Ustawienie wiatraków ma znaczenie. Farmy mogą generować więcej energii

Ustawienie wiatraków ma znaczenie. Farmy mogą generować więcej energii

Inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) znaleźli metodę na zwiększenie mocy farm wiatrowych bez instalacji dodatkowej infrastruktury. W Indiach zmiana ustawienia w układzie trzech turbin zwiększyła produkcję energii aż o 32%.

Ustawienie turbin wiatrowych ma znaczenie

Turbiny wiatrowe, które wytwarzają ponad 5% światowej energii elektrycznej, są zazwyczaj traktowane tak, jakby były indywidualnymi, wolnostojącymi jednostkami. Zdecydowana większość z nich stanowi jednak część większych instalacji farm wiatrowych, obejmujących dziesiątki, a nawet setki turbin. Fale powietrza, które generują wiatraki, oddziałują na położone obok siebie turbiny.

Inżynierowie z MIT odkryli, że bez potrzeby dokonywania nowych inwestycji, można zwiększyć wydajność energetyczną farm wiatrowych modelując przepływ wiatru i optymalizując sterowanie poszczególnymi jednostkami.

Przy zastosowaniu nowego ustawienia turbin wzrost produkcji energii z jednej turbiny może wydawać się skromny — wynosi ok. 1,2%-3%. Algorytm można jednak wdrożyć na dowolnej farmie wiatrowej, a ich liczba szybko rośnie.

ev sustainability digital ad 300x250 921167513 PL final jun28 1
ev sustainability digital ad 750x200 949073423 PL PL Aug22 final 1

Gdyby wzrost energii rzędu 1,2% został zastosowany dla wszystkich istniejących farm wiatrowych na świecie, byłby to ekwiwalent dodania ponad 3600 nowych turbin wiatrowych. Naukowcy twierdzą, że taka liczba wystarczyłaby do zasilania około 3 milionów domów, co oznaczałoby całkowity zysk dla producentów energii wynoszący prawie miliard dolarów rocznie. A wszystko to w zasadzie za darmo.

Szersze spojrzenie na energię wiatrową

Turbiny na farmach wiatrowych są celowo rozmieszczane blisko siebie. Pozwala to osiągać korzyści ekonomiczne związane z użytkowaniem przestrzeni na lądzie lub na morzu. Pod uwagę brane są także oszczędności związane z infrastrukturą, taką jak drogi dojazdowe i linie przesyłowe. Bliskość turbin oznacza jednak zarazem, że ​wiatraki oddziałują na siebie nawzajem silnymi ruchami mas powietrza. Jest to czynnik, którego systemy sterowania turbinami obecnie nie uwzględniają.

Zasadniczo wszystkie turbiny działające na skalę przemysłową sterowane są  „łapczywie” i niezależnie”tłumaczy inżynier MIT Michael F. Howland, który zaznacza, że termin „łapczywie”, odnosi się do faktu, że turbiny kontrolowane są w celu maksymalizacji produkcji jedynie własnej energii, tak jakby były odizolowanymi jednostkami bez wpływu na sąsiednie turbiny.

Zespół z MIT opracował nowy model, który przewiduje produkcję energii przez każdą turbinę na farmie w zależności od wiatru. Swoją metodę oparli na na fizyce przepływów. Ich model nie wymaga zmian w fizycznych lokalizacjach turbin.

Z punktu widzenia fizyki przepływów, umieszczanie turbin wiatrowych blisko siebie na farmach wiatrowych jest często najgorszą rzeczą, jaką można zrobić. Idealnym podejściem do maksymalizacji całkowitej produkcji energii byłoby rozmieszczenie ich jak najdalej od siebie, ale to zwiększyłoby związane z tym koszty – mówi Howland. 

Na czym polega zatem pomysł amerykańskich naukowców?

Maksymalizacja produkcji energii

Obecnie każdy wiatrak ustawiony jest tak, aby indywidualnie kierować swoim działaniem w zależności od kierunku i prędkości wiatru. Przekłada się to na dostosowanie kąta odchylenia osi pionowej turbiny, tak, aby dostosowana była w największym stopniu do kierunku, z którego wieje wiatr.

Directional conventions used throughout this work Yaw position and wind direction follow
Kąt odchylenia turbiny wiatrowej zaznaczono na czerwono, w stosunku do kierunku wiatru zaznaczonego na niebiesko, źródło: researchgate.net

Zespół odkrył jednak, że nieznaczna korekcja ustawienia turbiny o 20 stopni w kierunku przeciwnym do pozycji wyjściowej, w której generuję maksymalną moc, pozwoli pozostałym turbinom na produkcję większej mocy. Naukowcy twierdzą, że ich odkrycie pozwala z nawiązką zrekompensować nieznaczne zmniejszenie produkcji z pierwszej jednostki.

Dzięki zastosowaniu scentralizowanego systemu sterowania, który uwzględnia wszystkie te interakcje, turbiny na farmie wiatrowej w Indiach, na której prowadzono eksperyment, pracowały z mocą wyjściową, która w pewnych warunkach była nawet o 32 % wyższa.

Ilość pozyskanej energii będzie się znacznie różnić w zależności od farmy wiatrowej. Model opracowany przez zespół z MIT uwzględnia jednak te zmienne i wskazuje potencjalne korzyści w zależności dla danego miejsca.

Nowy system można wdrożyć w szybki i łatwy sposób.

Nie wymagamy dodatkowej instalacji sprzętu. Po prostu dokonujemy zmiany oprogramowania, z którą potencjalnie wiąże się znaczny wzrost produkowanej energiimówi inżynier MIT Michael F. Howland.

Naukowiec zauważa, że poprawa wydajności ​​nawet o 1% oznacza, że ​​w typowej farmie wiatrowej liczącej około 100 jednostek operatorzy mogliby uzyskać taką samą moc przy zastosowaniu jednej turbiny mniej. To oszczędność milionów dolarów związanych z zakupem, budową i instalacji tej jednostki.

źródło: news.mit.edu, zdjęcie: researchgate.net, zdj. główne – Victor Leshyk/ MIT News Office

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.