Ciò che è buono per uno non è sempre il migliore per tutti.

Le turbine eoliche solitarie producono la massima potenza quando puntano direttamente nel vento. Ma quando linee fitte di turbine affrontano il vento nei parchi eolici, le scie dei generatori a monte possono interferire con quelle a valle. Come un motoscafo rallentato dall'acqua mossa da una barca davanti, la scia di una turbina eolica riduce l'uscita di quelli dietro di essa.

Puntare le turbine leggermente lontano dal vento in arrivo, chiamato wake-steering, può ridurre tale interferenza e migliorare sia la quantità che la qualità dell'energia proveniente dai parchi eolici, e probabilmente minori costi operativi, mostra un nuovo studio di Stanford.

"Per raggiungere gli obiettivi globali per la generazione di energia rinnovabile, dobbiamo trovare modi per generare molta più energia dai parchi eolici esistenti, " ha detto John Dabiri, professore di ingegneria civile e ambientale e di ingegneria meccanica e autore senior del paper. "Il focus tradizionale è stato sulle prestazioni delle singole turbine in un parco eolico, ma dobbiamo invece iniziare a pensare alla fattoria nel suo insieme, e non solo come la somma delle sue parti."

Le scie delle turbine possono ridurre l'efficienza dei generatori sottovento di oltre il 40%. In precedenza, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per dimostrare che il disallineamento delle turbine a causa dei venti prevalenti potrebbe aumentare la produzione delle turbine a valle. Però, mostrarlo su un vero parco eolico è stato ostacolato dalle difficoltà nel trovare un parco eolico disposto a interrompere le normali operazioni per un esperimento e nel calcolare gli angoli migliori per la turbina, fino ad ora.

Primo, il gruppo di Stanford ha sviluppato un modo più rapido per calcolare gli angoli di disallineamento ottimali per le turbine, che hanno descritto in uno studio, pubblicato il 1 luglio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Quindi, hanno testato i loro calcoli su un parco eolico in Alberta, Canada in collaborazione con l'operatore TransAlta Renewables. La potenza complessiva della fattoria è aumentata fino al 47 percento a basse velocità del vento, a seconda dell'angolazione delle turbine, e dal 7 al 13 percento a velocità medie del vento. Il Wake Steering ha anche ridotto i flussi e riflussi di potenza che normalmente sono una sfida con l'energia eolica.

"Attraverso il governo della scia, la turbina anteriore ha prodotto meno potenza come ci aspettavamo, ", ha affermato lo studente di dottorato in ingegneria meccanica Michael Howland, autore principale dello studio. "Ma abbiamo scoperto che a causa della diminuzione degli effetti di scia, le turbine a valle hanno generato una potenza significativamente maggiore."

Variabilità

La produzione variabile dei parchi eolici rende la gestione della rete più difficile in due importanti modi.

Uno è la necessità di alimentatori di backup, come centrali elettriche a gas naturale e grandi, batterie costose. Nel nuovo studio, il miglioramento della potenza a basse velocità del vento è stato particolarmente elevato perché le turbine in genere smettono di girare al di sotto di una velocità minima, tagliando completamente la produzione e costringendo i gestori di rete a fare affidamento sull'alimentazione di riserva. Nei venti lenti, il wake-steering ha ridotto il tempo in cui la velocità è scesa al di sotto di questo minimo, i ricercatori hanno scoperto. In particolare, i maggiori guadagni sono stati di notte, quando l'energia eolica è in genere più preziosa come complemento all'energia solare.

L'altro è la necessità di far corrispondere esattamente la quantità di elettricità fornita e utilizzata in una regione in ogni momento per mantenere l'affidabilità della rete. La turbolenza dell'aria dalle scie può rendere irregolare la produzione del parco eolico minuto per minuto, un periodo di tempo troppo breve per accendere un generatore di gas. Ciò rende più difficile l'incontro tra domanda e offerta per gli operatori di sistema nel brevissimo termine. Hanno gli strumenti per farlo, ma gli strumenti possono essere costosi. Nello studio, la sterzatura della scia ha ridotto la variabilità a brevissimo termine della produzione di energia fino al 72%.

Inoltre, la riduzione della variabilità può aiutare i proprietari di parchi eolici a ridurre i costi operativi. La turbolenza nelle scie può affaticare le pale delle turbine e aumentare i costi di riparazione. Sebbene l'esperimento non sia durato abbastanza a lungo da dimostrare che il governo della scia riduce l'affaticamento della turbina, i ricercatori hanno suggerito che ciò sarebbe accaduto.

"La prima domanda che molti operatori ci fanno è come questo influenzerà la salute strutturale a lungo termine delle loro turbine, " ha detto Dabiri. "Stiamo lavorando per individuare gli effetti esatti, ma finora abbiamo visto che è possibile effettivamente ridurre l'affaticamento meccanico attraverso il governo della scia".

Modellazione e fattibilità a lungo termine

Per calcolare i migliori angoli di disallineamento per questo studio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modello basato sui dati storici del parco eolico.

"La progettazione di parchi eolici è in genere un compito molto impegnativo in termini di dati e calcolo, " ha detto Sanjiva Lele, professore di aeronautica e astronautica, e di ingegneria meccanica. "Anziché, abbiamo stabilito rappresentazioni matematiche semplificate che non solo hanno funzionato, ma hanno anche ridotto il carico computazionale di almeno due ordini di grandezza."

Questo calcolo più veloce potrebbe aiutare gli operatori dei parchi eolici a utilizzare ampiamente lo sterzo della scia.

"Il nostro modello è essenzialmente plug-and-play perché può utilizzare i dati specifici del sito sulle prestazioni dei parchi eolici, " Howland ha detto. "Diverse località agricole saranno in grado di utilizzare il modello e regolare continuamente gli angoli delle turbine in base alle condizioni del vento".

Sebbene i ricercatori non siano stati in grado di misurare un cambiamento nella produzione di energia annuale a causa della durata limitata di 10 giorni di questo test sul campo, il prossimo passo, disse Dabiri, consiste nell'effettuare prove sul campo per un anno intero.

"Se possiamo arrivare al punto in cui possiamo implementare questa strategia su larga scala per lunghi periodi di tempo, possiamo potenzialmente ottimizzare l'aerodinamica, produzione di energia e persino uso del suolo per i parchi eolici ovunque, ", ha detto Dabiri.