Grote wervel simulatie van vliegersystemen en -parken in de atmosferische grenslaag

Airborne wind energy (AWE – NL: windenergie op grote hoogte) is de overkoepelende benaming voor vliegende apparaten die met een kabel aan een lier gekoppeld zijn en die energie opwekken uit de wind op grote hoogte. Deze opkomende technologie is de kweekvijver voor een divers ecosysteem van bedrijven en onderzoeksinstellingen die talrijke systeemarchetypes en prototypes ontwikkelen. Het zog van vliegende windenergiesystemen worden doorgaans verwaarloosd voor de kleinschalige prototypes die momenteel worden ontwikkeld. Hierdoor is er weinig of niets bekend over de vorm, de sterkte of de grootte van het zog van deze systemen. In het bijzonder voor de toekomstige toepassing van grootschalige vliegende windenergiesystemen in windparken kan het nadelige effect van het zog een belangrijke rol spelen in de levensvatbaarheid van de technologie. Het hoofddoel van dit proefschrift is het onderzoeken van het zog van vliegende windenergiesystemen en het vaststellen van het effect van het zog op de energie opgewekt door grote windparken.

In dit proefschrift wordt de wind gemodelleerd door middel van large-eddy simulations (NL: simulaties van grote wervelingen) met behulp van de SP–Wind software ontwikkeld aan de KU Leuven, België. De software is uitgebreid om vliegende windenergiesystemen en hun interactie met de wind in de berekeningen mee te nemen. Binnen SP–Wind wordt de windomgeving gemodelleerd als drukgedreven grenslaag en gekoppeld aan een vluchtsimulator voor AWE systemen door middel van actuatormethodes. Voor de vluchtsimulator wordt de softwarepakket voor modellering en optimale controle awebox ontwikkeld aan de Universiteit van Freiburg, Duitsland gebruikt. De mogelijkheden van het simulatie framework worden eerst beoordeeld voor vereenvoudigde configuraties die lijken op de werking van conventionele windturbines en AWE systemen die vooraf gedefinieerde trajecten vliegen.

In twee eerste studies worden significante ringvormige zoggen geïdentificeerd. De unieke kenmerken van het haaks op de wind vliegen leiden tot complexe stromingsstructuren en interacties met de wind. Waar de zoggeneratie continu is voor conventionele windturbines en AWE systemen met de generatoren aan boord, wordt de zoggeneratie door de systemen die gebruik maken van een pompcyclus periodiek onderbroken. Door de hoge krachten die samenhangen met haaks op de wind vliegen, ontstaat er tijdens de energieopwekkende fase een zog. Door het verlagen van de krachten tijdens de energieconsumerende fase zwakt deze af.

In een volgende stap is een regelsysteem op basis van niet-lineaire modelvoorspelling toegevoegd aan het framework. Deze toevoeging maakt volledig gekoppelde simulaties van windparken mogelijk. Ter voorbereiding van de simulaties van windparken, worden gedetailleerde onderzoeken van toekomstige systemen met de generatoren op de grond en aan boord uitgevoerd. De evaluatie van pompende systemen heeft de interactie van de vlieger met zijn eigen zog aan het licht gebracht. Het verlagen van de uitrolsnelheid van de lier conform inductiegebaseerde restricties kan de vlieger-zog interactie aanzienlijk verminderen.

Tenslotte worden zoginteractie en het opgewekte vermogen onderzocht in de context van windparken, waarbij drie parkconfiguraties worden geëvalueerd. De verschillende parkconfiguraties bestaan uit 25 systemen blootgesteld aan volledig turbulente instroomomstandigheden die worden verkregen met behulp van gescheiden gelijktijdige simulaties. De eerste parkconfiguratie bestaat uit pompende vliegende windenergiesystemen, gerangschikt in een park met gemiddelde dichtheid. De twee andere parkconfiguraties bestaan uit systemen met de generatoren op de vlieger gerangschikt in gematigde en hoge dichtheid. Het framework combineert de simulatie van grote wervels met de simulatie van de geautomatiseerde vlucht en geeft een goed beeld van de complexe interactie tussen het windpark en de virtuele windomgeving. De gecombineerde effecten van zog- en tracking-geïnduceerde vermogensverliezen, die specifiek zijn voor de onderzochte parkconfiguraties, leiden tot een parkefficiëntie van ongeveer 82% voor het park met de pompende systemen en 89% en 75% voor respectievelijk het gematigde en hoge dichtheid park met systemen met de generatoren op de vlieger.