Bij een operationeel windpark hebben onderzoekers van Stanford aangetoond dat door turbines lichtjes uit de wind te plaatsen, de totale energieproductie kan worden gestimuleerd en eveneens het variabele aanbod kan worden geëgaliseerd.
Wat goed is voor één windturbine is niet altijd het beste voor alle turbines.
Alleenstaande windturbines produceren de meeste energie als ze volop in de wind staan. Maar wanneer een dicht opeengepakte serie windturbines van een windpark in de richting van de wind opgesteld staat, kunnen stroomopwaartse turbines de stroomafwaarts gelegen turbines verstoren. Net als bij een speedboot die wordt afgeremd door ruw water van een boot ervoor, vermindert het kielzog van een windturbine het vermogen van de turbines erachter.
Door de turbines lichtjes uit de wind te plaatsen - de zogenaamde wake-sturing - kan die storing worden verminderd en kunnen zowel de kwantiteit als de kwaliteit van het vermogen van windparken worden verbeterd, en waarschijnlijk ook de bedrijfskosten worden verlaagd, zo blijkt uit een nieuwe studie van Stanford
"Om de wereldwijde doelstellingen voor de opwekking van hernieuwbare energie te halen, moeten we manieren vinden om veel meer energie te genereren uit bestaande windparken", aldus John Dabiri, hoogleraar civiele en milieutechniek en hoogleraar werktuigbouwkunde en senior auteur van de studie. "De traditionele focus lag op de prestaties van individuele turbines in een windpark, maar we moeten in plaats daarvan beginnen na te denken over het park als een geheel, en niet alleen als de som van de onderdelen ervan.
De opstelling in kielzog van windturbines kunnen het rendement van benedenwindse generatoren met meer dan 40 procent verminderen. Eerder hebben onderzoekers computersimulaties gebruikt om aan te tonen dat het verkeerd uitlijnen van turbines in heersende winden de productie van stroomafwaartse turbines kan verhogen. Maar de toepassing ervan in een echt windpark werd tot nu toe gehinderd door uitdagingen bij het vinden van een windpark dat bereid is om de normale werking van een experiment stop te zetten en bij het berekenen van de beste hoeken voor de turbine.
Eerst ontwikkelde de Stanford groep een snellere manier om de optimale uitlijnfouten voor turbines te berekenen, en ze te beschrijven in een studie, gepubliceerd op 1 juli in Proceedings of the National Academy of Sciences.
Vervolgens hebben ze hun berekeningen getest op een windpark in Alberta, Canada, in samenwerking met operator TransAlta Renewables. Het totale vermogen van het park steeg met 47 procent bij lage windsnelheden - afhankelijk van de hoek van de turbines - en met 7 tot 13 procent bij gemiddelde windsnelheden. Wake steering verminderde ook de variabiliteit van stroom die normaal gezien een uitdaging vormen bij windenergie.
"Door middel van wake steering produceerde de eerste turbine minder vermogen dan we hadden verwacht", aldus Michael Howland, Dokter in de werktuigbouwkunde, hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Maar we ontdekten dat de stroomafwaartse turbines door de verminderde wake effecten beduidend meer vermogen genereerden," aldus Michael Howland.
Variabiliteit
De variabele productie van windparken maakt het beheer van het net op twee belangrijke manieren moeilijker.
Exploitanten van windparken plaatsen hun turbines normaal gezien rechtstreeks in de wind. Nieuw onderzoek toont aan dat dat door de turbines lichtjes uit de wind te plaatsen, de wind wordt afgeleid naar de afwaartse windturbines en dit de productie van windparken verbetert.
Eén daarvan is de behoefte aan noodstroomvoorzieningen, zoals aardgasgestookte centrales en grote, dure batterijen. In de nieuwe studie was de vermogensverbetering bij lage windsnelheden bijzonder hoog, omdat turbines meestal niet meer onder een minimumsnelheid draaien, waardoor de productie volledig wordt beperkt en netbeheerders afhankelijk zijn van noodstroom. De onderzoekers ontdekten dat bij trage winden, de wake-sturing de hoeveelheid tijd verminderde dat de snelheden onder dit minimum zakten. Meer bepaald ’s nachts, wanneer windenergie meestal het meest waardevol ter aanvulling op zonne-energie, waren de voordelen het grootst.
De andere is de noodzaak om de hoeveelheid geleverde en verbruikte elektriciteit in een regio op elk moment exact op elkaar af te stemmen om het net betrouwbaar te houden. Luchtturbulentie van wakes kan de productie van windparken van minuut tot minuut doen fluctueren - een tijdsspanne die te kort is om een gasgenerator op te starten. Dit maakt het op elkaar afstemmen van vraag en aanbod voor de netbeheerders op zeer korte termijn meer uitdagend. Zij hebben daarvoor tools, maar deze tools kunnen duur zijn. In de studie reduceert wakesturing de korte termijn de variabiliteit van de energieproductie met 72 procent.
Bovendien kan het verminderen van de variabiliteit de eigenaars van windparken helpen hun bedrijfskosten te verlagen. Turbulentie in wakes kan de turbinebladen belasten en de reparatiekosten verhogen. Hoewel het experiment niet lang genoeg duurde om aan te tonen dat wakesturing de turbinemoeheid vermindert, geven de onderzoekers aan dat dit zou gebeuren.
"De eerste vraag die veel operators aan ons stellen is hoe dit de structurele gezondheid van hun turbines op lange termijn zal beïnvloeden," aldus Dabiri. "We werken nu aan het vaststellen van de exacte effecten, maar tot nu toe is gebleken dat je mechanische vermoeidheid daadwerkelijk kunt verminderen door middel van wake sturing.
Modellering en levensvatbaarheid op lange termijn
Om de beste invalshoeken voor deze studie te berekenen, hebben de onderzoekers een nieuw model ontwikkeld op basis van historische gegevens van het windpark.
"Het ontwerpen van windparken is typisch een zeer gegevens- en rekenintensieve taak", aldus Sanjiva Lele, hoogleraar in de lucht- en ruimtevaart en machinebouw. "In plaats daarvan hebben we vereenvoudigde wiskundige modellen opgesteld die niet alleen werkten, maar ook de numerieke last met ten minste twee ordes van grootte verminderden".
Deze snellere berekening kan exploitanten van windparken helpen om op grote schaal gebruik te maken van wakesturing.
"Ons model is in wezen plug-and-play omdat het gebruik kan maken van de locatiespecifieke gegevens over de prestaties van windparken," aldus Howland. "Verschillende parklocaties zullen het model kunnen gebruiken en hun turbinehoeken voortdurend kunnen aanpassen op basis van de windcondities.
Hoewel de onderzoekers niet in staat waren om een verandering in de jaarlijkse energieproductie te meten vanwege de beperkte duur van deze veldtest van 10 dagen, is de volgende stap, aldus Dabiri, het uitvoeren van veldtesten gedurende een heel jaar.
"Als we op het punt kunnen komen dat we deze strategie op grote schaal voor langere tijd kunnen toepassen, kunnen we de aerodynamica, de energieproductie en zelfs het landgebruik voor windparken overal optimaliseren," aldus Dabiri.
Dit onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation, een Stanford Graduate Fellowship en Stanford's TomKat Center for Sustainable Energy. De veldtesten werden uitgevoerd in samenwerking met TransAlta Corp.
