Tidsavhengige modeller for beregning av energiproduksjonen i vindparker: Vindparksimulator

Versjon 1.0 av vindparksimulatoren (WFS) ble ferdigstilt høsten 2014. Simulatoren er testet for Smøla og resultatene viser god nøyaktighet for de beregnede tidsseriene av energiproduksjon for hele vindparken og for hver enkelt turbin. Eksempelvis så viser beregninger der det tas hensyn til tidsvariasjonen i lufttetthet opptil 3% endret produksjon på månedsbasis. I WFS er også driften av turbinene lagt inn. Driftstans for en enkelt turbin vil påvirke vaker og energiproduksjon for andre nedstrømsturbiner i parken og dette er det tatt hensyn til i WFS. Tidsavhengige vakeberegninger for hver enkelt turbin er også implementert. Dette er funksjonalitet som ikke er med i industristandardmodeller og representerer en betydelig mer realistiske beregninger av energiproduksjonen enn disse. En forutsetning for å utvikle en vindparksimulator som kan øke nøyaktigheten i vindparkberegningene er god tilgang til observasjoner av vind, turbulens og energiproduksjon fra vindparker i drift. I dette prosjektet er slike data tilgjengelige fra Statkraft sine parker Smøla, Kjøllefjord og Sheringham Shoal. Det er gjennomført en grundig kvalitetskontroll avde tilgjengelige dataene fra hver av vindparkene som en del av prosjektet. Dette har vært viktig for testing og utvikling av vindparksimulatoren. Vår målsetning har også vært at vindparksimulatoren skal være koplet til en avansert modul der vind- og turbulensfeltene kan gis en realistisk beskrivelse både i tid og rom i et område med kompleks topografi. En avansert Large Eddy Simulation (LES) modell er derfor implementert og testet ut for Smøla. En god del av arbeidet med denne modellen har bestått i å tilordne riktige inngangsdata (terreng og bakkeparametre) og å spesifisere de meteorologiske inngangsdataene fra mesoskala modellen. Realistiske korttidsvariasjoner i vindfeltene vises i beregningene, samtidig ser vi også avvik i det vertikale vindprofilet nær bakken. For Kjøllefjord vindpark som ligger i moderat komplekst terreng er modelleringen av de lokale vindforholdene av større betydning enn vakemodellene for å oppnå nøyaktige energiberegninger. Ved å gjøre beregninger med 333m x 333m oppløsning med mesoskala modellen har vi vist at vi er i stand til å forbedre beregningene av vindforholdene i parken. Bruk av denne modellen forbedret estimatene av vindenergi betraktelig i forhold til bruk av mikroskala modeller som WaSP og WindSim som mangler beskrivelse av atmosfærisk stabilitet og andre mesoskala effekter fra terreng omkring parken. En stor vindpark kan på virke vindfeltet som nærmer seg vindparken gjennom oppbremsing, forsterkning, og avbøyning av vindfeltet. For å kunne kvantifisere slike effekter må det anvendes en modell der tilbakekoplingen fra vindparken på vind- og trykkfeltene er beskrevet. Dette er mulig med en mesoskala modell der vindturbinene i vindparken er lagt inn i beregningene. Slike beregninger er nå gjennomført for Smøla og ble presentert på den Europeiske Vindenergikonferansen (EWEA) i 2014. I prosjektet ble det også arbeidet med en modell for å forbedre beregningen av det vertikale vindskjæret over rotorplanet. Modellen er testet og gir forbedret beregning av vindskjær sammenlignet med resultater fra industristandardmodellen WAsP og mesoskala modellen WRF. Modellen er implementert i WFS blir også benyttet for å kunne gjøre bruk av rotor ekvivalent vindhastighet i energiberegningene. Versjon 1.0 av vindparksimulatoren er en fult ut fungerende simulator med flere ulike moduler for beregning av vaker, turbulens, vindskjær, tetthet, tilgjengelighet og annet i tidsdomenet. Implementeringen er modulbasert slik at videre utvikling av modellen ved å legge til nye moduler enkelt kan gjennomføres. Vindparksimulatoren kan benyttes som et fullverdig verktøy til å gjennomføre foranalyser av en vindparks forventede energiproduksjon. Simulatoren er meget godt egnet til å gjennomføre etteranalyser av energiproduksjon, særlig med tanke på den unike håndteringen av operasjonell status til hver enkelt turbin i beregningene. Vindparksimulatoren er også i operasjonell drift for varsling av produksjon i en vindpark med tanke på planlegging av drift og vedlikehold for parken.

Nøyaktige beregninger av forventet energiproduksjon for en planlagt vindpark er svært viktige før investeringsbeslutningen for vindparken tas. En av de viktigste manglene ved dagens industristandardmodeller for energiproduksjon er at de ikke tar hensyn ti l tidsavhengige ikke-lineære variasjoner i de fysiske parametrene som styrer energiproduksjonen time for time. I stedet er dagens modeller basert på årsmiddelvind og statistiske fordelinger av vindhastighet og -retning. Dagens industristandardmodeller ble utviklet for 10-20 år siden da kravet til nøyaktighet og størrelsen på vindparkene var betydelig mindre enn dag. Utviklingen i energiberegningsmodellene for vindparker har imidlertid ikke holdt tritt med den raske utviklingen i størrelsene på vindparkene og investeringene i vindenergi. For mange vindparkområder eksisterer det vindmålinger med 10 min tidsoppløsning. I tillegg finnes data for turbulens og vertikalt temperaturprofil. Fysiske parametre fra numeriske mesoskalamodeller er også tilgjengelige, vanligvis som timedata i et horisontalt gitter med 1km horisontal oppløsning. Mikroskala modeller som LES og CFD modeller som gir detaljerte beregninger innenfor et parkområder er også tilgjengelige. Ved å kombinere vindmålinger, mesoskalamodeller, og mi kroskalamodeller for vindparkområdet, vil en detaljert basis for tids- og romavhengig analyse oppnås. Industripartneren Statkraft har tilgang til vindmålinger og energiproduksjonsdata fra Norge og Sverige som er godt egnet for modellutvikling og testing . Videre har Universitetet i Oslo høy kompetanse innen utvikling og anvendelse av meso-skala modeller og LES modeller. Til sammen vil dette utgjøre en unik base av datamateriale, modellverktøy og kunnskap for å utvikle nye og forbedrete industristandardm odeller for vindkraftindustrien. Prosjektet vil representere en betydelig nyskapning for norsk vindkraftindustri og kunne legge grunnlag for en betydelig nyskapning og produktutvikling (se vedlegg for beskrivelse).