Двадцать лет назад ветроэнергетика была в основном нишевой отраслью, на которую приходилось менее 1% общего спроса на электроэнергию в Соединенных Штатах. С тех пор ветер стал серьезным соперником в гонке за разработку чистых возобновляемых источников энергии, которые могут поддерживать энергосистему и удовлетворять постоянно растущий глобальный спрос на энергию. В прошлом году ветровая энергия обеспечивала 7% внутреннего спроса на электроэнергию, и по всей стране — как на суше, так и на море — энергетические компании устанавливали гигантские турбины, которые достигают большего и большего размера, чем когда-либо прежде.
«Энергия ветра станет действительно важным компонентом производства электроэнергии», — сказал инженер Джонатан Нотон из Университета Вайоминга в Ларами. Он признал, что скептики сомневаются в жизнеспособности возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце, потому что они зависят от погоды и изменчивы по своей природе, и поэтому их трудно контролировать и прогнозировать. «Это правда, — сказал он, — но есть способы преодолеть это».
Нотон и Чарльз Менево из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, организовали мини-симпозиум на 73-м ежегодном собрании Отделения гидродинамики Американского физического общества, на котором исследователи описали перспективы и проблемы гидродинамики энергии ветра.
По словам Нотона, для того, чтобы энергия ветра была полезной и приемлемой, исследователи должны разрабатывать системы, которые были бы эффективными и недорогими. Это означает лучшее понимание физических явлений, которые управляют ветряными турбинами во всех масштабах. Три года назад Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США собрала 70 экспертов со всего мира, чтобы обсудить состояние науки. В 2019 году группа опубликовала грандиозные научные задачи, которые необходимо решить, чтобы энергия ветра обеспечивала до половины потребности в электроэнергии.
Одна из этих задач заключалась в том, чтобы лучше понять физику той части атмосферы, в которой работают турбины. «Ветер — это действительно проблема механики атмосферной жидкости», — сказал Нотон. «Но то, как ветер ведет себя на уровнях, где работают турбины, — это все еще область, в которой нам нужна дополнительная информация».
«Сегодняшние турбины имеют лопасти, которые могут вытягиваться от 50 до 70 метров», — сказал Пол Вирс, главный инженер Национального центра ветроэнергетики NREL, который представил обзор проблем во время симпозиума. Эти башни возвышаются над своими окрестностями на 100 и более метров.
Преимущество строительства более крупных турбин состоит в том, что ветряной электростанции потребуется меньше машин для строительства и обслуживания, а также для доступа к мощным ветрам высоко над землей. Но гигантские электростанции функционируют в масштабах, которые не были хорошо изучены, сказал Вирс.
«У нас действительно хорошая способность понимать и работать с атмосферой в действительно больших масштабах», — сказал Вирс. «И такие ученые, как Джонатан и Чарльз, проделали потрясающую работу с гидродинамикой, чтобы понять малые масштабы. Но между этими двумя есть область, которая не так уж изучена».
Другой задачей будет изучение структурной и системной динамики этих гигантских вращающихся машин. Ветры взаимодействуют с лопастями, которые изгибаются и крутятся. Вращающиеся лопасти приводят к высоким числам Рейнольдса, «и это те области, где у нас мало информации», — сказал Нотон.
По словам Вирса, мощные вычислительные подходы могут помочь раскрыть физику. «Мы действительно продвигаем вычислительные методы, насколько это возможно», — сказал он. «Это приводит нас к самым быстрым и самым большим компьютерам, которые существуют прямо сейчас».
Третья проблема, как отметил Нотон, — это изучение поведения групп турбин. Каждая турбина создает след в атмосфере, и по мере того, как этот след распространяется вниз по потоку, он взаимодействует со следами от других турбин. Они могут сочетаться, но также могут мешать работе других турбин. «Если есть сельскохозяйственные угодья с подветренной стороны, мы не знаем, как на них повлияет изменение атмосферного потока», — сказал Нотон.
Он назвал ветроэнергетику «проблемой окончательного масштаба». Поскольку он связывает мелкомасштабные проблемы, такие как взаимодействие турбин с воздухом, с гигантскими проблемами, такими как атмосферное моделирование, ветровая энергия потребует опыта и вклада из различных областей для решения проблем. «Ветер — один из самых дешевых видов энергии», — сказал Нотон. «Но по мере развития технологий вопросы становятся все сложнее».
По информации https://interest-news.ru/novosti/bolshie-vetryanye-turbiny-generiruyut-chistuyu-energiyu-i-udivitelnuyu-fiziku.html
