Turbina eolica presso l'Istituto di sostenibilità. Credito:Patrick Mansell / Penn State
Con l'aumento della domanda di energia, ricercatori della Penn State Behrend e dell'Università di Tabriz, Iran, hanno completato un algoritmo, o approccio, per progettare parchi eolici più efficienti, contribuendo a generare più entrate per i costruttori e più energia rinnovabile per i loro clienti.
"L'energia eolica è in aumento, e non solo negli Stati Uniti, " disse Mohammad Rasouli, assistente professore di ingegneria elettrica alla Penn State Erie, il Behrend College. "L'efficienza dei pannelli solari è inferiore al 25%, ed è ancora oggetto di ricerca attuale. Turbine eoliche, d'altra parte, sono molto più efficienti e convertono oltre il 45 per cento dell'energia eolica in elettricità".
Sebbene le turbine eoliche siano efficienti, I layout dei parchi eolici possono ridurre questa efficienza se non adeguatamente progettati. I costruttori non sempre mettono le turbine nei luoghi con le più alte velocità del vento, dove genereranno più potenza, disse Rasouli. Anche la distanza tra le turbine è importante, poiché le turbine creano una resistenza che riduce la velocità del vento, le prime turbine a catturare il vento genereranno più potenza di quelle che verranno dopo.
Per costruire parchi eolici più efficienti, i progettisti devono tenere conto di questi fattori della velocità del vento e della distanza tra le turbine, così come le dimensioni del terreno, geografia, numero di turbine, quantità di vegetazione, condizioni meteorologiche, costi di costruzione, e altre considerazioni, secondo i ricercatori.
Bilanciare tutti questi fattori per trovare un layout ottimale è difficile, anche con l'ausilio di modelli matematici.
"Questo è un approccio multi-obiettivo, " ha detto Rasouli. "Abbiamo una funzione e vogliamo ottimizzarla tenendo conto di vari vincoli".
I ricercatori si sono concentrati su un approccio, chiamata "ottimizzazione basata sulla biogeografica". Creato nel 2008 e ispirato dalla natura, BBO si basa su come gli animali si distribuiscono naturalmente per sfruttare al meglio il loro ambiente in base alle loro esigenze. Creando un modello matematico dal comportamento animale, è quindi possibile per i ricercatori calcolare la distribuzione ottimale degli oggetti in altri scenari, come le turbine di un parco eolico.
Un modello raffigurante la scia di una turbina eolica. Credito:Figura alterata dalla pubblicazione originale di Soheil Pouraltafi-kheljan, Amirreza Azimi, Behnam Mohammadi-ivatloo, e Mohammad Rasouli
"I metodi analitici richiedono molti calcoli, " ha detto Rasouli. "Questo metodo BBO riduce al minimo il calcolo e fornisce risultati migliori, trovare la soluzione ottimale al minor costo computazionale."
Altri ricercatori hanno utilizzato versioni semplificate dell'approccio BBO nel 2017 e nel 2018 per calcolare layout di parchi eolici più efficienti, ma queste versioni semplificate non tengono conto di tutti i fattori che influenzano il layout ottimale.
I ricercatori della Penn State e dell'Università di Tabriz hanno completato l'approccio incorporando ulteriori variabili, compresi i dati di mercato reali, la ruvidità della superficie, che influenza la potenza del vento e la quantità di vento ricevuta da ciascuna turbina.
Il team di ricerca ha anche migliorato l'approccio BBO incorporando un modello più realistico per il calcolo delle scie:aree con velocità delle ali più lente create dopo che il vento ha attraversato una turbina, simile alla scia dietro una barca –– e testando quanto fosse sensibile il modello ad altri fattori come i tassi di interesse, incentivi finanziari, e differenze nei costi di produzione dell'energia. Riportano i loro risultati online nel Journal of Cleaner Production , che sarà pubblicato a novembre.
"Si tratta di un approccio di ottimizzazione più realistico rispetto ad alcuni dei metodi di semplificazione disponibili, " disse Rasouli. "Questo sarebbe meglio per i clienti, ai produttori, e allo stile della griglia, parchi eolici di maggiori dimensioni”.
Incorporando più dati, come record meteorologici aggiornati e informazioni sul produttore, i ricercatori saranno in grado di utilizzare l'approccio BBO per ottimizzare i layout dei parchi eolici in molte località diverse, aiutare i progettisti di parchi eolici di tutto il mondo a fare un uso migliore della propria terra e generare più energia per soddisfare le future esigenze energetiche dei consumatori.
"C'è una fine dei tempi per i combustibili fossili, " ha detto Rasouli. "Con questo e i prossimi metodi o approcci di ottimizzazione migliori, possiamo fare un uso migliore dell'energia eolica."
