Como nossa compreensão limitada da atmosfera reduz a energia eólica
Os parques eólicos parecem menos produtivos quando os cientistas incorporam modelos atmosféricos mais realistas em suas previsões de produção.
- O fluxo da atmosfera sobre um grupo de turbinas eólicas causa turbulência que pode injetar ou retirar energia dos parques eólicos.
- Entender esse processo requer simulações de computador complexas que tratam a atmosfera como um fluido com propriedades variadas.
- Certas condições com vento reduzido em grandes altitudes podem reduzir a produção prevista de uma turbina em até 30%.
O vento sopra, bate e gira uma hélice, um gerador gira e a energia é extraída. A energia eólica parece bastante simples. Mas há um fato complicador importante: nossa atmosfera é fluida. Ele flui em padrões extraordinariamente complicados, como creme no café ou óleo na água, que são quase impossíveis de prever.
Um estudo de pesquisa publicado recentemente modela o fluxo turbulento da atmosfera através de uma série de turbinas eólicas, demonstrando que certas condições atmosféricas realistas podem fazer com que a potência de saída de algumas turbinas diminua queda de até 30% quando comparado com previsões mais simples.
A geração elétrica é um jogo de eficiência, convertendo uma determinada quantidade de energia natural disponível na maior quantidade possível de energia elétrica. Carvão, petróleo, gás natural e usinas nucleares aquecem e resfriam a água para girar as turbinas. Nós entendemos a física direta da termodinâmica ciclo de Rankine que rege este processo, permitindo-nos prever e maximizar de forma confiável a eficiência da usina até os limites da ciência e da praticidade.
dinâmica de fluidos
Física muito mais complexa é necessária para descrever nossa atmosfera. Esta é a razão fundamental pela qual os modelos de tempo e clima são tão falíveis. A atmosfera é uma enorme concha de fluido, interagindo consigo mesma, com o sol, com o solo e com a concha fluida do oceano. Sua pressão, densidade e temperatura variam o tempo todo em todos os locais. O comportamento de tal sistema é descrito pela dinâmica dos fluidos.
A dinâmica dos fluidos é legitimamente difícil. Considere que as equações de campo de Einstein, um conjunto de equações extremamente difíceis que descrevem a gravitação por meio da curvatura na geometria do espaço-tempo, têm muitas soluções conhecidas. Enquanto isso, as equações de Navier-Stokes que governam uma grande parte da dinâmica dos fluidos têm zero soluções satisfatórias para condições 3D realistas. Você pode ganhar $ 1 milhão agora mesmo se você puder demonstrar que existe qualquer solução.
Enquanto muitas áreas da física se prestam a soluções precisas, a dinâmica dos fluidos é um jogo de prever padrões aproximados de comportamento, saber quando eles se decompõem (rapidamente, em geral) e, em seguida, recorrer a modelos de computador. Esses modelos aproximam o fluido com fidelidade suficiente para evitar o caos por um tempo, ao custo de muitos ciclos de clock de cálculo da CPU. É aqui que entra o estudo recente. Os autores usaram um supercomputador para modelar o fluxo da atmosfera sobre um campo de turbinas eólicas.
Os parques eólicos são construídos em locais onde há uma faixa de vento forte logo acima da superfície da Terra. Suas lâminas atingem essa corrente, giradas pelo impacto das moléculas de ar em fluxo. No entanto, esta é apenas uma parte das verdadeiras condições atmosféricas. Há também um gradiente de pressão atmosférica que varia com a altitude, alterando ainda mais a velocidade do vento em qualquer altitude específica.
Sabemos como o campo da turbina eólica deve se comportar sob um modelo simplificado da atmosfera onde os gradientes de pressão que produzem o fluxo atmosférico (vento) são os mesmos em todas as alturas. Em certos lugares, em certos momentos, isso pode ser quase verdade. Na maioria das vezes, porém, esses gradientes variam com a altitude de várias maneiras: por localização, hora do dia, padrão climático, corrente oceânica e época do ano.
No modelo simplificado sem gradientes de pressão, a faixa suave de vento se move horizontalmente, minimizando a turbulência de turbulência na altura da pá e no ar acima das pás. Isso produz um duelo de efeitos positivos e negativos. O fluxo horizontal não perde impulso na direção vertical, onde não pode conduzir as pás. No entanto, ele perde momento horizontal quando atinge a pá de uma hélice, deixando menos energia para ser extraída se impactar a pá da próxima hélice atrás dele. Um fluxo turbulento poderia arraste para baixo o ar fresco de cima que contém mais impulso para a frente.
Melhorando modelos atmosféricos
O modelo de vento atmosférico mais realista adiciona gradientes de pressão vertical que perturbam a faixa de vento simplificada na altura do propulsor e diminuem o vento em altitudes mais altas. As simulações mostram que isso reduz a velocidade do jato de vento que entra e cria turbulência que retarda o fluxo horizontal que impulsiona as pás. No entanto, a turbulência não reduz o fluxo de ar suficiente acima das hélices para compensar a perda de velocidade horizontal que causa. Assim, incluir a condição atmosférica mais complexa tem o efeito líquido de reduzir a produção esperada do parque eólico modelado em até 30%.
Esta pesquisa examina apenas alguns casos de possíveis condições atmosféricas. Estes ainda são simplificados muito além de nossa atmosfera real. Isso demonstra amplamente que nossa compreensão de como extrair energia da atmosfera com eficiência é muito mais limitada do que nossa compreensão de como fazê-lo a partir de combustíveis fósseis e nucleares. Os parques eólicos podem produzir menos energia do que esperamos por todos os tipos de razões que não podem ser reveladas por nossa modelagem simplificada da dinâmica dos fluidos atmosféricos.
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