Topografia farm wiatrowych przedmiotem analizy

W miarę upływu czasu coraz więcej wiemy na temat realiów pracy elektrowni wiatrowych. Farmy wiatrowe w krajach takich jak USA, Niemcy czy Hiszpania to obecnie zjawisko wielkiej skali, które pomimo zerowej emisji dwutlenku węgla, oddziałuje na środowisko naturalne. Naukowcy jednego z amerykańskich Uniwersytetów mówią o lokalnych zmianach mikroklimatu, które mogą bezpośrednio oddziaływać np. na ilość plonów zbieranych w sąsiedztwie turbin wiatrowych. Starają się oni jednocześnie wskazać rozwiązania zaistniałych problemów.

W ostatnich latach, energia wiatrowa zmieniła swoje oblicze. Rozrzucone tu i tam pojedyncze wiatraki, przerodziły się w potężne farmy wiatrowe, składające się z dziesiątek turbin, podłączonych do sieci energetycznej. W północno-zachodniej części stanu Iowa (USA), działa farma wiatrowa składająca się z przeszło 600 turbin, która zasila ponad 140 tysięcy gospodarstw domowych.

„Dzięki lepszym kryteriom lokalizacji, określeniu optymalnych odstępów pomiędzy turbinami i projektowaniu sprawniejszych wirników, możemy minimalizować niekorzystny wpływ dużych farm wiatrowych.” – stwierdził Somnath Baidya Roy z University of Illinois. „Poprzez uważne planowanie i testowanie, możemy równocześnie uniknąć największych zagrożeń.”

„Jeśli wiatr ma stać się największym graczem na rynku produkcji energii, musimy myśleć w jeszcze większej skali; nawet tysięcy turbin w ramach jednej farmy.” – powiedział Baidya Roy. „Taka farma wiatrowa mogłaby zastąpić elektrownie opalane węglem, jednakże tak wiele turbin w jednym miejscu może generować ogromne problemy.”

Wywołane przez wiatrak turbulencje i zakłócenia przepływu powietrza mogą nie tylko wpływać na obniżenie sprawności pozostałych wiatraków, ale wręcz mogą mieć niekorzystny wpływ na temperaturę ziemi i wilgotność w okolicy. „Turbulencje powodują, że ziemia staje się cieplejsza i suchsza.” – przyznał Baidya Roy. „Zmiany lokalnych warunków hydrometeorologicznych mogą wpływać na wydajność upraw znajdujących się w okolicy farm wiatrowych.”

Jednym ze sposobów na zmniejszenie niekorzystnego działania turbin jest lepsze wkomponowanie procesu generowania energii w naturalny cykl energetyczny środowiska. cyklu takim, energia słoneczna ogrzewa powierzchnię Ziemi i jest przekształcana w energię kinetyczną ruchomych mas powietrza. Część z tej energii wiatru jest wytracane w postaci tarcia o drzewa, budynki, czy góry. W przypadku farm wiatrowych, część energii kinetycznej wiatru jest przetwarzana w energię mechaniczną turbiny, a następnie w energię elektryczną.

Pierwszym krokiem w kierunku redukcji efektu turbulencji w lokalnych warunkach hydrometeorologicznych jest zidentyfikowanie regionów na świecie, w których istnieje duża siła wiatru, ale równocześnie duże są straty energii kinetycznej związane z tarciem. „Budowanie farm wiatrowych w regionach, gdzie i tak dużo energii kinetycznej jest wytracane na tarcie pomoże zminimalizować ingerencję w naturalny cykl energii kinetycznej.” – powiedział Baidya Roy.

W oparciu o IRA25, czyli bazę danych z 25 lat gromadzonych przez stacje meteorologiczne, radiosondy i satelity, Baidya Roy tworzy mapę świata w kontekście wytracania energii kinetycznej na tarcie. Jest on w stanie przewidzieć jak wiele wiatru jest dostępne w danym miejscu i ile energii jest rozpraszanej w postaci tarcia.

Wyniki jego badań wskazują, że najlepszymi lokalizacjami dla farm wiatrowych są: wschodnia i centralna Afryka, zachodnia Australia, wschodnie Chiny, południowe Argentyna i Chile, północna Amazonia, północno-wschodnie Stany zjednoczone i Grenlandia. W tych regionach, farma wiatrowa składająca się ze 100 dużych turbin wiatrowych rozstawionych co około kilometr może generować przeszło 10 megawatów energii.

Równolegle, Baidya Roy bada również możliwość zredukowania efektu turbulencji generowanych przez wirnik w bezpośrednim sąsiedztwie turbiny. Gdy wiatr owiewa turbinę, część jego energii tworzy zakłócenia podobne do śladu zostawianego na wodzie przez łódź. Również to zjawisko wpływa na obniżenie sprawności farm wiatrowych.

Wykorzystując modele, Baidya Roy symuluje efekty zmian w odległości i rozmieszczeniu turbin, a także w konstrukcji wirników. Symulacje wskazują, że zredukowanie turbulencji powodowanych przez wirniki wpływa nie tylko warunki hydrometeorologiczne, ale i poprawia sprawność samej turbiny.

(lk)