – som de som följer åsar. Men med stora vindkraftsparker med flera rader, kan de längre vaken påverka många vindkraftverk och sänka deras produktion.
Den här typen av fynd kan påverka hur vindkraftverk är arrangerade, särskilt i större vindkraftsparker med många rader av turbiner. Charles Meneveau, professor i maskinteknik vid Johns Hopkins University, har utvecklat modeller för hur mycket stora vindkraftsparker stör luften upp till en kilometer ovanför dem. Baserat på några av hans simuleringar har han visat att turbiner faktiskt borde placeras dubbelt så långt ifrån varandra som de brukar vara för att få ut det mesta av vinden. Men han säger att hans nuvarande modeller fortfarande inte kan förutsäga mycket stora vindkraftsparkers prestanda - de tittar bara på prestanda i genomsnittliga vindhastigheter, och vindkraftverkens prestanda kan variera mycket beroende på skillnader i vindförhållanden, säger han.
Men medan nya datormodeller identifierar utmaningar för stora vindkraftsparker, ger de också goda nyheter, säger Meneveau. Han har till exempel visat att turbulens, även om det kan vara ett problem, också är avgörande för stora vindkraftsparker. Utan någon turbulens skulle de första raderna i en vindkraftspark i huvudsak blockera vinden, vilket begränsar antalet rader som kan installeras. Han visade att turbulens faktiskt drar ner vinden ovanifrån vindkraftsparken. Som ett resultat kan den sista raden i en vindkraftspark, även om den får något mindre energi än den första raden, fortfarande generera elektricitet, så länge som vindkraftverken är ordentligt placerade. Den dåliga nyheten är att för stora vindkraftsparker visste folk inte riktigt hur de skulle hantera turbulens, säger han. Den goda nyheten är att du kan göra gården så stor du vill, eftersom du kan dra ner luft från ovan.
Meneveau säger att modellerna också kan användas för att optimera designen och driften av vindkraftverk. De i den främre raden kan till exempel vara programmerade att orientera sina blad för att tillåta mer vind att passera förbi dem, och därigenom förbättra prestanda hos turbiner i efterföljande rader och på så sätt öka produktionen från hela vindkraftsparken. Relaterad forskning bedrivs vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado (se Nya konstruktioner tar vindkraft till nästa nivå och kommer vertikala turbiner att göra mer av vinden? ).
Förbättrade datormodeller kommer att vara avgörande för att sänka kostnaderna för vindkraft, säger Drunsic. Ju mer exakta modellerna är och ju säkrare en utvecklare kan vara, desto lägre kostnad för finansieringen, säger han.