Claudia Muscari

Wind speelt een fundamentele rol in de energietransitie, en zal naar verwachting in 2050 de belangrijkste energiebron in de Europese Unie zijn. Trends op het gebied van windenergie zijn onder andere het vergroten van de afmetingen van de turbines en het clusteren ervan in windparken. Het gebied stroomafwaarts van een windturbine wordt het zog genoemd, en wordt voornamelijk gekenmerkt door een verminderde windsnelheid en een verhoogde turbulentie. Het clusteren van windturbines vraagt daarom om een goed begrip van de zogdynamica en om rekening te houden met zoginteracties, om zo de energieproductie en de levensduur van de turbines te maximaliseren.

Het regelen van windparken is de tak van windenergie die deze doelstellingen nastreeft, door de operatie van de turbines te coördineren. Door over te stappen van greedy control (waarbij elke turbine op zijn individuele optimum werkt) naar geavanceerdere strategieën wordt de energieopbrengst aanzienlijk verhoogd en de mechanische belasting van de turbines verlaagd.

Dit proefschrift richt zich op het dynamisch regelen van de inductie, om zo het vermogen van een windpark te optimaliseren. Dynamische regeling van de inductie bestaat uit het periodiek variëren van de inductiefactor, over het algemeen door de invalshoek van de turbinebladen te regelen, om de menging in het zog te verbeteren en zo de verminderde windsnelheid versneld te herstellen. De twee technieken die momenteel het veld domineren zijn de pulse en de helix. Deze berusten op sinusvormige aansturing van respectievelijk de collectieve of de individuele invalshoek van de turbinebladen. Ondanks een groot aantal numerieke en experimentele onderzoeken en, sinds kort, lineaire stabiliteitsanalyses, verhindert de beperkte kennis van de fysica van deze zogmanipulaties de vakgemeenschap om dynamische inductieregeling in te bedden in analytische modellen die toegepast kunnen worden in regeltechniek. Deze dissertatie pakt dit hiaat aan. De doelstelling van deze dissertatie is geformaliseerd als: “Ontwikkeling van numerieke methoden die op betrouwbare wijze de zogdynamica van windturbines modelleren als hulpmiddel voor het optimaal regelen van windparken.”

Het onderzoek is uitgevoerd in twee fasen: de ontwikkeling van een numeriek raamwerk en de karakterisering van dynamisch gemanipuleerde windturbinezoggen. De eerste deelvraag met betrekking tot het ontwikkelingsgedeelte was: Wanneer rechtvaardigt de nauwkeurigheid die verkregen kan worden door het koppelen van high-fidelity numerieke stromingsleer en numerieke mechanicamodellen de benodigde rekenkracht?

Deze vraag is ingegeven door de trend van toenemende rotorafmetingen: hoe groter de bladen worden, hoe groter hun flexibiliteit en het effect daarvan op het aero-servo-elastische gedrag van de rotor. Om deze vraag te beantwoorden hebben we de koppeling getest tussen het state-of-the-art high-fidelity raamwerk voor windturbines en aerodynamica van windparken SOWFA en het lineaire constructiemodel uit de FAST suite, ElastoDyn. Deze simulaties betroffen een geschaald windtunnelmodel (1:75) van de DTU 10MW turbine. De referentiegegevens zijn afkomstig van het UNAFLOW-project (2018). Deze experimenten zijn uitgevoerd in de atmosferische grenslaagtunnel van PoliMi met verschillende operationele parameters. Het onderzoek heeft geen algemene richtlijnen opgeleverd, maar gaf wel een goede indicatie of we in de vervolgstappen rekening moesten houden met het effect van elastische deformaties. We konden met name concluderen dat als de doorbuiging van de tip onder 4,2% van de bladlengte blijft, flexibiliteit geen merkbaar effect heeft op het zog. Deze conclusie vormde de leidraad voor de eerste methodologische keuze, om geen rekening te houden met flexibiliteit van de bladen. De volgende stap in de definitie van het numerieke raamwerk was om te focussen op het model van de windturbine, en na te gaan of dit model in staat is om betrouwbare resultaten te produceren. Het actuator line model is al meer dan tien jaar de meest gebruikte methode voor de simulatie van windturbines en van (kleine) windparken in academische toepassingen.

De tweede onderzoeksvraag in dit proefschrift was: Wat zijn de beperkingen van actuator line modellen voor windturbines, en hoe kunnen we deze aanpakken?

De motivatie voor het stellen en beantwoorden van deze vraag is dat het gebruik van verschillende actuator line modellen, en soms zelfs het gebruik van hetzelfde model door verschillende gebruikers, kan leiden tot zeer verschillende resultaten. Er is geen consensus over belangrijke configuraties, zoals het evalueren van de snelheid van de vrije luchtstroom en het kiezen van de breedte van de verdelingsfunctie die gebruikt wordt om de krachten op luchtstroming te projecteren. Deze dissertatie bespreekt hoe deze kwesties met elkaar samenhangen en stelt een alternatieve methode voor om de snelheid te evalueren. Uit vergelijking met de reeds bestaande technieken is de conclusie dat de resultaten die met onze alternatieve methode worden verkregen onafhankelijker zijn van de breedte van de verdelingsfunctie en beter overeenkomen met een referentie vermogenscurve. De stuwkrachtcurve, die vanwege de verbinding met het zog erg belangrijk is voor windparktoepassingen, komt echter minder goed overeen. Een algemene conclusie is dat, zelfs als het actuator line model de beste afweging tussen nauwkeurigheid en rekenefficiëntie garandeert voor de simulatie van windturbinezoggen, de formulering ervan in de kern moet worden herzien. De inzichten die uit deze ontwikkelingsfase voortkwamen, gingen over in de daaropvolgende karakteriseringsstudie. Hoe zeker we ook kunnen zijn van ons high-fidelity raamwerk, het is duidelijk dat het niet direct gebruikt kan worden voor de optimalisatie van regelstrategieën voor windparken, omdat dit idealiter in real-time zou moeten gebeuren.

Dit motiveert de laatste vraag: Kunnen we gebruik maken van de gedetailleerde gegevens die verkregen kunnen worden met high-fidelity simulaties om gemanipuleerd zoggedrag te karakteriseren en deze kennis in te bedden in modellen die toegepast kunnen worden in regeltechniek?

High-fidelity actuator line simulaties zijn uitgevoerd in zowel geïdealiseerde als realistische atmosferische omstandigheden en met zowel standaardregeling op turbineniveau als dynamische inductieregeling. Gegevens over de snelheid en druk in het zog zijn verzameld over een aanzienlijk tijdsbestek om een adequate database op te bouwen. De gegevens zijn georganiseerd in snapshotmatrices en ingevoerd in een algoritme voor dynamic mode decomposition (DMD). DMD splitst de gegevens op in ruimtelijke modes, scalaire amplitudes en signalen als functie van tijd. Dit maakt het geschikt voor de identificatie van dominante frequenties. De toepassingen in stromingsleer in het algemeen, en windenergie in het bijzonder, omvatten diagnostiek en voorspelling van toekomstige toestanden.

Op deze manier wordt een gereduceerd model verkregen, dat met slechts twee modes in staat is voor de geanalyseerde gevallen het volledige stromingsveld te reconstrueren, met een relatieve RMS fout van maximaal 9%. Dit is voldoende om de onderzoeksvraag positief te beantwoorden, maar de analyse van de afgeleide dynamische zogmodes leidt tot de volgende aanvullende conclusies.

Net als in eerdere studies blijkt de helix een effectievere technologie voor het maximaliseren van het vermogen dan de pulse (gegeven dezelfde signaalparameters), vooral in de tegen de klok in gaande variant. De dominante modes worden gekarakteriseerd door een frequentie die gelijk is aan die van de excitatie van de invalshoek en de hogere harmonischen daarvan. De tijdsafhankelijke ontwikkeling van de amplitudes en het ruimtelijke verval van modes zijn afhankelijk van de turbulentie-intensiteit. Het gebruik van de helix leidt altijd tot vermogenswinst op parkniveau, voor een neutrale stabiliteit van de atmosferische grenslaag en turbulentie-intensiteitsniveaus die representatief zijn voor offshore-operaties. De optimale frequentie ligt in een specifieke range van Strouhalgetallen (0,25 tot 0,4), maar is afhankelijk van zowel de instroom als van de beschouwde stroomafwaartse afstand. Tot slot worden in dit proefschrift enkele hypotheses besproken over hoe de helix het zog destabiliseert.

Samenvattend draagt dit proefschrift bij aan de huidige state-of-the-art op het gebied van windparkregeling door een betrouwbaar raamwerk te bieden voor high-fidelity simulaties en door het bevorderen van het begrip van dynamische inductieregeltechnieken zoals de helix en de pulse.