[논문 리뷰] Generalisation of the two-scale momentum theory for coupled wind turbine/farm optimisation

Takafumi Nishino|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 05.

Wind Energy Research and Development참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 상류-하류 압력 차이를 고려하여 두 스케일 동역학 이론을 일반화하여, 크기는 크지만 유한한 풍력단지에서의 평균 풍력단지 출력을 모델링한다. 25×25개의 액추에이터 디스크 어레이에 대한 3차원 RANS 시뮬레이션을 통해 검증된 모델은 지역 대기 모델에 통합될 수 있으며, 블레이드 요소 동역학 이론과 조합될 경우 터빈-단지 통합 최적화를 지원한다.

ABSTRACT

An extended theoretical approach is proposed to predict the average power of wind turbines in a large finite-size wind farm. The approach is based on the two-scale momentum theory proposed recently for the modelling of ideal very large wind farms, but the theory is now generalised by introducing the effect of additional pressure difference induced by the farm between the upstream and downstream sides of the farm, making the approach applicable to real wind farms that are large but not as large as the size of the relevant atmospheric system driving the flow over the farm. To validate the generalised theoretical model, 3D Reynolds-averaged Navier-Stokes simulations of boundary layer flow over a large array (25 x 25) of actuator (drag) discs are conducted at eight different conditions. The results suggest that the generalised model could be embedded in a regional-scale atmospheric model to predict the average power of a given wind farm effectively. This approach may also be combined with the blade element momentum (BEM) theory for coupled wind turbine/farm optimisation.

연구 동기 및 목표

• 이dealized이고 매우 큰 풍력단지에 국한된 두 스케일 동역학 이론을 현실적인 유한 크기의 풍력단지로 확장하기 위해.
• 풍력단지의 상류와 하류 간 압력 차이의 영향을 동역학 이론 프레임워크에 통합하기 위해.
• 정확한 풍력단지 출력 예측을 위해 지역 규모 대기 모델에 통합될 수 있는 모델을 개발하기 위해.
• 일반화된 이론을 사용하여 개별 풍력터빈과 전체 풍력단지를 동시에 최적화할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 두 스케일 동역학 이론에 풍력단지의 상류와 하류 사이에 추가적인 압력 차이 항을 도입하기 위해.
• 유한한 단지 크기와 비균일한 유동 효과를 고려하기 위해 동역학 균형 방정식을 수정하기 위해.
• 액추에이터 디스크 어레이 25×25개에 대한 3차원 레이놀즈 평균 나비에-스토크스(RANS) 시뮬레이션을 수행하여 이론적 예측을 검증하기 위해.
• 다양한 바람 속도와 난류 강도를 고려한 여덟 가지 다른 유동 조건을 시뮬레이션하여 모델의 강건성 평가하기 위해.
• 일반화된 이론과 블레이드 요소 동역학(BEM) 이론을 조합하여 터빈-단지 통합 최적화를 위한 프로세스 개발하기 위해.
• 모든 조건에서 예측된 평균 출력과 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델 정확도 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상류-하류 압력 차이를 포함함으로써, 유한한 풍력단지에서의 출력 예측 정확도는 얼마나 향상되는가?
• RQ2 일반화된 두 스케일 동역학 이론은 다양한 유동 조건에서 평균 풍력단지 출력을 얼마나 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ3 일반화된 모델은 운영용 풍력단지 예측을 위해 지역 규모 대기 모델에 효과적으로 통합될 수 있는가?
• RQ4 블레이드 요소 동역학(BEM) 이론과 조합되었을 때, 모델의 성능은 어떠한가?
• RQ5 일반화된 이론의 유효 범위는 다양한 풍력단지 크기와 대기 조건에서 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 25×25 액추에이터 디스크 어레이의 모든 여덟 가지 시뮬레이션 조건에서 일반화된 두 스케일 동역학 이론이 평균 풍력단지 출력을 정확하게 예측한다.
• 압력 차이 항을 포함시킴으로써, 기존의 두 스케일 이론 대비 유한한 풍력단지에서 모델의 정밀도가 크게 향상된다.
• 모델는 3차원 RANS 시뮬레이션 결과와 강한 일치를 보이며 이론적 기반의 타당성을 입증한다.
• 다양한 바람 속도와 난류 강도에서 모델의 강건성이 뛰어나 넓은 적용 가능성을 보인다.
• 이 프레임워크는 지역 대기 모델과 호환되어 대규모 풍력단지 성능 예측이 가능하다.
• BEM 이론과의 통합은 터빈과 풍력단지를 동시에 최적화할 수 있는 일관된 접근법을 제공한다.