Varannan och en halv timme, ett nytt vindkraftverk reser sig i USA 2016, vind stod för 5,6 procent av all producerad el, mer än dubbelt så mycket som vind genererade 2010, men fortfarande långt ifrån dess potential.

Ett team av forskare från University of Texas i Dallas (UT Dallas) har utvecklat ett nytt sätt att utvinna mer kraft från vinden. Detta tillvägagångssätt har potential att öka vindkraftsproduktionen avsevärt med en åtföljande ökning av intäkterna. Numeriska simuleringar utförda vid Texas Advanced Computing Center (TACC) indikerar potentiella ökningar på upp till sex till sju procent.

Enligt forskarna, en förbättring på en procent tillämpad på alla vindkraftsparker i landet skulle generera motsvarande 100 miljoner dollar i värde. Denna nya metod, därför, har potential att generera 600 miljoner dollar i extra vindkraft i hela landet.

Teamet rapporterade sina resultat i Vindkraft i december 2017 och Förnybar energi i december 2017.

I den gren av fysiken som kallas vätskedynamik, ett vanligt sätt att modellera turbulens är genom stora virvelsimuleringar. Många år sedan, Stefano Leonardi och hans forskargrupp skapade modeller som kan integrera fysiskt beteende över ett brett spektrum av längdskalor – från turbinrotorer 100 meter långa, till centimetertjocka spetsar på ett blad — och förutsäga vindkraft med noggrannhet med hjälp av superdatorer.

"Vi utvecklade en kod för att efterlikna vindkraftverk, med hänsyn till interferensen mellan tornets spår och gondolen [höljet som inrymmer alla genererande komponenter i ett vindturbin] med turbinrotorns spår, sa Leonardi, docent i maskinteknik och författare om Vindkraft papper, som valdes ut för omslaget.

Utöver längdskalorna, Att modellera vindens variabilitet för en viss region vid en specifik tidpunkt är en annan utmaning. För att ta itu med detta, teamet integrerade sin kod med Weather Research and Forecasting Model (WRF), en ledande väderprognosmodell utvecklad vid National Center for Atmospheric Research.

"Vi kan få vindfältet från den nordamerikanska mesoskala modellen på ett grovt rutnät, använda den som indata för fem kapslade domäner med progressivt högre upplösning och återskapa med hög trohet kraftgenereringen av en riktig vindkraftpark, sa Leonardi.

Datorernas växande kraft tillåter Leonardi och hans team att noggrant modellera vindfältet på en vindkraftpark och kraftproduktionen för varje enskild turbin. Testar deras modells resultat mot data från en vindkraftpark i norra Texas, de såg en 90-procentig överensstämmelse mellan deras förutsägelser och turbinens effektivitet. De kommer att presentera sina resultat på Torque 2018, en stor forskningskonferens om vindenergi.

Ta bort turbulensen från optimeringskontrollalgoritmen

Vinden flyter inte bara smidigt i en riktning. Den innehåller turbulens och vak som förstoras när turbiner grupperas som de är på en vindkraftspark.

Vakna interaktioner leder till förluster på upp till 20 procent av den årliga produktionen, enligt det amerikanska energidepartementet. Att förstå hur turbulens påverkar energigenereringen är viktigt för att justera turbinernas beteende i realtid för att skörda maximal effekt.

Genom att använda sina modelleringsmöjligheter, de testade styralgoritmer som används för att hantera driften av dynamiska system vid vindkraftsparker. Detta inkluderade kontrollalgoritmerna som kallas extremum seeking control, ett modellfritt sätt att få ut den bästa prestandan ur dynamiska system när endast begränsad kunskap om systemet är känd.

"Många trodde att det inte skulle vara möjligt att använda detta tillvägagångssätt på grund av turbulens och det faktum att det ger en situation där turbiner förändras hela tiden, " sa Leonardi. "Men vi gjorde ett stort antal simuleringar för att ta reda på ett sätt att filtrera bort turbulens ur kontrollschemat. Detta var den stora utmaningen."

Med extrema sökande efter kontroll, systemet ökar och minskar rotationshastigheten för ett snurrande turbinblad, samtidigt som man mäter kraften, och beräkna gradienten. Detta upprepas tills regulatorn hittar den optimala drifthastigheten.

"Det viktiga är att kontrollalgoritmen inte förlitar sig på en fysikbaserad modell, " sa Leonardi. "Det finns många osäkerheter i en riktig vindkraftspark, så du kan inte modellera allt. Den extrema sökande kontrollen kan hitta det optimala oavsett om det är erosion eller isbildning på bladen. Det är väldigt robust och fungerar trots osäkerheter i systemet."

Simulerar vinden

För att testa deras nya tillvägagångssätt, teamet körde virtuella vindexperiment med superdatorer vid TACC, inklusive Stampede2 och Lonestar5 - två av de mest kraftfulla i världen. De kunde använda dessa system genom initiativet University of Texas Research Cyberinfrastructure (UTRC), som, sedan 2007, har gett forskare vid någon av University of Texas Systems 14 institutioner tillgång till TACC:s resurser, expertis och utbildning.

Tillgång till kraftfulla superdatorer är viktigt eftersom vindkraftverk är dyra att bygga och driva och få vindforskningsanläggningar är tillgängliga för forskare.

"Fördelarna med att använda högpresterande datorer för att skapa en virtuell plattform för att göra analyser av föreslagna lösningar för vindenergi är enorma, sa Mario Rotea, professor i maskinteknik vid UT Dallas, och platschef för den National Science Foundation-stödda Wind-Energy Science, Teknik och forskning (WindSTAR) Industry-University Cooperative Research Center (IUCRC). "Ju mer vi kan göra med datorer, ju mindre vi har att göra med testning, vilket är en stor del av kostnaderna. Detta gynnar nationen genom att sänka kostnaderna för energi."

Även om tillämpningen av extremumsökande kontroll på vindkraftsparker ännu inte har testats på fältet, UT Dallas-teamet tillämpade redan metoden på en enda turbin vid National Renewable Energy Laboratory (NREL).

"NREL-testet gav oss experimentella data som stöder värdet av extremumsökningskontroll för vindkraftsmaximering, ", sa Rotea. "Experimentresultaten visar att extremumsökningskontroll ökar kraftfånget med 8-12% i förhållande till en baslinjekontroller."

Med tanke på de uppmuntrande experimentella och beräkningsresultaten, UT Dallas-teamet planerar en experimentell kampanj som involverar ett kluster av turbiner i en vindkraftspark.

Samarbeten och nästa steg

Utvecklingen av vätskedynamikmodellen för vindkraftverk var en del av ett internationellt samarbete mellan fyra amerikanska institutioner (Johns Hopkins University, UT Dallas, Texas Tech and Smith College) och tre europeiska institutioner (Danmarks Tekniska Universitet, École polytechnique fédérale de Lausanne och Katholieke Universiteit Leuven) finansierad av National Science Foundation.

Genom WindSTAR-centret, de samarbetar med nio ledande vindenergiföretag och utrustningstillverkare. Dessa företag är intresserade av att adoptera eller kommersialisera arbetet.

"Medlemmarna i vårt center har inte tillgång till många hästkrafter när det gäller HPC [högpresterande datorer], ", sa Rotea. "Datorerna på TACC är en tillgång för oss och ger oss en konkurrensfördel gentemot andra grupper. När det gäller att lösa faktiska problem, vi skapar kontrollsystem som de kan införliva, eller så kan de använda HPC för att utveckla nya verktyg för att prognostisera vindresurser eller avgöra om det finns turbiner som inte fungerar."

Förutom att utveckla de nya turbulensalgoritmerna och styrstrategierna, medlemmar av WindSTAR-teamet har introducerat metoder för att förutsäga exakta resultat på mindre kraftfulla datorer (arbete som publicerades i mars 2018-numret av Vindkraft ) och för att bestämma hur nära man ska placera turbiner för att maximera vinsten, beroende på kostnaden för mark (presenterades på Wind Symposium 2018).

De långsiktiga effekterna av arbetet går utöver det teoretiska.

"Forskningen tillåter oss att optimera vindkraftsproduktionen och öka penetrationen av förnybar energi i nätet, " sa Leonardi. "Det kommer att genereras mer kraft av samma maskiner eftersom vi förstår mer om flödesfysiken i en vindkraftspark, och för samma markanvändning och utplacering, vi kan få mer energi."