(Crédito: Don Sniegowski / Flickr)
Apontar as turbinas ligeiramente para longe do vento que se aproxima - chamado de “wake-steering” - pode reduzir essa interferência e melhorar tanto a quantidade como a qualidade da energia dos parques eólicos, segundo a pesquisa.
A mudança provavelmente reduziria os custos operacionais também.
Turbinas eólicas solitárias produzem a maior potência quando apontam diretamente para o vento. Mas quando as linhas de turbinas compactas enfrentam o vento nos parques eólicos, os despertares dos geradores a montante podem interferir com aqueles a jusante. Como uma lancha desacelerada pela água agitada de um barco na frente, a esteira de uma turbina eólica reduz a produção dos que estão por trás dela.
“Para atender as metas globais de geração de energia renovável, precisamos encontrar maneiras de gerar muito mais energia a partir dos parques eólicos existentes”, afirma o autor sênior John Dabiri, professor de engenharia civil e ambiental e de engenharia mecânica da Universidade de Stanford. “O foco tradicional tem sido no desempenho de turbinas individuais em um parque eólico, mas precisamos, em vez disso, começar a pensar na fazenda como um todo, e não apenas como a soma de suas partes”.
O acionamento da turbina pode reduzir a eficiência dos geradores a favor do vento em mais de 40 por cento. Anteriormente, os pesquisadores usaram simulações de computador para mostrar que as turbinas desalinhadas dos ventos dominantes poderiam aumentar a produção de turbinas a jusante. No entanto, os desafios em encontrar um parque eólico disposto a interromper as operações normais para um experimento e ao calcular os melhores ângulos para a turbina impediram a demonstração disso em um parque eólico de verdade - até agora.
Primeiro, os pesquisadores desenvolveram uma maneira mais rápida de calcular os ângulos ideais de desalinhamento para as turbinas, que eles descrevem em Proceedings, da Academia Nacional de Ciências.
Em seguida, eles testaram seus cálculos em um parque eólico em Alberta, Canadá, em colaboração com a operadora TransAlta Renewables. A potência total da fazenda aumentou em até 47 por cento em baixas velocidades de vento - dependendo do ângulo das turbinas - e por 7 a 13 por cento na velocidade média do vento. Wake steering também reduziu os altos e baixos de energia que normalmente são um desafio com a energia eólica.
"Através da direção de esteira, a turbina dianteira produziu menos energia como esperávamos", diz o autor Michael Howland, um estudante de doutorado em engenharia mecânica. "Mas descobrimos que, devido à diminuição dos efeitos de esteira, as turbinas a jusante geraram significativamente mais energia".
Melhoria dos parques eólicos
A produção variável de parques eólicos dificulta o gerenciamento da rede de duas maneiras importantes.
Uma é a necessidade de fontes de energia de backup, como usinas de energia a gás natural e baterias grandes e caras. No estudo, a melhoria de energia em baixas velocidades do 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 da energia de reserva. Em ventos lentos, o sistema de acordar reduziu a quantidade de tempo que as velocidades caíram abaixo desse mínimo, descobriram os pesquisadores. Notavelmente, os maiores ganhos foram à noite, quando a energia eólica é tipicamente mais valiosa como complemento à energia solar.
A outra é a necessidade de corresponder exatamente a quantidade de eletricidade fornecida e usada em uma região a cada momento para manter a rede confiável. A turbulência do ar causada pelos acordes pode tornar a produção eólica errática minuto a minuto - um período de tempo muito curto para acionar um gerador de gás. Isso torna a oferta e demanda correspondentes mais desafiadora para os operadores do sistema no curto prazo. Eles têm ferramentas para fazer isso, mas as ferramentas podem ser caras. No estudo, a ativação do sistema reduziu a variabilidade de curto prazo da produção de energia em até 72 por cento.
Além disso, a redução da variabilidade pode ajudar os proprietários de parques eólicos a reduzir seus custos operacionais. A turbulência em vigília pode forçar as pás da turbina e aumentar os custos de reparo. Embora o experimento não tenha durado o tempo suficiente para provar que a ativação da direção reduz a fadiga da turbina, os pesquisadores sugerem que isso aconteceria.
"A primeira pergunta que muitos operadores nos perguntam é como isso afetará a saúde estrutural de longo prazo de suas turbinas", diz Dabiri. "Estamos trabalhando para identificar os efeitos exatos, mas até agora vimos que você pode realmente diminuir a fadiga mecânica através da direção de ativação."
Obtendo os ângulos certos
Para calcular os melhores ângulos de desalinhamento para este estudo, os pesquisadores desenvolveram um novo modelo baseado em dados históricos do parque eólico.
“Projetar fazendas eólicas é tipicamente uma tarefa muito intensiva em dados e computacionalmente”, diz Sanjiva Lele, professor de aeronáutica e astronáutica e de engenharia mecânica. "Em vez disso, estabelecemos representações matemáticas simplificadas que não apenas funcionavam, mas também reduziam a carga computacional em pelo menos duas ordens de magnitude".
Esse cálculo mais rápido poderia ajudar os operadores de parques eólicos a usar amplamente o sistema de wake wake.
“Nosso modelo é essencialmente plug-and-play porque pode usar os dados específicos do local no desempenho do parque eólico”, diz Howland. “Diferentes locais agrícolas poderão usar o modelo e ajustar continuamente os ângulos das turbinas com base nas condições do vento.”
Embora os pesquisadores não tenham conseguido medir uma mudança na produção anual de energia devido à duração limitada do dia 10 deste teste de campo, o próximo passo, diz Dabiri, é realizar testes de campo durante um ano inteiro.
"Se conseguirmos chegar ao ponto em que podemos implantar essa estratégia em larga escala por longos períodos de tempo, poderemos potencialmente otimizar a aerodinâmica, a produção de energia e até mesmo o uso da terra para fazendas eólicas em todos os lugares", diz Dabiri.
O apoio para a pesquisa veio da National Science Foundation, da Stanford Graduate Fellowship e do TomKat Center for Sustainable Energy da Stanford. Os pesquisadores realizaram testes de campo em colaboração com a TransAlta Corp.
Fonte: Universidade de Stanford
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