Forecasting wind power and turbine energy efficiency

Abstract

This dissertation presents a comprehensive methodology for modeling, simulating and forecasting the behaviour of turbulent airflow over complex terrain in the vicinity of wind farms, with a particular focus on addressing challenges associated with limited wind data availability. The goal of this approach is to enable accurate short-term energy production forecasting for wind turbines operating in such challenging environments. A case study of the Lavrio wind farm in Greece is utilized to illustrate and validate the methodology of this PhD research. The approach leverages vertical wind LIDAR measurements, coupled with a novel spatial extrapolation technique based on a CFD model (Wi.Sp.Ex), to reconstruct the airflow above the complex terrain of the wind farm. The k-ε turbulence model is employed to efficiently capture the near-wall flow behavior. Through a series of steady-state simulations with varying inlet conditions and initial values, the temporal evolution of the turbulent flow field is investigated, providing valuable insights into the complex interactions between wind and terrain. The Wi.Sp.Ex. model serves as the core physics-based component of the Wind Energy Extraction Latency (W.E.E.L.) model, which forecasts the 15-minute power production of a wind turbine by identifying its wind energy extraction latency and utilizing the Wi.Sp.Ex simulation results as wind speed forecasts. This integrated approach enables a more accurate and reliable prediction of short-term energy production, facilitating improved wind farm management and grid integration strategies. This methodology offers a promising solution for enhancing the accuracy and efficiency of wind resource assessment and wind farm design, particularly in complex terrain settings where traditional measurement and modeling approaches might fall short. By addressing the challenges associated with limited wind data availability and incorporating the temporal dynamics of the wind field, this approach contributes to the advancement of wind energy technology and its integration into the broader energy landscape.

Αυτή η διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία για τη μοντελοποίηση, την προσομοίωση και την πρόβλεψη της συμπεριφοράς της τυρβώδους ροής του αέρα σε σύνθετο έδαφος στην περιοχή αιολικών πάρκων, με ιδιαίτερη έμφαση στην αντιμετώπιση των προκλήσεων που σχετίζονται με τη περιορισμένη διαθεσιμότητα δεδομένων ανέμου. Ο στόχος αυτής της προσέγγισης είναι να καταστεί δυνατή η ακριβής βραχυπρόθεσμη πρόβλεψη της παραγωγής ενέργειας για τις ανεμογεννήτριες που λειτουργούν σε τέτοια απαιτητικά περιβάλλοντα. Μια μελέτη περίπτωσης του αιολικού πάρκου στο Λαύριο της Ελλάδας χρησιμοποιείται για να δείξει και να επικυρώσει τη μεθοδολογία αυτής της διδακτορικής έρευνας. Η προσέγγιση αξιοποιεί μετρήσεις από κατακόρυφο ανεμολογικό LIDAR, σε συνδυασμό με μια νέα τεχνική χωρικής παρεκβολής βασισμένη σε ένα μοντέλο CFD (Wi.Sp.Ex), για την ανακατασκευή της ροής του αέρα πάνω από το σύνθετο έδαφος του αιολικού πάρκου. Το μοντέλο τύρβης k-ε χρησιμοποιείται για την αποτελεσματική καταγραφή της συμπεριφοράς της ροής κοντά στον τοίχο. Μέσω μιας σειράς προσομοιώσεων σταθερής κατάστασης με ποικίλες συνθήκες εισόδου και αρχικές τιμές, διερευνάται η χρονική εξέλιξη του πεδίου τυρβώδους ροής, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για τις πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ του ανέμου και του εδάφους. Το μοντέλο Wi.Sp.Ex. αποτελεί το βασικό, θεμελιωμένο στη φυσική, συστατικό του μοντέλου Wind Energy Extraction Latency (W.E.E.L.), το οποίο προβλέπει την παραγωγή ισχύος μιας ανεμογεννήτριας σε διάστημα 15 λεπτών, αναγνωρίζοντας τον χρόνο καθυστέρησης στην εξαγωγή αιολικής ενέργειας και χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της προσομοίωσης Wi.Sp.Ex ως προβλέψεις για την ταχύτητα του ανέμου. Αυτή η ολοκληρωμένη προσέγγιση επιτρέπει μια πιο ακριβή και αξιόπιστη πρόβλεψη της βραχυπρόθεσμης παραγωγής ενέργειας, διευκολύνοντας τη βελτιωμένη διαχείριση των αιολικών πάρκων και τις στρατηγικές ενσωμάτωσης στο δίκτυο. Αυτή η μεθοδολογία προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη λύση για την ενίσχυση της ακρίβειας και της αποτελεσματικότητας της αξιολόγησης των αιολικών πόρων και του σχεδιασμού αιολικών πάρκων, ιδιαίτερα σε περιβάλλοντα σύνθετου εδάφους όπου οι παραδοσιακές προσεγγίσεις μέτρησης και μοντελοποίησης μπορεί να αποτύχουν. Αντιμετωπίζοντας τις προκλήσεις που σχετίζονται με την περιορισμένη διαθεσιμότητα δεδομένων ανέμου και ενσωματώνοντας τη χρονική δυναμική του πεδίου ανέμου, αυτή η προσέγγιση συμβάλλει στην πρόοδο της τεχνολογίας αιολικής ενέργειας και την ενσωμάτωσής της στο ευρύτερο ενεργειακό τοπίο.