[論文レビュー] Generalisation of the two-scale momentum theory for coupled wind turbine/farm optimisation

Takafumi Nishino|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2018

Wind Energy Research and Development参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、上流・下流の圧力差を組み込むことで、2スケール運動量理論を、無限大に近いが有限の風力発電所における平均風力発電出力のモデル化に一般化する。25×25のアクチュエータディスクアレイの3次元RANSシミュレーションにより検証されたモデルは、地域大気モデルへの統合が可能であり、ブレード要素運動量理論と組み合わせることで、個々のタービンと風力発電所の統合最適化を可能にする。

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.

研究の動機と目的

• 理想化された非常に大きな風力発電所に限らない、現実の有限サイズの風力発電所にまで2スケール運動量理論を拡張すること。
• 風力発電所の上流と下流における圧力差の効果を運動量理論の枠組みに組み込むこと。
• 地域規模の大気モデルに埋め込めるよう、正確な風力発電所の出力予測を可能にするモデルの開発。
• 一般化された理論を用いて、個々の風力タービンと風力発電所全体の統合最適化を可能にすること。

提案手法

• 2スケール運動量理論に、風力発電所の上流と下流の間の追加の圧力差項を導入すること。
• 有限の発電所サイズと非一様な流れの効果を考慮した運動量バランス方程式の修正。
• アクチュエータディスクアレイ25×25の3次元レーノルズ平均ナビエ＝ストークス（RANS）シミュレーションを用いて理論的予測の妥当性を検証すること。
• 異なる風速および乱流強度の8つの異なる流れの条件をシミュレートし、モデルの頑健性を評価すること。
• 一般化された理論とブレード要素運動量（BEM）理論を組み合わせ、タービン・発電所の統合最適化を実現すること。
• 全条件において予測された平均出力とシミュレーション結果を比較することで、モデルの精度を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上流・下流の圧力差を組み込むことで、有限風力発電所における出力予測の精度がどの程度向上するか？
• RQ2 一般化された2スケール運動量理論は、多様な流れの条件下で平均風力発電所出力の予測にどの程度適しているか？
• RQ3 一般化されたモデルは、運用上の風力発電所予測を目的とした地域規模の大気モデルに効果的に統合可能か？
• RQ4 ブレード要素運動量（BEM）理論と組み合わせた場合、モデルの性能はいかがであるか？
• RQ5 一般化された理論の有効範囲は、異なる風力発電所のサイズおよび大気条件においてどの程度広がるか？

主な発見

• 一般化された2スケール運動量理論は、25×25のアクチュエータディスクアレイの全8条件のシミュレーションにおいて、平均風力発電所出力の正確な予測を達成した。
• 圧力差項の組み込みにより、有限風力発電所における元の2スケール理論に比べ、モデルの忠実性が顕著に向上した。
• モデルは3次元RANSシミュレーション結果と強く整合しており、理論的基盤の妥当性が裏付けられた。
• 風速および乱流強度の変動に対してもモデルは頑健であり、広範な適用可能性を示した。
• フレームワークは地域大気モデルと互換性があり、大規模な風力発電所の性能予測が可能となった。
• BEM理論との統合により、タービンと風力発電所の統合最適化に一貫した手法が可能となった。