Forskere finjusterer simulering af vindmølleparker

Vindkraft er på vej til at levere næsten en femtedel af verdens efterspørgsel efter elektricitet i 2050, ifølge Global Wind Energy Council. Mens vindmøller generelt betragtes som et bæredygtigt alternativ til traditionelle energikilder, relativt lidt er kendt om den indvirkning, de har på deres nærmeste omgivelser. Et samarbejdende forskerhold baseret i Beijing, Kina, arbejder på bedre at forstå den effekt vindmølleparker har lokalt og globalt ved at undersøge præstationen af ​​prædiktive modeller, der i øjeblikket bruges til at forudsige deres effekt. Deres analyse er offentliggjort i Fremskridt inden for atmosfæriske videnskaber .

"Observations- og modelleringsstudier indikerer, at vindmølleparker potentielt kan påvirke lokalt vejr ved at bidrage til luftturbulens og reducere vindhastigheden nedstrøms for parken, "sagde Guo Zhenhai, en forfatter på papiret og en professor ved State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics ved Institute of Atmospheric Physics ved det kinesiske videnskabsakademi. "Direkte observationer er begrænsede, selvom, så modelleringsteknikker er blevet et værdifuldt forskningsværktøj til at undersøge de virkninger, vindmølleparker har. "

Vind bevæger en turbines lange arme. Mens armene snurrer, de overfører energien fra vindens kinetiske energi til tandhjul inde i turbinen. Energien kommer til sidst til en generator, hvor det oversættes til elektricitet. Stærkere vind hjælper vindmølleparker med at producere endnu mere elektricitet. Imidlertid, da den kinetiske energi absorberes af turbiner, vinden ser ud til at aftage, når de når land uden for vindmølleparken.

En ændring i vinden kan ændre kritiske faktorer for landbruget i lokale områder, såsom temperatur og fugtniveauer i luften og jorden, ifølge forskerne. Men, på grund af den store størrelse af vindmølleparker, og vindhastighedernes foranderlige karakter, topografi, andre påvirkende variabler, der er meget få observerbare data om præcis, hvordan vindmølleparker påvirker deres naboer.

Forskere bruger typisk klimamodeller til at se, hvordan visse parameter ændrer sig, såsom en stigning i temperaturen, kan påvirke nedbør i et bestemt område, men de er stærkt kalibreret og valideret mod observerbare data. De to beregningsmodeller, der bruges til at forudsige, hvordan vindmølleparker påvirker miljøet omkring dem, har ikke den samme information fra den virkelige verden til sammenligning for nøjagtighed, ifølge Guo.

De to systemer, kaldet Wind Farm Parameterization and Weather Research and Forecasting, kombineres typisk for bedre at sikre ensartet adfærd på tværs af prognoser. Når parametrene ændres i forskellige modelleringsscenarier, forskerne skal vide, om den forudsagte adfærd er et resultat af en ny variabel eller forårsaget af en beregningsmæssig fejl. Denne afgørelse er næsten umulig at foretage uden korrekt validering.

I et forsøg på bedre at forstå, hvordan modellerne forudsiger vejrudfald uden hårde datapunkter, forskerne undersøgte, hvordan man kunne validere modellens opløsninger mod sig selv. Opløsningen er detaljeniveauet for et specifikt studiepunkt af interesse, såsom præcise geografiske grænser. En model med en lav geografisk opløsning kunne køre simuleringer af vindpåvirkning over hundreder af miles; en høj opløsning kunne indsnævre simuleringerne til mere præcise områder.

"Mens den koblede model bruges meget, det er ikke godt valideret på grund af manglen på direkte observationsdata, " sagde Guo. "Faktisk, i de fleste undersøgelser, hvor den koblede model anvendes, det bemærkes, at modelopløsningerne spiller en stor rolle i at reproducere de få observationsdatasæt, der er tilgængelige."

Valget af modelopløsning for visse variabler frem for andre kan i høj grad skæve resultaterne, og, for at genskabe virkelige forhold, modelleringsscenarier har brug for forskellige opløsninger for forskellige parametre.

Guo og hans team undersøgte specifikt lodrette og vandrette opløsninger, som styrer, hvordan modellen simulerer vindstrømmen gennem og ud over vindmølleparken. De fandt ud af, at højere lodrette og vandrette opløsninger påvirkede, hvordan vinden bevægede sig i simuleringer, og den horisontale opløsning kunne have en væsentlig indflydelse på, hvordan overfladetemperatur og vanddamp opførte sig.

"Vi har brug for flere modellerings- og observationsstudier over en længere periode og en bredere vifte af atmosfæriske forhold for at forstå, hvordan man udnytter vindenergi optimalt, "Guo sagde." Den valideringsproces, vi har foretaget, er et vigtigt skridt i at specificere randbetingelserne for at sikre, at systemets vilkår i øjeblikket kan repræsentere den observerede situation.