При вращении, турбины преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую. Однако и сама установка турбин влияет на способность использовать энергию ветра. Когда турбина взаимодействует с ветром, она воздействует на него. Отбор энергии ветра одной турбиной влияет на способность соседней турбины делать то же самое.
«Ветер никогда не иссякнет как энергетический ресурс, но наша способность собирать его также не может быть бесконечно масштабируемой», – пояснил Антонини. «Когда ветряные турбины сгруппированы в большие группы, их производительность снижается, и скорость, с которой они извлекают энергию тоже снижается».
Исследователи намеревались определить, насколько большой может быть ветряная электростанция до того, как ее генерирующая способность на единицу земли достигнет пределов восполнения энергии, а также насколько большие фермы отбрасывают «ветровую тень», что будет иметь негативный эффект на любых соседних установках с подветренной стороны.
«По мере того, как мы отказываемся от ископаемого топлива, некоторые сценарии предсказывают, что к 2050 году ветряные фермы смогут поставлять до одной трети мировой энергии», – сказал Калдейра. «Поэтому совершенно необходимо, чтобы мы понимали взаимосвязь между размещением турбины и максимальным извлечением энергии».
Ветру требуется время, чтобы вернуться к нормальной силе после того, как часть его кинетической энергии была извлечена ветряной электростанцией. По словам Калдейры, то, как быстро ветер может восстановиться после столкновения с ветряной турбиной, зависит от широты ветряной электростанции и вращения Земли. Предыдущие исследования ветроэнергетики заметили следы позади больших ветряных электростанций, поэтому исследователи разработали теоретическое понимание фундаментальных механизмов контроля размера этих следов.
Размер следа от большой ветряной электростанции зависит от скорости вышележащих ветров, а также от количества времени, необходимого перепадам давления в атмосфере Земли, чтобы восполнить энергию, которая была извлечена турбинами. Работа исследователей показывает, что эти факторы следует учитывать при определении размера и размещения ветряных электростанций в различных условиях.
Например, они обнаружили, что турбины в районах с сильными ветрами с большей вероятностью пострадают от их соседей вверх по течению, чем турбины в районах с более слабыми ветрами. Кроме того, ветряные электростанции, расположенные ближе к экватору, с большей вероятностью пострадают от ветровой тени от ветряных электростанций, расположенных вверх по течению, чем ветряные электростанции, расположенные ближе к полюсам.
«Энергия ветра является потенциальным источником большого количества энергии без выбросов углерода», – сказал Калдейра. «Но чтобы получить максимальную отдачу от этого ресурса, нам нужно подумать о том, как другие ветряные фермы могут повлиять на нас, и как мы можем повлиять на другие ветряные фермы».
Одна из идей, предложенных авторами, заключается в том, что строительство нескольких небольших ветряных электростанций с пространством для рекуперации ветра между ними потенциально может быть более эффективной стратегией в некоторых местах, чем строительство одной массивной ветряной электростанции.
