Ph.d.-kandidat Franz Volker Mühle har undersøkt luftstrømmene bak vindmøller med sikte på å forbedre utformingen og driften av vindparker. Han fant at ved å begrense vakestrømmene bak bladene kan effekten av vindkraftanlegget økes betydelig.
Klimaendringene og konsekvensene av dem gjør at behovet for ren energi fortsetter å øke. En av de største utfordringene er skiftet fra konvensjonelle energikilder som kull og olje, til fornybare energikilder. En annen utfordring er å bruke disse så effektivt som mulig.
– Optimalisering er viktig, forklarer NMBUs doktorgradskandidat Franz Volker Mühle.
Nøkkelen ligger i effektiviten
– I dagens fornybare energisystem spiller vindenergi en viktig rolle, sier han.
Vindkraftanlegg er storskala installasjoner og svært synlige inngrep i landskapet.
– De må være så effektive som mulig, sier Mühle.
Han har brukt de siste fire årene til å undersøke dem under ulike forhold.
Eksperimenter i laboratoriet
Målet med Mühles arbeid har vært å bedre forstå vaken av en vindturbin ved ulike design, strømningsregimer og driftsforhold. Han har testet effekten av å modifisere rotordesignet ved å endre antallet blader og ved å legge til såkalte winglets. Sistnevnte er de oppadgående, aerodynamiske finnene som brukes på luftfartøy, som kommersielle fly. Videre har han også undersøkt effekten av yaw feiljustering, hvor turbinen ikke er justert normalt vindretningen, men tiltet for å avbøye vaken. Forsøkene ble utført i laboratorier ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) i Trondheim.
Fordelen med wingleter
Mühles eksperimenter viste at det kan gjøres tiltak for å forbedre enkeltmøller, men også vindparkens effektivitet.
– Å sette wingleter på tuppen av vindturbinbladene, øker effektiviteten til den enkelte vindturbin, så lenge de er designet riktig.
– Den gjennomsnittlige hastighet i vaken, og den tilgjengelige kraften påvirkes ikke så mye av dem, men wingletene endrer bladenes styrke og holdbarhet, sier han.
– For fly øker wingleter effektiviteten med rundt 5%. Mine resultater var i samme størrelsesorden.
Bruk av wingleter økte effektiviteten med opptil 8,9%.
– Disse funnene er imidlertid basert på miljøet i vindtunnelen der jeg gjennomførte testene. I virkeligheten vil forbedringene være litt lavere på grunn av forholdene i vindtunnelen.
Uten effekt
– Endring av vindturbinen fra tre til to blader hadde ingen påvirkning på gjennomsnittshastigheten i vaken, og dermed heller ikke turbinens ytelse.
– Hvis det brukes riktig, er det et stort potensial for energioptimalisering i vindkraftparker, men det er risiko for utmattelsesbelastning.
Bedre prognoser
Mühle sammenlignet også eksperimentelle data med numeriske simuleringer. Resultatene viste at moderne CFD-koder («Computational Fluid Dynamics codes»), kan forutsi hastigheter og turbulens i vaken med stor nøyaktighet.
– CFD-koder er programvarekoder som kan brukes til å simulere luftstrømmer, for eksempel rundt en vindturbin, men også for andre medium der en væske eller en gass beveger seg, forklarer Mühle.
De forbedrede CFD-kodene fra studien kan også brukes på andre felt av væskemekanikk og aerodynamikk.
Forbedre rotordesign
– Resultatene mine kan brukes til å utvikle nye rotordesign som begrenser vekselvirkninger i vindparker, sier Mühle.
Mühles funn kan bidra til forbedring av vindmøller. Det betyr større effektivitet, mer energi og reduksjon av belastninger.
– I en bredere sammenheng kan den bidra til å lette overgangen fra konvensjonelle til fornybare energikilder og forbedre energisikkerheten, konkluderer han.