Overdimensionerede vindmøller genererer ren energi - og overraskende fysik

For tyve år siden, vindenergi var for det meste en nicheindustri, der bidrog med mindre end 1% til det samlede elbehov i USA. Vind har siden vist sig som en seriøs udfordrer i løbet om at udvikle ren, vedvarende energikilder, der kan opretholde nettet og imødekomme det stadigt stigende globale energibehov. Sidste år, vindenergi leverede 7% af den indenlandske elbehov, og i hele landet - både på og offshore - har energiselskaber installeret gigantiske møller, der når højere og bredere end nogensinde før.

"Vindenergi bliver en virkelig vigtig komponent i elproduktion, "sagde ingeniør Jonathan Naughton ved University of Wyoming, i Laramie. Han erkendte, at skeptikere tvivler på levedygtigheden af ​​vedvarende energikilder som vind og sol, fordi de er vejrafhængige og varierende i naturen, og derfor svært at kontrollere og forudsige. "Det er rigtigt, " han sagde, "men der er måder at overvinde det."

Naughton og Charles Meneveau ved Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland, organiserede et minisymposium på det 73. årlige møde i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics, hvor forskere beskrev løfte- og væskedynamikudfordringer ved vindenergi.

For at vindenergi skal være nyttig - og accepteret - skal forskere designe systemer, der er både effektive og billige, Sagde Naughton. Det betyder at få en bedre forståelse af de fysiske fænomener, der styrer vindmøller, på alle skalaer. Tre år siden, US Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) samlede 70 eksperter fra hele verden for at diskutere videnskabens tilstand. I 2019, gruppen offentliggjorde store videnskabelige udfordringer, der skal løses for, at vindenergi kan bidrage med op til halvdelen af ​​efterspørgslen efter strøm.

En af disse udfordringer var at bedre forstå fysikken i den del af atmosfæren, hvor møllerne fungerer. "Vind er virkelig et atmosfærisk væskemekanisk problem, "sagde Naughton." Men hvordan vinden opfører sig på de niveauer, hvor møllerne fungerer, er stadig et område, hvor vi har brug for flere oplysninger. "

Dagens møller har vinger, der kan strække sig fra 50 til 70 meter, sagde Paul Veers, Chefingeniør hos NREL's National Wind Technology Center, der gav et overblik over udfordringerne under symposiet. Disse tårne ​​tårner sig 100 meter eller mere over deres omgivelser. "Offshore, de bliver endnu større, "sagde Veers.

Fordelen ved at bygge større møller er, at et vindkraftværk ville have brug for færre maskiner til at bygge og vedligeholde og få adgang til de kraftige vinde højt over jorden. Men gigantiske kraftværker fungerer i en skala, der ikke er blevet undersøgt godt, sagde Veers.

"Vi har en virkelig god evne til at forstå og arbejde med atmosfæren i virkelig store skalaer, "sagde Veers." Og forskere som Jonathan og Charles har udført fantastiske job med væskedynamik for at forstå små skalaer. Men mellem disse to, der er et område, der ikke er blevet undersøgt så meget. "

En anden udfordring vil være at studere disse gigantiske roterende maskiners strukturelle og systemiske dynamik. Vindene interagerer med vingerne, som bøjer og vrider. De roterende knive giver anledning til høje Reynolds -tal, "og det er områder, hvor vi ikke har mange oplysninger, "sagde Naughton.

Kraftfulde beregningsmetoder kan hjælpe med at afsløre fysikken, sagde Veers. "Vi skubber virkelig beregningsmetoderne så langt som muligt, "sagde han." Det tager os til de hurtigste og største computere, der findes lige nu. "

En tredje udfordring, Naughton bemærkede, er at studere adfærden hos grupper af møller. Hver turbine producerer et vække i atmosfæren, og da den vågne formerer sig nedstrøms, interagerer den med vågningerne fra andre møller. Vågner kan kombinere; de kan også forstyrre andre møller. Eller noget andet i området. "Hvis der er landbrugsjord i vinden, vi ved ikke, hvordan ændringen i den atmosfæriske strømning vil påvirke det, "sagde Naughton.

Han kaldte vindenergi for det "ultimative skala -problem". Fordi den forbinder småskala problemer som møllernes interaktion med luften til gigantiske problemer som atmosfærisk modellering, vindenergi vil kræve ekspertise og input fra en række forskellige områder for at løse udfordringerne. "Vind er blandt de billigste energiformer, "sagde Naughton." Men efterhånden som teknologien modnes, spørgsmålene bliver sværere. "