En ny styralgoritm för vindkraftsparker som ändrar hur enskilda turbiner är orienterade mot vinden lovar att öka gårdarnas totala effektivitet och energiproduktion genom att optimera hur de hanterar sina turbulenta kölvatten.

Algoritmen, som testades vid en kommersiell vindkraftpark i Indien men som kan användas var som helst, erbjuder potentialen för en omedelbar, kostnadsfri förbättring av befintliga vindkraftsparker. Det kan också göra det möjligt för vindkraftsparker att byggas i trångare utrymmen och på så sätt pressa ut mer kraft ur mindre fastigheter – vilket mildrar en enorm nackdel med vindenergi.

Tillsammans genererar vindkraftsparker cirka 380 miljarder kilowattimmar varje år i USA. Om varje amerikansk vindkraftpark skulle anta den nya strategin och se effektivitetsökningar liknande de som finns i den nya studien, skulle det vara likvärdigt med att lägga till hundratals nya turbiner som kan driva hundratusentals hem till landets elnät, säger Caltech's. John O. Dabiri, hundraårsprofessorn i flygteknik och maskinteknik, och senior författare till en artikel om projektet som publicerades av tidskriften Nature Energy den 11 augusti.

"Enskilda turbiner genererar hackig luft, eller en kölvatten, vilket skadar prestandan för varje turbin i motvind av dem," säger Dabiri. "För att klara det är vindkraftsturbiner traditionellt placerade så långt ifrån varandra som möjligt, vilket tyvärr tar upp mycket fastigheter."

Efter år av att ha studerat problemet utvecklade Dabiri och hans tidigare doktorand Michael F. Howland, huvudförfattare till tidningen och nu Esther och Harold E. Edgerton biträdande professor i civil- och miljöteknik vid MIT, en algoritm som tvingar fram individuella vindturbiner att sluta agera enbart i sitt eget intresse – det vill säga att maximera sin egen tillgång till vind genom att vända sig direkt in i den – och istället agera för vindkraftparkens produktion.

Ett årslångt, verkligt test och justering av algoritmen som genomfördes i Indien från 2020 till 2021 möjliggjordes av Varun Sivaram som vid den tidpunkten var Chief Technology Officer (CTO) för ReNew Power, Indiens största företag för förnybar energi, och som nu är senior rådgivare till USA:s särskilda presidentsutsände för klimatet John Kerry, som hans verkställande direktör för ren energi och innovation. Sivaram är också medförfattare på tidningen.

Sivaram hade blivit imponerad av en presentation som Dabiri gjorde 2017 för styrelsen för ett kanadensiskt kraftverk om att använda algoritmer för att förbättra effektiviteten hos vindkraftsparker. När han blev CTO för ReNew Power 2018, tog Sivaram kontakt för att se om Dabiri skulle vara intresserad av att samarbeta.

"Jag ringde upp John och frågade om vi kunde göra det här. Och han sa:"Jag har en extraordinär student just nu, och jag tror att det här kan vara det perfekta projektet för oss alla att ta oss an."

Howlands intresse för kollektiv vindkraftskontroll började när han var en student vid Johns Hopkins University och studerade fysiken för luftflödet genom vindkraftsparker. "Jag var intresserad av att utveckla prediktiva modeller för vindkraftsparker, som kan användas för att förbättra effektiviteten", säger Howland. "Men det är otroligt dyrt i termer av beräkningskraft att simulera den fullständiga fysiken för atmosfärs- och vindkraftsflödet."

Det var under sin grundutbildning som Howland först undersökte hur felinriktning av turbinens vinkel i förhållande till vinden gör en enorm inverkan på kölvattnet.

För att förklara betydelsen av den justeringen, hjälper det att förstå att det inte finns många sätt att enkelt justera prestanda för ett vindturbin utan att installera ytterligare hårdvara. De är inte konstruerade för att få sin lutning, eller sin upp-och-ned-vinkel, ändrad. Men de kan svängas från sida till sida och justera deras gir.

"Några tidigare studier fokuserade på att modifiera motståndet som skapas av kraftgenereringen av turbinen," säger Howland. "Att låta bladen snurra mer fritt skapar mindre intensiva vak, men turbinen med modifierad drift genererar också mindre kraft." Ytfel, å andra sidan, minskar inte bara vakenhetsstyrkan – den omdirigerar dess påverkan nedströms.

Efter sina grundstudier fortsatte Howland sin examen hos Dabiri, som då var vid Stanford University. Dabiri hade tidigare arbetat på Caltech och studerat hur vindkraftsplacering påverkade effektuttaget. Under 2019 utvecklade Howland och Dabiri en datormodell för att försöka förbättra prestandan hos en specifik uppsättning av sex turbiner, och genomförde sedan ett tvåveckorstest vid matrisen för att mäta turbinernas prestanda. De visade att en gårdsomfattande orienteringsstrategi som inkluderar girfeljustering kan förbättra den övergripande prestandan. Problemet var om de verkligen hade optimerat prestandan på den gården? Eller helt enkelt förbättrat det något jämfört med industristandardkontrollmetoderna?

Utan att kunna testa alla möjliga suboptimala strategier och direkt välja den bästa var det omöjligt att säga. Så, teamet fokuserade specifikt på att utveckla förbättrade modeller för hur justering av en uppvindsturbins vinkel påverkar både nedvindsturbinerna och även prestandan för själva den felinriktade turbinen. Viktigt är att den felinriktade turbinens prestanda beror på de infallande atmosfäriska vindförhållandena som flödar in i gården. Att modellera den gemensamma effekten av vinkeljusteringen och de infallande vindförhållandena var avgörande för att utveckla en exakt modell som kan förutsäga bästa möjliga gårdsorienteringsstrategi.

"Eftersom starka väckningseffekter minskar kraftproduktionen i nedvindsturbiner, gör uppvindsturbinen det tunga lyftet för den totala gårdsproduktionen", förklarar Howland. "Exakt modellering av kraften hos den girningsfelinriktade turbinen, beroende på det atmosfäriska vindflödet, förbises ofta i modeller som användes för optimering av vindkraftsflödeskontroll. Detta var ett fokus för både vår modellutveckling och våra valideringsexperiment."

Baserat på den forskningen utvecklade Howland, Dabiri och deras kollegor en algoritm som tvingar enskilda turbiner – med början i den ledande turbinen – att felinrikta sin girning med upp till 25 grader för att maximera gårdens totala effektivitet och därmed effektuttaget.

Beroende på vindens hastighet kunde den nya algoritmen justera turbinernas orientering för att öka vindkraftparkens totala effekt i Indien med mellan 1 och 3 procent.

"Ingen behöver bygga eller köpa något nytt för att omedelbart börja få ut mer kraft ur sin vindkraftspark", säger Dabiri.

Den verkliga fördelen, säger Howland och Dabiri, är dock potentialen för algoritmen att tillåta vindkraftverk att klustras närmare varandra genom att aktivt ta itu med kölvattenfrågan, antingen genom att lägga till nya turbiner mellan befintliga eller genom att låta framtida byggplaner packas. fler turbiner till en given tomt.

En av de viktigaste delarna av den nya algoritmen är att den har potential att vara användbar var som helst, från en vindkraftspark till havs i Nordsjön till vindkraftsparkerna som sprider sig i öknen utanför Palm Springs, Kalifornien, genom att förutsäga den bästa strategin för orientering av girfelinriktningen hos enskilda turbiner. "Det fanns inget sätt att på ett tillförlitligt sätt göra den förutsägelsen förrän denna tidning; det fanns bara försök och misstag," säger Dabiri. "Problemet är att du inte kan spendera lång tid på att göra massor av experiment på en vindkraftspark som har en skyldighet att generera energi åt sina kunder."

Istället kokar Howland och Dabiris algoritm ner varje vindparksplats till några viktiga parametrar som matematiskt beskriver hur vaken kommer att skapas av dess turbiner. Algoritmen förutsäger sedan de bästa sätten att mildra det vaken. En kritisk faktor är till exempel om vindkraftsparken ligger över land eller är till havs, eftersom mark ger mer friktionsmotstånd mot vind än vatten och därmed bryter upp ett vak över en kortare sträcka. Algoritmen är grundad i atmosfärens och vindkraftsflödets fysik, men den utnyttjar operativa vindkraftsdata för att lära sig och förbättra modellen, vilket avsevärt minskar prediktiva fel och osäkerheter.

En central del av projektet är att det inte bara bygger på teori; snarare testades den i den verkliga världen vid en kraftgenererande vindkraftspark. På Sivarams ledning investerade ReNew Power i LiDAR-enheter (laserskanningsenheter) som mätte den höjdberoende vindhastigheten och riktningen i flödet som inträffade till vindkraftsparken, och erbjuder finkorniga data som gjorde det möjligt för Howland och Dabiri att förbättra sin algoritm efter behov . Dessutom etablerades ingenjörsteam i Indien och Spanien för att samarbeta med Howland och Dabiri i USA.

"I slutet blev alla imponerade av omfattningen av vad som åstadkommits:en förbättring av prestanda som inte kostar någonting i termer av infrastrukturinvesteringar att uppnå", säger Sivaram. ReNew Power arbetar nu med att utöka resultaten för att förbättra resten av sin flotta av vindkraftsparker.

Samtidigt planerar teamet att utöka sina fältdemonstrationer för att ta itu med vindkraftsparker till havs, vilket innebär nya utmaningar och möjligheter.

"The wakes tend to persist for much longer distances over the ocean, so these new methods become even more important," Dabiri says. "At the same time, the wind resource offshore is phenomenal and still largely untapped. And, we can design those wind farms from scratch using these ideas, so we're not limited by existing wind turbine layouts, as is the case for existing wind farms on land."

The real-world testing of the algorithm was made possible in part by the efforts of Caltech's Office of Technology Transfer and Corporate Partnerships (OTTCP), which helped the engineers in Pasadena negotiate a relationship with ReNew Power in India and also Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation &Technology in Spain (the company that designed the turbines ReNew Power operates).

"Working with OTTCP was fantastic," Sivaram says. "What we created is a groundbreaking, three-continent agreement that I now use as a model."

Sivaram sits on the steering committee of Mission Innovation, a global research and development alliance announced by President Barack Obama in 2015 to address climate change and make clean energy more affordable.

"This is my centerpiece example for how we want to do international R&D collaboration," Sivaram says. "If we have a hundred more partnerships like these, then we'll change the world."

The project was also a true product of the COVID-19 pandemic, as the engineers from the U.S. and Spain only met in-person one time—at a dinner in Pasadena held in February 2020 to kick off their new venture.

"We thought then that we'd all be meeting up regularly to share notes and discuss ideas," Dabiri says. "Thankfully, we were all able to pivot toward work via video conference, with multiple online meetings each week throughout 2020, 2021, and 2022." + Utforska vidare

How to build a better wind farm