Simulering och Optimering av Vindparker

Titel: Simulering och Optimering av Vindparker – TOPFARM, Elforsk rapport 09:23
Författare: Ingemar Carlén
Utgivare: Elforsk, Vindforsk
Årtal: 2009
Ämnesord: Mekanik och aerodynamik
Sökord: TOPFARM, CFD, Risø, Mann-modell
Rapport



Sammanfattning:
Dagens utbyggnad av vindkraft sker allt oftare genom etablering av vindparker på land eller till havs. Fördelar med stora parker är att höga fasta kostnader fördelas på många enheter, samt att man genom stora beställningar av vindkraftverk kan sänka priset per installerad MW. För att få en ytterligare maximera avkastningen på investerat kaptal strävar man i projekteringsfasen självklart efter att nå hög energiproduktion, i kombination med låga kostnader för underhåll och reparationer. Detta åstadkommer man effektivast genom noggranna studier av verkens inbördes placering samt avancerad styrning av varje enskild enhet för hela parkens bästa.

De programvaror som idag används vid projektering av vindparker bygger huvudsakligen på modeller för optimering av energiproduktion, och beaktar endast summariskt de ökade belastningar i vitala komponenter och tvärsnitt som placeringen i vindpark innebär.

I december 2007 startade EU-projektet TOPFARM, där ledande tillverkare, klass-sällskap, universitet, forskningsinstitut, samt vindkraftskonsulter utvecklar morgondagens modeller och koncept för dynamisk simulering av vindparker. Verifiering av de utvecklade modellerna sker med såväl med nya avancerade experimentella metoder, som med högupplösta nummerikska strömningsberäkningar.

Målet är att kunna simulera hela vindparker med samma höga upplösning som man idag uppnår vid analyser av enskilda vindkraftverk. Tillsammans med skräddarsydda optimeringsmetoder ökar möjligheterna att utveckla vindparker med tillfredställande intäkter från energiproduktion i kombination med låga kostnader för reparationer och underhåll. Fokus bör då ligga på att välja bästa placering för varje vindkraftverk, samt att utveckla robusta koncept för optimal styrning av hela vindparken.

Under det inledande året har tyngdpunkten i TOPFARM legat på att vidareutveckla befintliga CFD-modeller för att möjliggöra tillförlitliga prediktioner av strömningen i en vindpark. Exempelvis har inledande beräkningar med instationära randvillkor genomförts vid universitetet i Madrid, och vid CERC i Cambridge har metoder ursprungligen utvecklade för spridning av föroreningar, använts för att studera den sammanlagda
uppbromsningen inne i vindparken.

I Danmark har fältexperiment genomförts där man i vaken bakom ett vindkraftverk samtidigt lyckats mäta strömningen med både svepande LIDAR och pitot-rör. Dessa mätmetoder kommer att utvecklas vidare, och insamlade data är av stort värde vid validering av beräkningsmodeller.

Teknikgruppen har främst arbetat med utveckling av optimeringsmetoder, samt olika ansatser att effektivisera aeroelstiska beräkningar. De optimeringsverktyg som utarbetas inom TOPFARM måste kunna hantera vindparksanalyser av varierande komplexitet, för att på ett effektivt sätt söka optimala lösningar i en stor parameterrymd.

Teknikgruppen har även utvecklat algortitmer för att simulera marknära turbulens. Dessa kommer att appliceras såväl för lokal analys av strömningen i rotorplanet, som för de stora lågfrekventa rörelserna i en hel vindpark. En fördel framför Risø’s Mann-modell är här att man inte är bunden till approximationen Taylors frozen turbulence.

Syftet med denna rapport är att översiktligt beskriva pågående arbeten inom området dynamisk simulering av vindparker, främst med inriktning mot reglering och optimering.