Rozmieszczenie turbin i wielkość farmy wiatrowej decydują o jej wydajności

Zoptymalizowanie ustawienia turbin na farmie wiatrowej może znakomicie zwiększyć ilość produkowanej energii, jednak korzyści takie zauważymy w farmach nie przekraczających określonej wielkości, wynika z badań przeprowadzonych przez naukowców z Carnegie Institution for Science.

Nie od dzisiaj wiadomo, że wydajność turbin na farmach może być znacząco mniejsza niż pojedynczych turbin. Wydajność małych farm wiatrowych może wynosić ponad 10 W/m², to przy wielkich instalacjach spada ona do 1 W/m². Wynika to z faktu, że turbiny zmniejszają energię wiatru, który przez nie przechodzi. Ponadto wprowadzają też turbulencje, przez które kolejne turbiny w szeregu produkują mniej energii. To już wiadomo, jednak dotychczas nie badano, co kontroluje te zjawiska, mówi autor badań, Enrico Antonioni.On i Ken Caldeira wykorzystali modele dynamiki płynów do zbadania przepływu powietrza w okolicy turbin.

Najpierw przyjrzeli się indywidualnym turbinom. Później zaś symulowali pracę małych farm. Stwierdzili, że zmniejszenie zagęszczenia turbin na małej farmie, zwiększa wydajność pojedynczej turbiny. Okazało się jednak, że niezwykle ważne jest rozkład przestrzenny turbin. Ustawienie ich w szeregu lub naprzemiennie w stronę wiatru zwiększa moc wyjściową nawet o 56% w porównaniu z ustawieniem ich w kolumnie. Przy optymalnym ustawieniu turbin można wyprodukować 10, 20, a nawet 30 procent energii więcej, gdyż można zredukować interakcje pomiędzy turbinami, wyjaśnia Antonini.

Zyski z odpowiedniego rozmieszczenia turbin znikały jednak w miarę rozrastania się farm. Uczeni wykorzystali więc symulacje meteorologiczne dotyczące prędkości wiatru, by sprawdzić, dlaczego tak się dzieje. W niewielkich farmach przyczyną spadku wydajności turbin są turbulencje wywoływane przez turbiny sąsiednie. Temu zjawisku można zaradzić. Natomiast w dużych instalacjach prędkość wiatru jest obniżana przez zwiększony opór aerodynamiczny w całym regionie.
Co więcej, okazało się, że zaburzenia powodowane przez wielkie farmy wiatrowe mogą rozciągać się na przestrzeni dziesiątków kilometrów, negatywnie wpływając na inne farmy.

Generalnie rzecz biorąc, odpowiednie ustawienie turbin przestawało przynosić korzyści, gdy farma rozciągała się na ponad 30 kilometrów. Jednak, co interesujące, sporo zależało od... szerokości geograficznej. Farmy umieszczone dalej od równika mogły być większe zanim ich wydajność spadała. Było to związane z działaniem siły Coriolisa i jej wpływem na wiatr.

farma wiatrowa turbina wydajność