Turbulens er et problem som ikke bare er knyttet til ubehagelige flyturer. En uforstyrret horisontalt blåsende vind er unntaket heller enn regelen i en vindpark der turbinene står på rekke og rad, siden hver turbin gir turbulens og svekkelse av vindhastigheten for turbinene bak. Selv små variasjoner i horisontal vindhastighet kan gi store utslag på energiproduksjonen.
På figuren nedenfor ser en hvor mye en typisk 2 MW vindturbin produserer i funksjon av vindhastigheten. I dette eksempelet vil det ikke være produksjon hvis vindhastigheten er under 3 m/s eller over 23 m/s, såkalte cut-in- og cut-out-verdier. En ser også at hvis vindhastigheten faller fra for eksempel 11 til 10 m/s vil det utgjøre en forskjell på rundt 300 kW. Det er klart at slike fall i produksjonen vil fort gi store økonomiske utslag. Mye arbeid legges derfor ned i å skape nye verktøy for å optimere plasseringen av turbinene.
En beregning av vindfeltet i parken kan gjøres ved å løse de fysiske ligningene for vindhastighet, temperatur og trykk på datamaskin – altså ved bruk av CFD-koder.
Detaljerte kontra raske beregninger
I CFD-koden legger man inn modeller av turbinene og løser de tilhørende ligningene for vinden. Hovedproblemet er tid – å beregne vindfeltet med god nok presisjon kan ta dager, og for hver gang en turbin flyttes, må hele utregningen gjøres på nytt.
På Christian Michelsen Research (CMR) jobbes det med en ny programvare som skal bruke et utvalg av CFD-beregninger for å løse posisjonsproblemet. Idéen er at dette utvalget av beregninger danner byggeklosser som brukes videre av programvaren. Når man begrenser seg til å bruke disse byggeklossene, vil beregningene gå veldig raskt, ofte på bare noen sekunder. Dette gjør det mulig å teste ut et stort antall konfigurasjoner av turbinene på kort tid for å finne den plasseringen som gir størst energiproduksjon.
Men hvordan kan en sikre seg at resultatene blir nøyaktige nok? Her må utvalget av CFD-kjøringer som gir oss byggeklossene være representativt for problemet en ønsker å se på. Med et uendelig antall utvalgte CFD-kjøringer vil en selvfølgelig få alt det en trenger, men da har en jo allerede løst posisjonsproblemet med CFD. Hvor sier en stopp – er dette et godt nok kompromiss?
Hvis energiproduksjonen blir godt nok estimert, kan en overse at vindfeltet ikke er like godt beregnet overalt. Programvaren som er i utvikling er testet med et lite antall turbiner. En av problemstillingene vi har sett på er som følger: vi har en rekke med ti turbiner – hva vil energiproduksjonen for hver turbin være hvis vi justerer avstanden mellom disse? Vi kjører CFD-simuleringer der distansen mellom turbinene er lik 5 og 9 rotordiameter for å lage grunnleggende byggeklosser for videre beregninger. Kan vi da med vår programvare raskt regne ut hva energiproduksjonen blir når distansen er 7 rotordiameter? Rotordiameteren er avstanden mellom laveste og høyeste punkt som kan nås av den roterende delen av vindturbinen. I vårt tilfelle er det 76 meter.
Lovende resultater
Resultatene er lovende og simuleringene med den nye programvaren er gjort nærmest i sanntid: en kan flytte turbinene og vindfeltet blir nesten umiddelbart oppdatert. Avviket for den totale energiproduksjonen mellom den nye teknikken og CFD ligger typisk på under 3 prosent, som gjør den godt egnet til å optimere plasseringen av turbinene. En kan så verifisere sluttresultatet ved å kjøre en siste CFD-simulering.
Vi har også testet effekten av å dreie vinden, og av å flytte turbiner inn og ut av vindskyggen generert av andre turbiner. Neste steg er å teste ut om verktøyet gir pålitelige resultat når en har med en reell vindpark å gjøre. CMR har, gjennom NORCOWE, fått tilgang til data fra Statoils vindpark på Sheringham Shoal, som er en vindpark eid av Statoil og Statkraft. NORCOWE er et forskningssenter på offshore vind, der CMR står som vertskap.
Det skal bli spennende å gjøre sammenligningene med reelle produksjonsdata. Vi er meget fornøyd med å ha en så god dialog med Statoil på dette feltet. Teknikken som brukes her er ikke ny, men har ikke tidligere vært brukt i forbindelse med vindparksimuleringer, så vidt vi vet.
Teknologioverføring
Et annet interessant anvendelsesområde er datavisualisering. Et eksempel er visualiseringen av en bil som kjører gjennom en stor haug med løv, der løvet blir løftet opp av bakken og blåser i alle retninger. Med en tradisjonell teknikk hadde dette vært en umulig oppgave å visualisere i sanntid, men den nye teknikken klarer det. Teknologioverføring er et høyaktuelt tema, spesielt i disse dager når olje- og gassindustrien sliter.