Ett kollektivt styrsystem ökade kraftproduktionen i ett treturbinsystem i Indien med 32 procent. Foto: Victor Leshyk/MIT

Nästan alla vindkraftverk, som producerar mer än 5 procent av världens el, styrs som enskilda, fristående enheter.  Dock är de flesta redan en del i en större vindkraftsanläggning som består av dussintals eller till och med hundratals turbiner och som skulle kunna samverka.

–Turbiner styrs enskilt och oberoende, detta för att de ska kontrolleras för att bara maximera sin egen kraftproduktion, som om de vore isolerade enheter utan skadlig inverkan på närliggande turbiner, säger MIT:s professor i civil- och miljöteknik Michael F. Howland i en forskningsrapport.

Idag placeras turbiner medvetet tätt intill varandra för att uppnå ekonomiska fördelar relaterade till markanvändning (på eller till havs) och till infrastruktur som tillfartsvägar och transmissionsledningar. Denna närhet gör att turbiner ofta påverkas starkt av den turbulens och uppvind som uppstår, en faktor som enskilda turbinstyrsystem för närvarande inte tar hänsyn till.

– Från en flödesfysisk synvinkel är att sätta vindkraftverk nära varandra i vindkraftsparker ofta det värsta du kan göra, menar Howland och förklarar att det ideala tillvägagångssättet för att maximera den totala energiproduktionen skulle vara att sätta dem så långt isär som möjligt, men det skulle öka kostnaderna.

Det är där Howlands och hans medarbetares arbete kommer in med en ny flödesmodell. Den förutsäger kraftproduktionen för varje turbin i en grupp beroende på de infallande vindarna i atmosfären och styrstrategin för varje turbin. Den är baserad på flödesfysik och lär sig modellen av operativa vindkraftsdata för att minska prediktiva fel och osäkerhet. Utan att ändra något på de fysiska turbinplaceringarna och hårdvarusystemen i befintliga vindkraftsparker, har de använt den fysikbaserade, datastödda modelleringen av flödet inom vindkraftparken, vilket resulterande i att kraftproduktionen för varje turbin kunde optimeras. Detta gör att de kan maximera produktionen från hela gruppen, inte bara de enskilda turbinerna.

Ökningen av energiproduktionen som de talar om kan tyckas blygsam - det är cirka 1,2 procent totalt och 3 procent vid optimala vindhastigheter. Men om energiökningen på 1,2 procent tillämpades på alla världens befintliga vindkraftsparker skulle det motsvara att lägga till mer än 3 600 nya vindkraftverk, eller tillräckligt för att driva cirka 3 miljoner hem, och en total vinst för kraftproducenterna på nästan en miljard dollar per år, säger forskarna. Och allt detta i princip utan kostnad.

Det nya systemet kan potentiellt tas i bruk snabbt och enkelt

– Det kräver ingen ytterligare hårdvaruinstallation. Vi gör egentligen bara en mjukvaruförändring, och det finns en betydande potentiell energiökning förknippad med det. Till och med en förbättring på 1 procent innebär att i en typisk vindkraftpark på cirka 100 enheter kan generera samma effekt med en turbin mindre, vilket sparar kostnaderna, vanligtvis miljoner dollar, förknippade med inköp, byggnad och installera den enheten.

Forskningen har publicerats i tidskriften Nature Energy.

Fakta
Idag känner varje turbin ständigt av den inkommande vindriktningen och hastigheten och använder sin interna kontrollmjukvara för att justera sin girvinkel (vertikal axel) så att den ligger så nära vinden som möjligt. Men i det nya systemet har exempelvis teamet funnit att genom att vrida en turbin bara något bort från sin egen maximala effektposition - kanske 20 grader från dess individuella topputgångsvinkel – kan en ökad medvind ge effekt på en eller flera enheter vilket kompensera för en liten minskning av produktion från den första enheten. Genom att använda ett centraliserat styrsystem som tar hänsyn till alla dessa interaktioner drevs samlingen av turbiner med effektnivåer som var så mycket som 32 procent högre under vissa förhållanden.