Ветряки на четверть снизят мощность других ветряков в Северном море

Немецкие климатологи обнаружили, что если в Северном море строить ветряные электростанции согласно текущим проектам, то из-за их близкого расположения скорость ветра может снизиться на 2,5 метра в секунду. Это, в свою очередь, уменьшит генерируемую мощность в марте и апреле на 26 процентов, пишут ученые в Scientific Reports.

Одна из самых перспективных разновидностей ветряных электростанций — фермы, расположенные в море. Во-первых, там значительно больше свободного пространства, чем на суше, а во-вторых, заметно сильнее ветер: уже в 10 километрах от берега скорость ветра на 25 процентов больше. Но поскольку стоимость морских ветроэлектростанций примерно в полтора-два раза выше наземных, то и проектировать их надо значительно тщательнее — учитывая возможные аэродинамические эффекты и эволюцию карты морских ветров в ближайшем будущем.

Основная площадка для размещения морских ветрогенераторов в Европе — территория Северного моря. Уже сейчас вдоль побережья и судоходных линий запущены десятки станций, на соседних участках устанавливаются новые ветряки, в других областях изучают возможность запуска ветрогенераторов в будущем.

Если электростанция, даже состоящая из сотен отдельных ветряков, стоит посреди моря в одиночестве, то она оказывает минимальное влияние на розу ветров, и изменение скорости воздушного потока не скажется на ее эффективности в будущем. Но если несколько ферм расположены впритык друг к другу, то энергетическими потерями, связанными с образованием вихревых воздушных потоков, пренебрегать уже нельзя. Энергия ветра, дующего на лопасть турбины, частично преобразуется в электроэнергию, а частично — в турбулентную кинетическую энергию потоков воздуха, уже прошедшего турбогенератор. Это не только снижает скорость самого потока, но и слегка повышает температуру и влажность в области за ветрогенератором — длина этого следа может составлять несколько десятков километров. Немецкие климатологи под руководством Навида Ахтара (Naveed Akhtar) из Центра имени Гельмгольца Гереон решили проверить, как новые ветряные электростанции будут влиять на мощность соседних ферм, если их построят в соответсвии с текущим планом, и выяснили, этот аэродинамический эффект сказывается и на генерируемой мощности, и на направлении и силе ветра.

Исследование проводилось с помощью климатической модели COSMO-CLM. Сначала результаты расчетов авторы работы проверили по данным наблюдений за направлением и скоростью ветров с 2008 по 2017 год в центральной и южной частях Северного моря, где планируется построить наибольшее число морских станций довольно близко друг от друга. После этого ученые смоделировали, как будут вести себя воздушные потоки над Северным морем после строительства запланированных ветроэлектростанций в ближайшем будущем. Сравнив результаты моделирования с электростанциями и без них, климатологи рассчитали, насколько сильно замедлится ветер после прохождения ветроэлектростанций из-за аэродинамического вихревого следа и как это скажется на генерируемой мощности.

Выяснилось, что сильнее всего будет падать скорость у доминирующих в регионе юго-западных ветров — максимальное падение скорости ожидается в марте и апреле, при этом этот аэродинамический вихревой след может растянуться на 40 километров за электростанцией. Максимальная среднегодовая потеря мощности на турбулентную кинетическую энергию составит 18 процентов — это затормозит юго-западный ветер в среднем на 2–2,5 метра в секунду в зависимости от геометрии электростанции. А такое падение скорости в свою очередь приведет к 22-процентному снижению коэффициента использования установленной мощности ветроэлектростанций в среднем за год и 26-процентному снижению — в среднем за сезон.

Ученые отмечают, что уменьшение генерируемой мощности ветрогенераторов более, чем на 20 процентов, — очень заметная величина, которая приведет к значительным экономическим потерям. Поэтому при планировании и запуске новых морских ветроэлектростанций в Северном море необходима дополнительная оптимизация с привлечением международных комиссий.

При проектировании новых ветряных электростанций важно не только правильно размещать их друг относительно друга, но и тщательно следить за расположением отдельных ветряков внутри фермы. Например, в 2018 году физики обнаружили, что выгоднее всего расставлять ветрогенераторы сильно неравномерно — тогда средняя мощность одной турбины внутри станции будет составлять около 60 процентов от мощности одиночного ветряка, а это на 30 процентов выше, чем при равномерной расстановке.