En numerisk studie av vake-fluktuasjons-effekten fra en vindturbin på kraftproduksjonen til Hywind Tampen

Abstract

For å sikre gjennomførbarhet av en betydelig reduksjon i klimagassutslipp i energisektoren, så er det essensielt med ny innovativ teknologi og omfattende kunnskap. Flytende offshore vindteknologi kan være en viktig faktor hvis storskala offshore vindparker blir utviklet effektivt og sikkerhetsmessig. Denne bacheloroppgaven vil ta for seg de viktigste dynamiske aspektene ved utvikling av vaken fra en vindturbin. Dette innebærer også fluktuasjonen av vaken, som det foreløpig kun finnes hypoteser om, og hvilke effekter det vil ha på kraftproduksjon til en vindpark. Studiet benytter programmet SIMA-DIWA som sorteres under den moderate kategorien av programmer for gjengivelse av vakens karakteristikk. Studiet vil vise til påliteligheten av programmet gjennom en pålitelighetsanalyse, samt pragmatisk optimalisere en vindpark innenfor Equinors rammebetingelser. Denne parken vil bli referert som den alternative konfigurasjonen. I tillegg etterlignes deres konfigurasjon, navngitt originalt oppsett, som grunnlag for sammenligning. En oppskalert versjon vil også bli presentert som et ekstra sammenligningsgrunnlag for å vise til effekter som følge av større avstand mellom turbiner.

Formålet med studiet er å belyse viktigheten av vake-vandringseffekten med tanke på hastighetstap, effektproduksjon for turbiner påvirket av vake, og dens effekt på materialet. Dette ble gjort via en omstendelig prosess ment for å representere så mange aspekter assosiert med vindpark prosjektering, som mulig. Det innebærer utregning av totalproduksjon, samt en simplifisert økonomisk- og utslippsanalyse.

Det er gjort signifikante metodiske forenklinger og antagelser for å kunne utføre studien på en tidseffektiv måte. Antagelser relatert til innstrømningsforhold ble gjort på grunn manglende data. Det ble gjort antagelser i etterligningen av park-konfigurasjonen ettersom nøyaktige koordinater til parken var konfidensielle. Optimaliseringsprosessen ble forenklet i den grad at det ikke ble programmert en optimaliseringsalgoritme, men i stedet ble en pragmatisk prosess utført ved iterative utregninger i DIWA og Paraview (visualiseringsverktøy). Når det gjelder programmets pålitelighet, belyser rapporten de viktigste elementene som fører til unøyaktighet i beskrivelsen av vaken, og hva som eventuelt burde implementeres.

Resultatene viser verdier fra simuleringer i DIWA. De tre forskjellige konfigurasjonene er simulert og effektkurver vist med en vindretning på 90{\degree} (fra sør). Resultater fra de ulike konfigurasjonene blir sammenlignet og diskutert. Hastighetskurver fra simulering av den mest utsatte vindretningen for den originale og den alternative konfigurasjonen er vist, de respektive vindretningene er 100{\degree} og 0{\degree} i disse tilfellene. Det blir utdypet om hastighetskurvene, og en diskusjon av dem legger vekt på vake fluktuasjonen og mekaniske belastinger på rotoren. Videre er limitasjoner i DIWA og analysen utgreid om.

Hovedfunnene i prosjektet viser større vake-vandringseffekt for turbin-konfigurasjoner spredd over et mindre areal. Det ble også observert forskjell i total produksjon for en park med typisk matrisekonfigurasjon, sammenlignet med studiets alternative turbinsammensetning. Estimert årlig produksjon for de tre konfigurasjonene er henholdsvis 488.5 GWh for den originale, 497.6 GWh for den oppskalerte og 486.2 GWh for den alternative konfigurasjonen. Videre avslørte optimaliseringsprosessen at en reduksjon i turbin avstand kan bidra til redusert vakepåvirkning i særstilte tilfeller.

To ensure the feasibility of a significant reduction in greenhouse gas emissions in the energy sector, innovative technology, and comprehensive knowledge are essential. Floating offshore wind technology can be an important factor if large-scale offshore wind farms are developed efficiently and safely. This bachelor thesis considers the most important dynamic aspects of wake-development behind a wind turbine. It also implies fluctuation of the wake (wake meandering), which there are currently only hypotheses about and its effect on power production for a wind farm. The study applies the SIMA-DIWA software which is characterized as a mid-fidelity tool for rendering wake characteristics. The study will validate the software through a reliability analysis, and pragmatically optimize a wind farm within Equinor's framework. This solution will be referred to as the alternative configuration. In addition, a replica of Equinor's configuration, referred to as the original layout, is made and used as a basis for comparison. An up-scaled version will also be presented to show the effects of applying greater spacing between turbines.

The purpose of the study is to elucidate the importance of wake meandering effect with regard to velocity deficit, power production for wake-affected turbines and its effect on fatigue loads. This was done through a thorough process meant to represent as many aspects associated with wind farm engineering as possible. It involves calculating total production, as well as a simplified economic- and emission analysis.

Significant methodological simplifications and assumptions have been made in order to carry out the study in a time-efficient manner. Assumptions related to inflow conditions were made due to inadequate data. Additional assumptions related to the replication of Equinor's wind farm configuration had to be made, as accurate coordinates were confidential. The optimization process was simplified to the extent that no optimization algorithm was applied, instead, a pragmatic process was performed by iterative calculations in DIWA and Paraview (visualization tool). Regarding the program's reliability, the report highlights the most important elements that lead to inaccuracy in the wake-prediction, and what should possibly be implemented.

The results are retrieved from simulations in DIWA. The three different configurations are simulated and power curves are shown with a wind direction of {90\degree} (from south). Results from the distinct configurations are compared and discussed. Velocity curves from worst-case simulations for the original and alternative layout are exposed, with respective inflow angles at 100{\degree} and 0{\degree}. Velocity curves are elaborated, and the discussion on them emphasizes wake meandering and mechanical loads on the rotor. Furthermore, limitations in DIWA and the analysis are discussed.

The main findings of the project correlate greater wake effect meandering for turbine configurations spread over a smaller area. A difference in total energy production was also observed for a wind farm with a typical array-configuration, compared to the study's alternative turbine composition. The estimated annual energy production for the three configurations is 488.5 GWh for the original, 497.6 GWh for the up-scaled and 486.2 GWh for the alternative configuration, respectively. Furthermore, the optimization process revealed that a reduction in turbine distance can contribute to reduced wake effect in particular cases.