از فاصله دور بالای زمین ، «آرایه لندن» (London Array) به نظر می رسد شبیه ردیف های کشتی هایی کاملاً به خط شده در حال حرکت به سمت سواحل شرقی انگلیس باشند که برای یک جنگ آماده می شوند. اما نیازی به کج شدن در این توربین های بادی نیست ، آن طور که ممکن بود دون کیشوت انجام دهد. این آرایه تهدیدی هیولایی نیست - این بزرگترین مزرعه بادی عملیاتی روی دریا در جهان است. این آرایه در حال حاضر با داشتن 175 توربین که پوشش دهنده 100 کیلومتر مربع هستند ، برق کافی برای حدود 500،000 خانه انگلستان را فراهم می کند.
گریگور گیبل ، کارشناس انرژی باد از دانشگاه فنی دانمارک می گوید: "آرایه لندن دارای تعداد کاملاً چشمگیری توربین است. اما بعضی از مزارع بادی در افق دارای اندازه‌ای دو برابر خواهند بود." برای اطمینان از موفقیت مزرعه های آینده ، محققان نیاز دارند به درک خوبی از این که چگونه هوا می پیچد و اطراف هر توربین دور می زند ، چگونه در کل مزرعه جریان می یابد ، و حتی چگونه یک مزرعه بادی بر روی دیگری تآثیر می گذارد.
چارلز منوو ، مهندس دانشگاه جان هاپکینز ، که در حال مطالعه مکانیک سیالات مزارع بادی است ، می گوید: "انرژی باد بسیار زیبا و به سرعت در حال رشد است." در حال حاضر ، انرژی بادی مبتنی بر خشکی کم هزینه ترین نوع برق است (اگر یارانه ها را حساب نکنید) - ارزان تر از گاز ، زغال سنگ یا انرژی هسته ای. منوو می گوید: "مردم این موضوع را درک نمی کنند ، اما ارزان ترین آنها است." "بنابراین و به همین دلیل می توان انتظار داشت که در دهه آینده مزارع بادی بیشتری احداث شود." مزارع بادی دریایی نیز بخشی از این توسعه خواهند بود.
در حال حاضر ، آرایه های دریایی برای ساخت نسبت به نمونه های خشکی گران تر هستند. گیبل می گوید اما با بزرگتر شدن توربین ها و آرایه ها برای برداشت انرژی بیشتر ، حرکت به سمت دریا ممکن است بهترین شرط برای برداشت حداکثر توان و اجتناب از مشکلات مربوط به ساخت و ساز در خشکی باشد.
چه در زمین و چه در دریا ، دانستن جزئیات پیچیدگی جریان هوا برای استخراج حداکثر برق از مزارع بادی آینده ضروری است. برای تعیین این که مزارع نسل بعدی چقدر توان می توانند تولید کنند، منوو و همکارانش در حال تهیه شبیه سازی های دقیق کامپیوتری مفصل از نحوه حرکت هوا از میان آرایه های توربینی بزرگ هستند. در مجله مرور سالانه مکانیک سیالات 2017 ، منوو و فیزیکدان ریچارد J.A.M. استیونز از دانشگاه Twente در هلند ، فیزیک جریان هوا در یک مزرعه بادی ، و طریقه ای که جریان با لایه هایی از هوا در بالای آن تعامل دارد ، و این که چگونه تغییرات هرج و مرج در جریان هوا واقعاً باعث افزایش خروجی قدرت یک مزرعه بادی می شود را توصیف می کنند.
گریگور گیبل ، کارشناس انرژی باد از دانشگاه فنی دانمارک می گوید: "آرایه لندن دارای تعداد کاملاً چشمگیری توربین است. اما بعضی از مزارع بادی در افق دارای اندازه‌ای دو برابر خواهند بود." برای اطمینان از موفقیت مزرعه های آینده ، محققان نیاز دارند به درک خوبی از این که چگونه هوا می پیچد و اطراف هر توربین دور می زند ، چگونه در کل مزرعه جریان می یابد ، و حتی چگونه یک مزرعه بادی بر روی دیگری تآثیر می گذارد.
چارلز منوو ، مهندس دانشگاه جان هاپکینز ، که در حال مطالعه مکانیک سیالات مزارع بادی است ، می گوید: "انرژی باد بسیار زیبا و به سرعت در حال رشد است." در حال حاضر ، انرژی بادی مبتنی بر خشکی کم هزینه ترین نوع برق است (اگر یارانه ها را حساب نکنید) - ارزان تر از گاز ، زغال سنگ یا انرژی هسته ای. منوو می گوید: "مردم این موضوع را درک نمی کنند ، اما ارزان ترین آنها است." "بنابراین و به همین دلیل می توان انتظار داشت که در دهه آینده مزارع بادی بیشتری احداث شود." مزارع بادی دریایی نیز بخشی از این توسعه خواهند بود.
در حال حاضر ، آرایه های دریایی برای ساخت نسبت به نمونه های خشکی گران تر هستند. گیبل می گوید اما با بزرگتر شدن توربین ها و آرایه ها برای برداشت انرژی بیشتر ، حرکت به سمت دریا ممکن است بهترین شرط برای برداشت حداکثر توان و اجتناب از مشکلات مربوط به ساخت و ساز در خشکی باشد.
چه در زمین و چه در دریا ، دانستن جزئیات پیچیدگی جریان هوا برای استخراج حداکثر برق از مزارع بادی آینده ضروری است. برای تعیین این که مزارع نسل بعدی چقدر توان می توانند تولید کنند، منوو و همکارانش در حال تهیه شبیه سازی های دقیق کامپیوتری مفصل از نحوه حرکت هوا از میان آرایه های توربینی بزرگ هستند. در مجله مرور سالانه مکانیک سیالات 2017 ، منوو و فیزیکدان ریچارد J.A.M. استیونز از دانشگاه Twente در هلند ، فیزیک جریان هوا در یک مزرعه بادی ، و طریقه ای که جریان با لایه هایی از هوا در بالای آن تعامل دارد ، و این که چگونه تغییرات هرج و مرج در جریان هوا واقعاً باعث افزایش خروجی قدرت یک مزرعه بادی می شود را توصیف می کنند.
هوای ناپایا
در حالت ایده آل ، کارآمدترین مزرعه بادی موقعیت توربین ها را دور از هم قرار می دهد. اما در دنیای واقعی ، حالت واقعی برای مزارع بادی محدود است. بنابراین توربین ها معمولاً در آرایه های متراکم ساخته می شوند. به عنوان مثال 175 توربین آرایه لندن در یک ماتریس چیده شده اند.
چیدن توربین ها در یک ماتریس مشکلات خود را به همراه دارد. باد با حرکت از یک ردیف توربین به ردیف دیگر انرژی خود را از دست می دهد. با گذشت از ردیف اول ، بادی که می آید آنچه را که یک بیداری خوانده می شود شکل می دهد ، که معمولاً تنها حدود 50 درصد از قدرت اولیه باد را حمل می کند. هر ردیف توربینی که باد به آن برخورد می کند ، نسیم را آهسته خواهد کرد تا اینکه ، حداقل از لحاظ نظری ، باید انرژی بسیار کمی از تند باد اولیه برای برداشت باقی مانده باشد. با این حال ، آرایه های مزرعه بادی با 20 یا حتی 40 ردیف از توربین ها در سراسر آرایه انرژی تولید می کنند.
به گفته منوو ، تلاطم ، تقویت مورد نیاز را فراهم می کند.
انسان ها تمایل دارند آشفتگی را دوست نداشته باشند. این چیزی است که شما را در ارتفاع 30،000 پایی در هواپیما هُل می دهد و به شما کمی احساس تهوع دست می دهد. اما تلاطم دقیقاً همان چیزی است که به توربین های بادی کمک می کند تا حداکثر انرژی را از هوا استخراج کنند. انرژی باد بسیار زیبا و به سرعت در حال رشد است. آشفتگی هنگامی ایجاد می شود که لایه هایی از هوا در خطوط موازی جریان نداشته باشند. در عوض ، اختلاف فشار منجر به سرعت جریان سریعتر هوا می شود که هوا را خشن می کند و باعث ایجاد چرخش و گردباد می شود.
شبیه سازی های منوو و همکارانش نشان داده اند که آشفتگی در هوای بالای یک مزرعه بادی باعث تحریک انرژی به بیداری در پشت یک توربین می شود. خرد کردن داده ها از مزارع بادی واقعی به علاوه مطالعه شبیه سازی ها نشان می دهد که با تلاطم ، آخرین ردیف توربین ها می توانند به همان اندازه توربین ها در ردیف های دوم ، سوم و چهارم قدرت تولید کنند.
اما برای این که تلاطم کمک کند به جمع آوری انرژی باد ، ردیف های توربین ها باید به اندازه کافی دور از هم قرار گیرند تا فرصتی برای بیداری برای مخلوط شدن با هر هوای خشن ایجاد شود. دانشمندان در مورد فاصله بین ردیف ها از نظر قطر روتور ، و طول تیغه های یک توربین صحبت می کنند. توربین های امروزی به طور معمول دارای قطر روتور 70 تا 120 متر هستند. محاسبات نشان می دهد که برای به حداکثر رساندن توان خروجی و نگه داشتن روتورها در اندازه کافی برای همسازی با محدودیت های فضا ، فاصله مطلوب بین توربین ها حدود هفت برابر قطر روتور توربین باید باشد: 500 تا 850 متر. اما با بزرگتر شدن توربین های بادی و مزارع ، منوو و یک همکار در سال 2012 گزارش دادند ، فاصله مطلوب بین توربین ها می تواند تا حداقل 12 برابر قطر یک توربین - 850 تا 1500 متر - افزایش یابد.
منبع: اشلی یگر
چیدن توربین ها در یک ماتریس مشکلات خود را به همراه دارد. باد با حرکت از یک ردیف توربین به ردیف دیگر انرژی خود را از دست می دهد. با گذشت از ردیف اول ، بادی که می آید آنچه را که یک بیداری خوانده می شود شکل می دهد ، که معمولاً تنها حدود 50 درصد از قدرت اولیه باد را حمل می کند. هر ردیف توربینی که باد به آن برخورد می کند ، نسیم را آهسته خواهد کرد تا اینکه ، حداقل از لحاظ نظری ، باید انرژی بسیار کمی از تند باد اولیه برای برداشت باقی مانده باشد. با این حال ، آرایه های مزرعه بادی با 20 یا حتی 40 ردیف از توربین ها در سراسر آرایه انرژی تولید می کنند.
به گفته منوو ، تلاطم ، تقویت مورد نیاز را فراهم می کند.
انسان ها تمایل دارند آشفتگی را دوست نداشته باشند. این چیزی است که شما را در ارتفاع 30،000 پایی در هواپیما هُل می دهد و به شما کمی احساس تهوع دست می دهد. اما تلاطم دقیقاً همان چیزی است که به توربین های بادی کمک می کند تا حداکثر انرژی را از هوا استخراج کنند. انرژی باد بسیار زیبا و به سرعت در حال رشد است. آشفتگی هنگامی ایجاد می شود که لایه هایی از هوا در خطوط موازی جریان نداشته باشند. در عوض ، اختلاف فشار منجر به سرعت جریان سریعتر هوا می شود که هوا را خشن می کند و باعث ایجاد چرخش و گردباد می شود.
شبیه سازی های منوو و همکارانش نشان داده اند که آشفتگی در هوای بالای یک مزرعه بادی باعث تحریک انرژی به بیداری در پشت یک توربین می شود. خرد کردن داده ها از مزارع بادی واقعی به علاوه مطالعه شبیه سازی ها نشان می دهد که با تلاطم ، آخرین ردیف توربین ها می توانند به همان اندازه توربین ها در ردیف های دوم ، سوم و چهارم قدرت تولید کنند.
اما برای این که تلاطم کمک کند به جمع آوری انرژی باد ، ردیف های توربین ها باید به اندازه کافی دور از هم قرار گیرند تا فرصتی برای بیداری برای مخلوط شدن با هر هوای خشن ایجاد شود. دانشمندان در مورد فاصله بین ردیف ها از نظر قطر روتور ، و طول تیغه های یک توربین صحبت می کنند. توربین های امروزی به طور معمول دارای قطر روتور 70 تا 120 متر هستند. محاسبات نشان می دهد که برای به حداکثر رساندن توان خروجی و نگه داشتن روتورها در اندازه کافی برای همسازی با محدودیت های فضا ، فاصله مطلوب بین توربین ها حدود هفت برابر قطر روتور توربین باید باشد: 500 تا 850 متر. اما با بزرگتر شدن توربین های بادی و مزارع ، منوو و یک همکار در سال 2012 گزارش دادند ، فاصله مطلوب بین توربین ها می تواند تا حداقل 12 برابر قطر یک توربین - 850 تا 1500 متر - افزایش یابد.
منبع: اشلی یگر
