Moc użyteczna produkowana przez farmy wiatrowe może być podwyższona o rząd wielkości – tak - co najmniej 10 razy! Wystarczy optymalne ustawienie turbin, jak opisali naukowcy z California Institute of Technology (Caltech), którzy prowadzą unikalne badania eksperymentalnej farmy wiatrowej o powierzchni jednego hektara w pobliżu Los Angeles.

Artykuł opisujący te badania, zawierający rezultaty testów przeprowadzonych przez profesora John’a Dabiri (profesora areaonautyki i bioinżynierii) i jego współpracowników w 2010 roku, został opublikowany w lipcowym wydaniu czasopisma Journal of Renewable and Sustainable Energy.

Eksperymentalna farma profesora Dabiri, zwana „Field Laboratory for Optimized Wind Energy” (FLOWE), ma 24 pionowe turbiny o 10-metrowej wysokości i 1,2 metra średnicy. Te pionowe turbiny (pokazane na poniższym rysunku) są zwane w skrócie VAWT, co jest akronimem angielskiego określenia: „vertical-axis wind turbine” (turbina wiatrowa o osi pionowej). Turbiny te mają pionowe wirniki i przypominają wystający z ziemi ubijacz do piany z jajek. W testach przeprowadzonych w 2010 użyto 6 turbin.

Obraz: John Dabiri/Caltech

Pomimo usprawnień w konstrukcji turbin wiatrowych zwiększających ich sprawność, farmy wiatrowe są mało wydajne, mówi Dabiri. Nowoczesne farmy zwykle używają turbin o osiach poziomych (HAWT od angielskiego: horizontal-axis wind turbine) – dobrze znane monolity, które kręcą się powoli, wszystkie w tym samym kierunku, na przykład na wzgórzach Tehachapi Pass, na północ od Los Angeles, czy na polskim Pomorzu.

„W tych farmach, indywidualne turbiny muszą być oddalone od siebie, nie tylko dlatego żeby śmigła nie zaczepiały o siebie. W konstrukcjach tego typu, zaburzenia powietrza generowane przez jedną turbinę mogą oddziaływać aerodynamicznie z innymi turbinami. W rezultacie duża część energii wiatru na farmach wiatrowych nie jest przechwytywana”, mówi Dabiri. Porównuje je on do „leniwych zjadaczy”, marnujących nie tylko teren ale i dostępne zasoby energii wiatru.

Konstruktorzy kompensują te straty energii budując większe śmigła i wyższe maszty, po to żeby wykorzystać jak najwięcej energii na wysokościach, gdzie prędkość wiatru jest większa. „Ale to przynosi następne problemy” - mówi Dabiri - takie jak duże koszty, bardziej skomplikowane problemy techniczne i większy wpływ na środowisko. Większe turbiny oznaczają więcej hałasu, większe zagrożenie dla ptaków i nietoperzy - a tych, którym widok turbin się nie podoba – jeszcze bardziej kłują w oczy. 

Rozwiązanie tego problemu, twierdzi Dabiri, tkwi w odpowiednim zaprojektowaniu samej farmy, tak aby zmaksymalizować wydajność pozyskiwania energii wiatru bliżej powierzchni ziemi. Chociaż wiatry na wysokości, powiedzmy 10 metrów są mniej silne niż wiatry na 30 metrach,to jak mówi Dabiri: „światowe zasoby energii wiatru poniżej 10 metrów od ziemi są kilka razy większe niż światowe potrzeby na energię elektryczną”. To znaczy, że wystarczająca ilość energii może być uzyskana przy pomocy mniejszych, tańszych i mniej szkodliwych dla środowiska turbin, pod warunkiem, że są to turbiny odpowiedniego kształtu ustawione we właściwy sposób. 

Według badaczy, VAWT są idealne, ponieważ mogą być umieszczone bardzo blisko siebie. Pozwala to na przechwycenie niemal całej energii wiatru i nawet części energii wiatru wiejącego ponad farmą. Naukowcy odkryli, że turbiny obracające się w kierunku przeciwnym do ich sąsiadów mają większą wydajność, gdyż odwrotny kierunek wirowania zmniejsza opory każdej turbiny, pozwalając na szybsze obroty. Pomysł wykorzystania takiego dodatniego sprzężenia przyszedł Dabiri podczas obserwacji ławicy ryb (wykorzystanie „konstrukcji”, które wynalazła przyroda jest obecnie bardzo popularne – szczególnie w aeronautyce i żeglarstwie – przyp. red.).

W testach przeprowadzonych latem 2010 roku, naukowcy zmierzyli prędkość obrotów i moc każdej z sześciu turbin w kilku różnych konfiguracjach. Jedna turbina była nieruchoma, zaś pozostałe były zainstalowane na ruchomych podstawach pozwalającymi na ich przemieszczanie.

Testy pokazały, że kiedy odległość pomiędzy turbinami wynosiła około 5 metrów czyli tylko cztery razy więcej od ich średnicy, negatywne oddziaływanie pomiędzy nimi zostało wyeliminowane. Dla porównania, tradycyjne turbiny w kształcie śmigła muszą być oddalone o około 20 średnic, co w praktyce oznacza odległości powyżej półtora kilometra w przypadku największych obecnie używanych konstrukcji.

Sześć turbin VAWT generowało od 21 do 47 watów na metr kwadratowy powierzchni farmy. Tradycyjna farma turbin HAWT o podobnych rozmiarach generuje tylko 2 do 3 watów na metr kwadratowy.

„Idziemy we właściwym kierunku ale nie uważamy, że osiągnęliśmy ostateczny cel”, mówi Dabiri. „Następnym krokiem jest zwiększenie skali eksperymentu z ulepszonymi turbinami niż te użyte w eksperymencie pilotażowym. Tak czy owak, myślę, że dotychczasowe wyniki są przekonującym wyzwaniem do dalszych badań nad alternatywami do istniejących rozwiązań w energetyce wiatrowej.”

Obraz: John Dabiri/Caltech

W lecie tego roku Dabiri ze swoją grupą studiują większą sieć -18 turbin VAWT

Caltech, Pasadena, Kalifornia, 13 lipca 2011

Tłumaczenie: Irek Zawadzki

Źródło: EurekAlert!

Dodatkowe informacje:

Tutaj można obejrzeć krótkie wideo pokazujące eksperymentalną farmę. Czytelników zainteresowanych technicznym wyjaśnieniem zasady działania zoptymalizowanej farmy zachęcamy do przeczytania prezentacji profesora Dabiri z grudnia 2010 roku (po angielsku).