بهینه سازی نیروگاه های فرا ساحلی: مقایسه بررسی چیدمان های منظم و نامنظم توربین های بادی
محورهای موضوعی : مدیریت محیط زیست
مرتضی محرمخانی
1
,
آزاده نکویی
2
*
,
سیدمهدی بنی هاشمی
3
1 - گروه عمران و محیط زیست، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 - گروه عمران و محیط زیست، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
3 - گروه عمران و محیط زیست، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
کلید واژه: نیروگاههای فرا ساحلی, اثر گردابه, بهینه سازی نیروگاههای بادی.,
چکیده مقاله :
زمینه و هدف چیدمان توربینهای بادی در مزارع، به صورت منظم یا نامنظم، تأثیر قابل توجهی بر بازدهی کلی سیستم دارد. علیرغم اهمیت این موضوع، تفاوتهای عملکردی بین این دو نوع چیدمان تاکنون به طور کامل شناخته نشده است. برای اتخاذ تصمیمات آگاهانه در طراحی مزارع بادی جدید، ضروری است که مزایا و معایب هر یک از این دو نوع چیدمان به دقت بررسی و مقایسه شوند. از جمله مهمترین شاخصهای عملکردی یک مزرعه بادی میتوان به طرحهای بهینهشده و الگوریتمهای طراحی مورد استفاده اشاره کرد که نقش تعیینکنندهای در چیدمان نهایی توربینها ایفا میکنند.
روش بررسی: تأثیر چیدمان منظم و نامنظم مزرعه بادی بر شاخصهای عملکرد انتخابی از طریق یک مطالعه موردی مقایسه ای انجام شده. عملکرد هر دو طرح مزرعه بادی منظم و نامنظم بر اساس سه گروه شاخصهای عملکرد که شامل توان تولید شده، خستگی برج ناشی از گردابه، سیستم کابل کشی بین آرایه ای ارزیابی گردید.
يافتهها: عملکرد مزرعه بادی منظم و نامنظم بر اساس شاخص عملکرد توان تولید شده، خستگی برج ناشی از اثر گردابه و سیستم کابلکشی به ترتیب به صورت زیر میباشد:
- در مزرعه بادی نامنظم تولید انرژی سالانه بالاتر و پایداری بیشتری نسبت به جهت باد دارا میباشد. این ویژگی میتواند به طور غیرمستقیم منجر به کاهش هزینه عدم تعادل در بازار برق شود. پایداری بیشتری نسبت به جهت باد به این معنی است که توان خروجی نسبت به نوسانات جهت باد حساسیت کمتری دارد.
- حداکثر آشفتگی موثر در مدل فراندسن در مزارع بادی نامنظم 23.8% بیشتر از مزارع بادی منظم است؛ استفاده از حداقل فاصله بین توربینها برای بهبود اثر منفی بر آشفتگی موثر میتواند منجر به کاهش ۲۰ درصدی هزینه ها شود. برای بهبود عملکرد در طرحهای مزرعه بادی آینده، اجرای الگوهای توربین بادی نامنظم توصیه میشود. و همچنین حداقل فاصله بین توربین ها با توجه به سطوح آشفتگی اضافه شده اثر گردابه در نظر گرفته میشود.
- بهینه سازی کابلهای بین آرایه ای میتواند هزینه کابل ها در مزارع بادی منظم را تا 1.15% نسبت به مزارع بادی نامنظم افزایش دهد .
بحث و نتيجه گيری: در استفاده از الگوریتمهای بهینه سازی الگوهای نامنظم توربین بادی ذاتی میباشد. سه شاخص عملکرد انتخاب شده تا الگوهای منظم و نامنظم با یکدیگر مقایسه شوند. تعیین شاخصهای عملکرد ذکر شده، مستقل از سایت و فنی هستند که توسط یک تحلیل تصمیمگیری چند معیاره شناسایی میشود.
Background and Objectives: The arrangement of wind turbines in wind farms, either in regular or irregular patterns, significantly impacts the overall system efficiency. Despite the importance of this issue, the performance differences between these two layout types have not been fully understood. To make informed decisions in designing new wind farms, it is crucial to carefully examine and compare the advantages and disadvantages of each layout type. Among the most important performance indicators of a wind farm are the optimized designs and design algorithms used, which play a decisive role in the final turbine layout.
Material and Methodology: The impact of regular and irregular wind farm layouts on selected performance indicators was investigated through a comparative case study. The performance of both regular and irregular wind farm designs was evaluated based on three groups of performance indicators: power generation, tower fatigue due to wake effects, and inter-array cabling systems.
Findings: The performance of regular and irregular wind farms based on power generation, tower fatigue due to wake effects, and cabling systems was as follows:
- Annual energy production in irregular wind farms is higher and more stable with respect to wind direction. This feature can indirectly lead to a reduction in imbalance costs in the electricity market. Greater stability relative to wind direction means that power output is less sensitive to fluctuations in wind direction.
- The maximum effective turbulence in the Frandsen model is 23.8% higher in irregular wind farms compared to regular ones. Using the minimum distance between turbines to mitigate the negative impact on effective turbulence can lead to a 20% reduction in costs. To improve performance in future wind farm designs, the implementation of irregular wind turbine patterns is recommended. Additionally, the minimum distance between turbines should be considered in relation to the added turbulence levels of the wake effect.
- Optimizing inter-array cables can increase cabling costs in regular wind farms by up to 1.15% compared to irregular wind farms.
Discussion and Conclusion: The inherent nature of wind turbines leads to irregular patterns when optimization algorithms are applied. Three performance indices were selected to compare regular and irregular patterns. The determination of these performance indices is site-independent and technical, identified through a multi-criteria decision analysis.
1. Peter Musgrove. Wind Power. Number 9780521762380 in Cambridge Books. Cambridge University Press, Enero 2009. URL https://ideas.repec.org/b/cup/cbooks/ 9780521762380.html.
2. M. Z. Jacobson. Review of solutions to global warming, air pollution and energy security. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 73(13):A581–A581, 2009. ISSN 0016-7037. URL
3. S. Keivanpour, A. Ramudhin, and D. A. Kadi. The sustainable worldwide offshore wind energy potential: A systematic review. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 9(6):18, 2017. ISSN 1941-7012. doi: 10.1063/1.5009948. URL
4. S. Markarian, F. Fazelpour, and E. Markarian. Optimization of wind farm layout considering wake effect and multiple parameters. Environmental Progress & Sustainable Energy, 38 (5):16, 2019. ISSN 1944-7442. doi: 10.1002/ep.13193. URL
5. Bloothoofd, J. (2023). "A Multi-Objective Optimization Model for Offshore Wind Farm Operations & Maintenance Fleet Selection.
6. Regular definition of regular by oxford dictionary on lexico.com also meaning of regular, jul 2020. URL https://www.lexico.com/definition/regular.
7. Irregular | definition of irregular by oxford dictionary on lexico.com also meaning of irregular, jul 2020. URL https://www.lexico.com/definition/irregular.
8. B. Akay, D. Ragni, C. S. Ferreira, and G J W Van Bussel. Investigation of the root flow in a Horizontal Axis. Wind Energy, (July 2015):1–20, 2013. doi: 10.1002/we.
9. Nicolai Gayle Nygaard. Wakes in very large wind farms and the effect of neighbouring wind farms. Journal of Physics: Conference Series, 524(1), 2014. ISSN 17426596. doi: 10.1088/ 1742-6596/524/1/012162.
10. Naima Charhouni, Mohammed Sallaou, and Khalifa Mansouri. Realistic wind farm design layout optimization with different wind turbines types. International Journal of Energy and Environmental Engineering, 10(3):307–318, 2019. ISSN 22516832. doi: 10.1007/s40095-019-0303-2. URL https://doi.org/10.1007/s40095-019-0303-2.
11. Yassine Karouani and Ziyati Elhoussaine. Toward an intelligent traffic management based on big data for smart city, volume 37. 2018. ISBN 9783319744995. doi: 10.1007/ 978-3-319-74500-8_47.
12. Thomas Corke. Triton Knoll offshore wind farm. Wind Energy Design, 44(January):183–194, 2018. doi: 10.1201/b22301-8.
13. Grigorios Marmidis, Stavros Lazarou, and Eleftheria Pyrgioti. Optimal placement of wind turbines in a wind park using monte carlo simulation. Renewable Energy, 33:1455–1460, 2008. doi: 10.1016/j.renene.2007.09.004.
14. IEC. International standard IEC 61400-1, Wind turbines Part 1: Design requirements. International standard, 2005, 2005. URL www.iec.ch.
15. Junying Chang, Bart C. Ummels, Wilfried G.J.H.M. van Sark, Huub P.G.M. den Rooijen, and Wil L. Kling. Economic evaluation of offshore wind power in the liberalized Dutch power market. Wind Energy, 12(5):507–523, 2009. ISSN 10954244. doi: 10.1002/we.334.
16. Peter Yun Zhang. Topics in Wind Farm Layout Optimization: Analytical Wake Models, Noise Propagation, and Energy Production. 2013.
17. Souma Chowdhury, Jie Zhang, Achille Messac, and Luciano Castillo. Unrestricted wind farm layout optimization (uwflo): Investigating key factors influencing the maximum power generation. Renewable Energy, 38:16–30, 2011. doi: 10.1016/j.renene.2011.06.033.
18. Stephan Meier and Philip C. Kjr. Benchmark of annual energy production for different wind farm topologies. PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference, 2005: 2073–2080, 2005. ISSN 02759306. doi: 10.1109/PESC.2005.1581918.
19. Shafiul Murshed Maruf. WIND RESOURCE ASSESSMENT AND SITE SUITABILITY Dissertation in partial fulfillment of the requirements for the degree of WIND RESOURCE ASSESSMENT AND SITE SUITABILITY. page 69, 2015. URL http://www.diva-portal.org/smash/get/ diva2: 824303/ATTACHMENT01.pdf.
20. Victor Igwemezie, Ali Mehmanparast, and Athanasios Kolios. Current trend in offshore wind energy sector and material requirements for fatigue resistance improvement in large wind turbine support structures – A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 101(October 2018): 181–196, 2019. ISSN 18790690. doi: 10.1016/j.rser.2018.11.002. URL https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.11.002.
21. Peter Frohboese and Christian Schmuck. Thrust coefficients used for estimation of wake effects for fatigue load calculation. European Wind Energy Conference and Exhibition 2010, EWEC 2010, 5:3434–3444, 2010.
22. Tim Cooper and Burton Street. Product Lifetimes and The Environment conference proceedings. 2015. ISBN 9780957600997.
23. Katherine Dykes, Rick Damiani, Owen Roberts, and Eric Lantz. Analysis of ideal towers for tall wind applications. Wind Energy Symposium, 2018, (210029), 2018. doi: 10.2514/6. 2018-0999.
24. Victor Igwemezie, Ali Mehmanparast, and Athanasios Kolios. Materials selection for XL wind turbine support structures: A corrosion-fatigue perspective. Marine Structures, 61(May 2018): 381–397, 2018. ISSN 09518339. doi:10.1016/j.marstruc.2018.06.008.URL ttps:// doi.org/10.1016/j.marstruc.2018.06.008.
25. A. Endegnanew, H. Svedsen, R. Torres-Olguin, and L. Faiella. Design procedure for in array electric design. EERA DTOC report, 2013. URL http://www.eera-dtoc.eu/wp-content/ uploads/files/D2.2-Design-procedure-for-inter-array-electric-design.
26. Martina Fischetti and David Pisinger. Optimizing wind farm cable routing considering power losses. European Journal of Operational Research, 270(3):917–930, 2018. ISSN 03772217. doi:10.1016/j.ejor.2017.07.061. URL https://doi.org/10.1016/j.ejor.2017.07.061.
27. Anna Ferguson, Phil De Villiers, Brendan Fitzgerald, and Jan Matthiesen. Benefits in moving the inter-array voltage from 33 kV to 66 kV AC for large offshore wind farms. European Wind Energy Conference and Exhibition 2012, EWEC 2012, 2(1):902–909, 2012.
28. Javier Serrano González, Manuel Burgos Payán, Jesús Manuel Riquelme Santos, and Francisco González-Longatt. A review and recent developments in the optimal wind-turbine micro-siting problem. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30:133–144, 2014. ISSN 13640321. Doi: 10.1016/j.rser.2013.09.027. URL http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2013. 09.027.
29. Martin Shan. Load Reducing Control for Wind Turbines: Load Estimation and Higher Level Controller Tuning based on Disturbance Spectra and Linear Models. 2017. URL https://kobra.bibliothek.unikassel.de/bitstream/urn:nbn:de:hebis:342017050852519/3/DissertationMartinShan.pdf. 30. Borssele Wind and Farm Zone. Site Studies Wind Farm Zone Borssele. Technical report, 2015. URL https://english.rvo.nl/sites/default/files/2015/02/ SiteStudiesWindFarmZoneBorssele{_}MorphodynamicsofBorsseleWindFarmZone.pdf.