10-krotnie wydajniejsze turbiny wiatrowe z Kalifornii

10-krotnie wydajniejsze turbiny wiatrowe z Kalifornii

W Pasadenie w Kalifornii efektywna moc farm wiatrowych może być zwiększona o rząd wielkości, dzięki optymalizacji rozmieszczenia turbin na danej działce, twierdzą naukowcy z California Institute of Technology (Caltech). Prowadzą unikalne badania na dwuakrowej farmie wiatrowej na północy gminy Los Angeles.

Praca opisująca wyniki testów polowych prowadzonych w lecie 2010 przez Jana Dabiri, profesora aeronautyki i bioinżynierii na Caltech, której współautorami byli jego koledzy pojawiła się w lipcowym numerze Journal of Renewable and Sustainable Energy.

Eksperymentalna farma, znana jako Laboratory for Optimized Wind Energy (FLOWE), posiada 24 10-metrowe wiatraki z turbinami o szerokości 1,2 metra (VAWT) – turbiny te mają pionowe wirniki. Pół tuzina z nich było użytych do testów latem 2010 roku.

„Pomimo wyraźnej poprawy w procesie projektowania turbin wiatrowych, która zwiększyła ich sprawność, farmy wiatrowe są wciąż raczej nieefektywne, zauważa Dabiri”. Nowoczesne farmy zazwyczaj zaopatrują się w wiatraki wykorzystujące poziome turbiny (HAWT). Są to standardowe wiatraki, obracające się powoli w tym samym kierunku, jakie można zobaczyć, np. w Tehachapi Pass.

„W tego typu farmach, pojedyncze turbiny muszą być oddalone od siebie, niekoniecznie na duże odległości, ale wystarczające, by ich wielkie śmigła nie mogły dojść do kontaktu ze sobą. Tego typu konstrukcja sprawia, że fale powietrza generowane przez turbiny interferują z innymi, czego efektem jest bezpowrotna utrata energii”, mówi Dabiri.

Projektanci rekompensują straty energii, projektując wiatraki o większych śmigłach oraz wyższych wieżach, by wykorzystać wiatr w wyższych warstwach powietrza, gdyż tam ma największą energię. „To jednak stawia nowe problemy,” mówi Dabiri, „takie jak większe koszty, bardziej skomplikowane problemy inżynieryjne, większy wpływa na środowisko naturalne. Większe, wyższe turbiny wiatrowe, oznaczają w efekcie większy hałas, są bardziej niebezpieczne dla ptaków i nietoperzy, a na dodatek szpecą krajobraz.”

„Rozwiązaniem jest skupienie się raczej na projekcie farmy wiatrowej, w celu zmaksymalizowania jej efektywności gromadzenia energii bliżej ziemi. Podczas, gdy wiatr wieje o wiele mniej energicznie na wysokości 10 metrów niż 30 metrów nad ziemią, energia dostępna na tej wysokości jest większa niż światowe zapotrzebowania na energię elektryczną.” Oznacza to, że wystarczająca ilość energii może być zapewniona, dzięki mniejszym, tańszym, mniej nieprzyjaznym środowisku turbinom, których wzajemne ułożenie jest bardziej kompleksowe.

Dabiri uważa, że turbiny typu VAWT są do tego celu idealne, ponieważ mogą być usytuowane bardzo blisko siebie. To pozwala im na wykorzystanie prawie całej energii zgromadzonej wokół nich, a nawet powietrza ponad farmą. Mając każdą turbinę zwróconą w innym kierunku, naukowcy odkryli, że to także zwiększa ich sprawność. Możliwe, że dzieje się tak, że przeciwny kierunek ruchu turbin pozwala na zmniejszenie oporu każdej turbiny, pozwalając kręcić się im szybciej. Dabiri wpadł na ten pomysł, obserwując ławice ryb.

Na testach polowych latem 2010 roku, prowadzona przez niego grupa, zmierzyła prędkość obrotową i moc wygenerowaną przez każdą z sześciu turbin w różnych konfiguracjach. Jedna turbina była na stałe zamontowana w jednej pozycji, pozostałe były usadowione na przenośnych fundamentach, pozwalających je przesuwać.

Badania wykazały, że układ, w którym wszystkie turbiny w macierzy zostały umieszczone w odległości 5 metrów od siebie. Pozwoliło to całkowicie wyeliminować problem zakłóceń aerodynamicznych pomiędzy sąsiadami. Dla porównania, aby wyeliminować zakłócenia między tradycyjnymi wiatrakami – trzeba by oddalić je od siebie o 20 ich średnic, co znaczy że w przypadku największej stojącej turbiny oznacza odległość 1 mili.

Sześć turbin VAWT generowało moc od 21 do 47 watów na metr kwadratowy powierzchni, na której stały; porównując to z turbinami HAWT jest to od 2 do 3 watów na metr kwadratowy.

„Bionika w wykonaniu Darabi’ego jest wyzwaniem dla status-quo w technologii energetyki wiatrowej,” mówi Ares Rosakis, przewodniczący wydziału Inżynierii i Nauk Stosowanych i profesor aeronautyki im. Theodora von Karmana oraz profesor inżynierii mechanicznej. „To pokazuje, jak innowacyjne podejście inżynierów z Caltech, pomaga w rozwiązywaniu problemów społeczeństwa.”

„Jesteśmy na dobrej drodze, ale nie oznacza to, że nasza misja została zakończona” , mówi Dabiri, „Następne kroki mają wykazać, że proces jest skalowalny i że istnieje możliwość ulepszenia turbin i wykorzystania do testów pilotażowych. Myślę, że te wyniki są przekonującym wezwaniem do pracy nad zmianą status-quo, panującego w sektorze energetyki wiatrowej.”

Tego lata, grupa naukowa pod przewodnictwem Dabiri’ego, badają większą macierz turbin VAWT, kontynuując badania z zeszłego roku.