Bedre computermodeller påkrævet til megavindmølleparker

I takt med at vindkraft bliver billigere, udarbejder udviklere af vindmølleparker planer for gårde, der er en størrelsesorden større end noget andet i dag, nogle med mere end 1.000 møller. Men der er et stort problem: Økonomien i vindmølleparker afhænger af nøjagtige forudsigelser af effekt, og det er langt sværere at modellere, hvordan sådanne store vindmølleparker vil opføre sig.

Skiftende vinde: En simulering viser virkningerne af turbulente kølvand på nedstrøms vindmøller. Turbulensen påvirker luft så højt som en kilometer over jorden.

På en skala fra flere hundrede til over tusinde vindmøller kan simulering af samspillet mellem så mange vindmøller i en række forskellige vejrforhold være for komplekst for nuværende computermodeller. Spørgsmålet kan have dybtgående konsekvenser for omkostningerne ved vindkraft og dens evne til at opskalere for at erstatte store mængder fossilt brændstof.

For omkring fem år siden betød dårlig dataindsamling og ineffektive computermodeller, at vindudviklere var tilbøjelige til at overvurdere energiproduktionen på deres farme med over 10 procent, nok til at ødelægge overskuddet og i nogle tilfælde forhindre dem i at betale tilbagebetaling af lån. Modellerne er blevet bedre, men springet til større vindmølleparker, og den stigende udbredelse af almindelige vindmølleparker bygget tæt nok sammen til at forstyrre hinanden, rejser problemet igen.

Nogle forskere og industrieksperter siger, at mens computermodeller er blevet gode til at estimere produktionen af ​​typiske vindmølleparker på mellem 50 og 100 vindmøller, vil de have problemer i meget større skalaer. Hvis du skulle gå til 1.000 vindmøller, ville industriens værktøjer begynde at gå i stykker, siger Keith Longtin, general manager for product management hos GE Power and Water.

Med milliarder af dollars på spil tager udviklerne af de nye, meget store vindmølleparker ekstraordinære foranstaltninger for at forsøge at forudsige strømudbyttet.

Byggeriet af en foreslået 1.000-turbine-megavindmøllepark, Chokecherry og Sierra Madre-projektet på Overland Trail-ranchen i Wyoming, forventes at begynde næste år.

Projektets udviklere har målt vindhastighed, retning, temperatur og andre vejrforhold på stedet i fem år (to år er standard). De har indsamlet data fra 32 sensorbesatte meteorologiske tårne, der rejser sig 60 til 80 meter over ranchens bølgende, salvie-børstedækkede bakker, sammen med målinger fra lydbaseret radar (kaldet sodar), der kan scanne vinden i højder op til 200 meter, højden af ​​nogle vindmøller.

Udviklerne har også brugt supercomputere til at køre data gennem de nyeste computermodeller, dem der er udviklet til at tage hensyn til den måde, vindmøller interagerer med hinanden på - når vinden bevæger sig gennem dem, skaber møllerne vågner, der kan forstyrre ydeevnen af ​​nedstrøms turbiner. De konkluderede, at vindmølleparken kunne generere mindst 8,76 milliarder kilowatttimer om året eller nok strøm til 770.000 hjem.

Et problem med de nuværende modeller er, at de ikke nøjagtigt repræsenterer variabiliteten af ​​vinden, ikke kun på jordniveau, men endda hundreder af meter over niveauet for vindmøller. Nyere forskning tyder på, at modeller under nogle vejrforhold dramatisk kan undervurdere vågnetab, siger Michael Drunsic, seniorkonsulent hos DNV KEMA, som hjælper udviklere med at vurdere vindkraftproduktionen. Vågerne bærer meget længere end tidligere anslået, siger han. Dette er ikke et stort problem i vindmølleparker, der kun har én række - såsom dem, der følger højdedrag. Men med store vindmølleparker med flere rækker, kan de længere kørsler påvirke mange vindmøller og sænke deres output.

Denne slags fund kan påvirke, hvordan vindmøller er arrangeret, især i større vindmølleparker med mange rækker af møller. Charles Meneveau, professor i maskinteknik ved Johns Hopkins University, har udviklet modeller for, hvordan meget store vindmølleparker forstyrrer luften op til en kilometer over dem. Baseret på nogle af hans simuleringer har han vist, at vindmøller faktisk bør placeres dobbelt så langt fra hinanden, som de plejer at få mest muligt ud af vinden. Men han siger, at hans nuværende modeller stadig ikke nøjagtigt kan forudsige meget store vindmølleparkers ydeevne - de ser kun på ydeevne i gennemsnitlige vindhastigheder, og vindmølleydelsen kan variere meget afhængigt af forskelle i vindforhold, siger han.

Men mens nye computermodeller identificerer udfordringer for store vindmølleparker, bringer de også nogle gode nyheder, siger Meneveau. Han har for eksempel vist, at turbulens, selvom det kan være et problem, også er afgørende for store vindmølleparker. Uden nogen turbulens ville de første rækker i en vindmøllepark i det væsentlige blokere vinden, hvilket begrænser antallet af rækker, der kan installeres. Han viste, at turbulens faktisk trækker vinden ned fra over vindmølleparken. Som følge heraf kan den sidste række i en vindmøllepark, mens den får noget mindre energi end den første række, stadig generere elektricitet, så længe vindmøllerne er placeret korrekt. Den dårlige nyhed er, at for store vindmølleparker vidste folk ikke helt, hvordan de skulle håndtere turbulens, siger han. Den gode nyhed er, at du kan gøre gården så stor, du vil, fordi du kan trække luft ned fra oven.

Meneveau siger, at modellerne også kan bruges til at optimere design og drift af vindmøller. Dem på forreste række kan for eksempel være programmeret til at orientere deres vinger for at tillade mere vind at passere forbi dem, og derved forbedre ydeevnen af ​​møller i efterfølgende rækker og dermed øge produktionen af ​​hele vindmølleparken. Relateret forskning udføres på National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado (se Nye designs tager vindkraft til det næste niveau, og vil vertikale turbiner gøre mere ud af vinden?).

Forbedrede computermodeller vil være afgørende for at sænke omkostningerne ved vindkraft, siger Drunsic. Jo mere præcise modellerne er, og jo mere sikker en udvikler kan være, jo lavere er finansieringsomkostningerne, siger han.

skjule