Pewni naukowcy zadali proste pytanie, bo zamiast zastanawiać się wyłącznie, ile nowych turbin-gigantów możemy postawić, warto zastanowić się, czy aby w ogóle dobrze wykorzystujemy te gigantyczne maszyny, które już stoją. Turbina wiatrowa nie pracuje przecież w laboratoryjnym świecie ze stałym wiatrem wiejącym zawsze idealnie z jednego kierunku. Jej środowisko zmienia się praktycznie bez przerwy i właśnie w tym chaosie może kryć się całkiem spory zapas niewykorzystanej energii.
Zamknęli maleńką turbinę pod gigantycznym ciśnieniem
Zespół specjalistów z MIT, Queen’s University, Princeton University oraz Pennsylvania State University postanowił zbadać ten problem w dosyć absurdalnie wyglądający sposób. Naukowcy wykorzystali turbinę o średnicy wirnika wynoszącej zaledwie 15 cm i wsadzili ją do specjalnego tunelu aerodynamicznego, w którym powietrze zostało sprężone tak mocno, że jego gęstość była od około 100 do 220 razy wyższa niż normalnie. Co ciekawe, tutaj jest pewien rozjazd, bo sam artykuł naukowy mówi o ciśnieniu sięgającym 220 atmosfer, podczas gdy MIT opisuje próby przy wartościach dochodzących do 240 atmosfer.
Czytaj też: Usunęli anodę z akumulatora. Tak może zacząć się nowa era samochodów elektrycznych
Na pierwszy rzut oka brzmi to jak wyjątkowo skomplikowana metoda badania zabawkowego wiatraka, ale fizycznie ma ogromny sens. Przy miniaturyzowaniu turbiny zmieniają się warunki przepływu powietrza, przez co zwykły model w zwykłym tunelu nie zachowuje się po prostu jak pomniejszona elektrownia. Kluczowa jest m.in. liczba Reynoldsa, która opisuje relację między siłami bezwładności i lepkości w przepływie. Jednak zwiększając gęstość powietrza, badacze mogą sprawić, że mała konstrukcja zacznie aerodynamicznie przypominać znacznie większą.
Według Johna Kurelka taki 15-centymetrowy model odpowiada w praktyce turbinie o średnicy około 15-20 metrów, a stanowisko pozwala odtwarzać zachowanie konstrukcji dochodzących do około 35 metrów.
Turbina nie zawsze musi idealnie patrzeć w stronę wiatru
Najważniejsze odkrycie dotyczy jednak nie samego tunelu, lecz tego, co naukowcy w nim sprawdzili. Współczesne turbiny obracają gondolę w stronę wiatru, ale natura niespecjalnie przejmuje się naszymi algorytmami sterującymi. Kierunek wiatru zmienia się, pojawia się turbulencja, a turbina przez sporą część pracy pozostaje przynajmniej trochę źle ustawiona. W wielu modelach takie odchylenie od optymalnego kierunku oznacza po prostu utratę mocy.
Czytaj też: Lepsze panele słoneczne? Laboratoryjny cud fotowoltaiczny wyszedł na powietrze
Badania pokazały jednak, że sprawa jest bardziej skomplikowana. Optymalny współczynnik prędkości końcówki łopaty, czyli relacja między szybkością jej ruchu a prędkością nadchodzącego wiatru, zmienia się wraz z kątem odchylenia turbiny. Z kolei odpowiednia zmiana prędkości obrotowej pozwalała znaleźć nowe maksimum produkowanej mocy nawet wtedy, gdy wirnik nie był skierowany idealnie pod wiatr.
Dla mnie właśnie tutaj zaczyna się najciekawsza część całej historii. Nie wymieniamy generatora. Nie dokładamy kolejnych metrów łopaty. Nie stawiamy nowej wieży. Zmieniamy sposób sterowania tym, co już mamy i zyskujemy.
Kilka procent to mało? Nie kiedy w grę wchodzi cała farma
Nie należy jednak wyciągać z tego badania wniosku, że wystarczy aktualizacja oprogramowania i każda elektrownia wiatrowa zacznie nagle produkować kilkanaście procent więcej energii. Eksperyment przede wszystkim potwierdził zależności aerodynamiczne oraz opracowany Unified Wind Turbine Model. Ten jest na tyle lekki obliczeniowo, że można uruchamiać go nawet na zwykłym laptopie i stosunkowo szybko sprawdzać konfiguracje turbin oraz strategie sterowania.
Czytaj też: Wyciągnął klimatyzator ze śmietnika. Teraz chłodzi cały dom gruntową pompą ciepła
Co ważniejsze, nie zaczynamy tutaj od czystej teorii. Już w 2022 roku zespół Michaela Howlanda prowadził wielomiesięczne eksperymenty na rzeczywistej farmie wiatrowej, celowo zmieniając ustawienie turbin tak, żeby wpływać na ich ślady aerodynamiczne. W konkretnym zakresie prędkości wiatru produkcja całej farmy wzrosła wtedy o około 3%, a po uwzględnieniu wszystkich prędkości o około 1,2%. Niby niewiele, ale przy farmie pracującej przez kilkadziesiąt lat nawet pojedynczy procent przestaje być błędem zaokrąglenia.
MIT szacuje, że wspólna optymalizacja ustawienia turbiny względem wiatru, kąta łopat oraz ich prędkości może oznaczać dodatkowe dziesiątki tysięcy dolarów przychodu rocznie na każdą turbinę.
Elektrownia przyszłości może wyglądać dokładnie tak samo jak dzisiejsza
Ostatnio pisałem już o łopatach turbin powstających z wykorzystaniem druku 4D i wspomnianych latających elektrowniach. Na podstawie takich projektów łatwo odnieść wrażenie, że przyszłość energetyki wiatrowej będzie przede wszystkim widoczna gołym okiem. Większe konstrukcje, nowe materiały i coraz to dziwniejsze projekty. Jednak czy aby na pewno? Ten eksperyment pokazuje zupełnie inną możliwość. Za kilka lub kilkanaście lat część najważniejszych postępów może odbywać się wewnątrz oprogramowania sterującego farmą. Turbiny zaczną reagować nie tylko na pytanie “skąd wieje?”, ale również “jak przy tych konkretnych warunkach powinienem ustawić wirnik, prędkość i łopaty, aby cała farma wyprodukowała najwięcej energii?”.
Źródła: PNAS Nexus, MIT News
