Wind-Turbine and Wind-Farm Flows: A Review

auteurs: Fernando Porté-Agel, Majid Bastankhah, Sina Shamsoddin

jaar: 2020

type onderzoek: review

tijdschrift & DOI nummer: Boundary Layer Meteorol. doi: 10.1007/s10546-019-00473-0

Relevantie: In dit artikel worden de effecten van turbulentie, de wake, achter windturbines beschreven in relatie tot het rendement en de levensduur van de turbines. Dát er een effect is op de leefomgeving/ het milieu achter de turbine wordt aannemelijk gemaakt, wát dat effect is, behoort niet tot de onderzoeksvragen van deze review. In combinatie met de erosie van de wieken van windturbines, lijkt deze vraag relevant vanuit het oogpunt van volksgezondheid. Des te meer omdat de bladen van windturbines met epoxyharsen zijn gemaakt, waaruit het schadelijke Bisfenol A vrijkomt, alsook het feit dat windturbines nog al eens naast autowegen worden geplaatst, alwaar veel fijnstof wordt gegenereerd.

Nederlandse samenvatting: Windenergie, samen met andere hernieuwbare energiebronnen, zal naar verwachting de komende decennia aanzienlijk groeien, en een sleutelrol spelen bij het beperken van klimaatverandering en het bereiken van energieduurzaamheid. Eén van de belangrijkste uitdagingen bij het optimaliseren van het ontwerp, de exploitatie, de controle en de net-integratie van windparken is de voorspelling van hun prestaties, vanwege de complexe tweerichtings-interacties, op diverse schaalniveaus, tussen windparken en de turbulente atmosferische grenslaag (atmospheric boundary layer = ABL). Vanuit een mechanisch perspectief worden deze interacties gecompliceerd door het hoge Reynoldsgetal* van de ABL-stroom, de inherente variaties ervan als gevolg van de dagelijkse cyclus en de altijd aanwezige temperatuurswisselingen én de variaties van de terreinen. Bijzonder belangrijk is het effect van ABL-turbulentie op de wake-flows van windturbines en hun opgeteld effect, omdat ze verantwoordelijk zijn voor aanzienlijke turbinevermogensverliezen en slijtage in windparken. Deze stromingsinteracties beïnvloeden op hun beurt de structuur van de ABL en de veranderingen van energie en variabelen. Deze review geeft een overzicht van recente experimentele, met de computer berekende, en theoretische onderzoeksinspanningen die gezamenlijk hebben bijgedragen aan het verbeteren van ons begrip en vermogen om de interacties van de ABL-stroom met windturbines en windparken te voorspellen.

* het Reynoldsgetal geeft de mate van turbulentie aan; een kleine waarde betekent een gelijkmatige stroming, een hoge waarde duidt op turbulentie.

Originele abstract: Wind energy, together with other renewable energy sources, are expected to grow substantially in the coming decades and play a key role in mitigating climate change and achieving energy sustainability. One of the main challenges in optimizing the design, operation, control, and grid integration of wind farms is the prediction of their performance, owing to the complex multiscale two-way interactions between wind farms and the turbulent atmospheric boundary layer (ABL). From a fluid mechanical perspective, these interactions are complicated by the high Reynolds number of the ABL flow, its inherent unsteadiness due to the diurnal cycle and synoptic-forcing variability, the ubiquitous nature of thermal effects, and the heterogeneity of the terrain. Particularly important is the effect of ABL turbulence on wind-turbine wake flows and their superposition, as they are responsible for considerable turbine power losses and fatigue loads in wind farms. These flow interactions affect, in turn, the structure of the ABL and the turbulent fluxes of momentum and scalars. This review summarizes recent experimental, computational, and theoretical research efforts that have contributed to improving our understanding and ability to predict the interactions of ABL flow with wind turbines and wind farms.

zoektermen: Atmosferische grondlaag, turbulentie, wake,