O que é bom para um nem sempre é o melhor para todos.

Turbinas eólicas solitárias produzem mais energia quando apontadas diretamente para o vento. Mas quando as linhas de turbinas bem compactadas enfrentam o vento nos parques eólicos, wakes de geradores upstream podem interferir com aqueles downstream. Como uma lancha desacelerada por águas agitadas de um barco na frente, o rastro de uma turbina eólica reduz a produção daqueles que estão por trás dela.

Apontar turbinas ligeiramente para longe do vento que se aproxima - chamado de direção de esteira - pode reduzir essa interferência e melhorar a quantidade e a qualidade da energia dos parques eólicos, e provavelmente menores custos operacionais, mostra um novo estudo de Stanford.

“Para cumprir as metas globais de geração de energia renovável, precisamos encontrar maneiras de gerar muito mais energia a partir de parques eólicos existentes, "disse John Dabiri, professor de engenharia civil e ambiental e de engenharia mecânica e autor sênior do artigo. "O foco tradicional tem sido o desempenho de turbinas individuais em um parque eólico, mas precisamos começar a pensar na fazenda como um todo, e não apenas como a soma de suas partes. "

Esteiras de turbina podem reduzir a eficiência de geradores a favor do vento em mais de 40 por cento. Anteriormente, pesquisadores usaram simulações de computador para mostrar que turbinas desalinhadas com os ventos predominantes podem aumentar a produção de turbinas a jusante. Contudo, mostrar isso em um parque eólico real tem sido prejudicado pelos desafios de encontrar um parque eólico disposto a interromper as operações normais para um experimento e calcular os melhores ângulos para a turbina - até agora.

Primeiro, o grupo de Stanford desenvolveu uma maneira mais rápida de calcular os ângulos de desalinhamento ideais para turbinas, que eles descreveram em um estudo, publicado em 1 de julho em Anais da Academia Nacional de Ciências .

Então, eles testaram seus cálculos em um parque eólico em Alberta, Canadá em colaboração com a operadora TransAlta Renewables. A produção geral de energia da fazenda aumentou em até 47 por cento em baixas velocidades do vento - dependendo do ângulo das turbinas - e em 7 a 13 por cento nas velocidades médias do vento. A direção de esteira também reduziu os fluxos e refluxos de energia que normalmente são um desafio com a energia eólica.

"Através da direção de esteira, a turbina frontal produziu menos energia como esperávamos, "disse o estudante de Ph.D. em engenharia mecânica Michael Howland, autor principal do estudo. "Mas descobrimos que, devido à diminuição dos efeitos de esteira, as turbinas a jusante geraram significativamente mais energia. "

Variabilidade

A produção variável dos parques eólicos torna o gerenciamento da rede mais difícil de duas maneiras importantes.

Um é a necessidade de fontes de alimentação de backup, como usinas elétricas movidas a gás natural e grandes, baterias caras. No novo estudo, a melhoria da energia em baixas velocidades de vento foi particularmente alta porque as turbinas normalmente param de girar abaixo de uma velocidade mínima, cortando totalmente a produção e forçando os gerentes de rede a depender de energia de reserva. Em ventos lentos, A direção de esteira reduziu a quantidade de tempo que as velocidades caíram abaixo desse mínimo, os pesquisadores descobriram. Notavelmente, os maiores ganhos foram à noite, quando a energia eólica é normalmente mais valiosa como um complemento da energia solar.

A outra é a necessidade de combinar exatamente a quantidade de eletricidade fornecida e usada em uma região a cada momento para manter a rede confiável. A turbulência do ar de esteiras pode tornar a produção de parques eólicos errática minuto a minuto - um período de tempo muito curto para acionar um gerador de gás. Isso torna a correspondência entre oferta e demanda mais desafiadora para os operadores do sistema em curto prazo. Eles têm ferramentas para fazer isso, mas as ferramentas podem ser caras. No estudo, A direção de esteira reduziu a variabilidade de curtíssimo prazo da produção de energia em até 72 por cento.

Adicionalmente, reduzir a variabilidade pode ajudar os proprietários de parques eólicos a reduzir seus custos operacionais. A turbulência nas esteiras pode deformar as lâminas da turbina e aumentar os custos de reparo. Embora o experimento não tenha durado o suficiente para provar que a direção de esteira reduz a fadiga da turbina, os pesquisadores sugeriram que isso aconteceria.

"A primeira pergunta que muitos operadores nos fazem é como isso afetará a saúde estrutural de longo prazo de suas turbinas, "Dabiri disse." Estamos trabalhando para localizar os efeitos exatos, mas até agora vimos que você pode realmente diminuir a fadiga mecânica por meio da direção de esteira. "

Modelagem e viabilidade de longo prazo

Para calcular os melhores ângulos de desalinhamento para este estudo, os pesquisadores desenvolveram um novo modelo baseado em dados históricos do parque eólico.

"Projetar parques eólicos é normalmente uma tarefa com muitos dados e computação intensiva, "disse Sanjiva Lele, um professor de aeronáutica e astronáutica, e de engenharia mecânica. "Em vez de, estabelecemos representações matemáticas simplificadas que não só funcionaram, mas também reduziram a carga computacional em pelo menos duas ordens de magnitude. "

Este cálculo mais rápido pode ajudar os operadores de parques eólicos a usar a direção de esteira amplamente.

"Nosso modelo é essencialmente plug-and-play porque pode usar os dados específicos do local sobre o desempenho do parque eólico, "Howland disse." Diferentes locais de fazendas serão capazes de usar o modelo e ajustar continuamente os ângulos das turbinas com base nas condições do vento. "

Embora os pesquisadores não tenham sido capazes de medir uma mudança na produção anual de energia devido à duração limitada de 10 dias deste teste de campo, o próximo passo, disse Dabiri, é realizar testes de campo durante um ano inteiro.

"Se pudermos chegar ao ponto em que possamos implantar essa estratégia em grande escala por longos períodos de tempo, podemos otimizar potencialmente a aerodinâmica, produção de energia e até mesmo uso da terra para parques eólicos em todos os lugares, "disse Dabiri.