Szinergikus klaszterezést használó szélturbinafarmok.

A függőleges tengelyű szélturbinákat (VAWT) újra gondolják, mint a szélesebb körben használt vízszintes tengelyű
szélturbinák (HAWT) kiegészítő technológiáját, köszönhetően annak, hogy kifejezetten alkalmasak sík felületű
telepítésekre. Ezen túlmenően a helyszíni kísérletek megerősítették, hogy a függőleges tengelyű szélturbinák szinergikus
kölcsönhatásban képesek fokozni a teljes energiatermelést, ha közel helyezik el őket.
Itt egy működtetősor-modellt használunk egy nagy örvényű szimulációban, hogy teszteljük az új VAWT
farmkonfigurációkat, amelyek kihasználják ezeket a szinergikus kölcsönhatásokat. Először három-három turbinával
rendelkező klasztereket tervezünk, amelyek megőrzik a függőleges tengelyű szélturbinák minden irányú
irányíthatóságát, és optimalizálják a klaszteres turbinák közötti távolságot.
Ezután a farmokat fürtök, nem pedig egyedi turbinák alapján konfiguráljuk.
A szimulációk megerősítik, hogy a függőleges tengelyű szélturbinák pozitív hatást gyakorolnak egymásra, ha jól
megtervezett klaszterekbe vannak csomagolva: az ilyen konfigurációk egyetlen turbina energiatermelését körülbelül
10 százalékkal növelik.
Ezenkívül a klaszterek kialakítása lehetővé teszi a kisebb turbinatávolságot, ami körülbelül háromszor annyi turbinát
eredményez egy adott földterületen, mint a hagyományos konfigurációkban.
Ezért mind a turbina, mind a szélerőművek hatékonysága javul, ami az egységnyi területre eső energiatermelés
sűrűségének jelentős növekedéséhez vezet.
Rendszertechnológia bemutatása:
Az energiahatékonyság javítására és a gazdasági növekedésnek az energiafogyasztástól való szétválasztására
irányuló összehangolt erőfeszítések ellenére az Egyesült Államok Energia Információs Hivatala előrejelzése szerint 2015
és 2040 között a globális teljes energiafogyasztás körülbelül 45%-kal fog növekedni.
Az üvegházhatású gázok kibocsátásának ezzel járó nagymértékű növekedésének mérséklése szükségessé teszi az
alternatív, alacsonyabb kibocsátású energiaforrások feltárását, különösen azért, mert a jelenlegi fosszilis alapú
energiaforrások többsége véges, és egyéb káros mellékhatásokkal is jár a környezetre. A szélenergia várhatóan a tiszta,
megújuló energia egyik elsődleges forrása lesz, amely lehetővé tenné a gyors átállást a fosszilis tüzelőanyag-alapú
energiáról.
Az USA-ban például az előrejelzések szerint 2030-ra a szélenergia az elektromos energia mintegy 20%-át adja majd.
Ennek eredményeként egyre nagyobb szélerőműveket telepítenek, és ezeknek a parkoknak a folyamatos elterjedése
és bővítése kihívást jelent, mivel a szükséges földterület megnő.
A jelenlegi kutatások fő célja tehát a szélerőművek energiasűrűségének növelése, vagyis mennyi energia állítható elő
egységnyi földterületre.
A szélerőművekben a turbináknak elég távol kell lenniük egymástól ahhoz, hogy a szélsebesség az oldalirányú vagy
függőleges lendületbevonódás révén helyreálljon, miután a szélgenerátor lassítja a sebességet.
A turbinák közötti távolság csökkenti a felfelé irányuló turbinák turbulenciája által keltett fáradási terhelést is, és így
növeli a turbinák élettartamát. A meglévő gazdaságok nagy többsége vízszintes tengelyű szélturbinákat (HAWT)
használ; a vízszintes tengelyű szélturbinák viselkedését nagy szélerőművekben, és a közöttük szükséges távolságot
alaposan tanulmányozták az impulzus és a kinetikus energia vertikális transzportját vizsgálták egy teljesen kidolgozott
HAWT-tömb határrétegben (a szélerőmű felett kialakuló belső határrétegként).
Megmutatták, hogy a nagy szélerőműparkok esetében a kinetikus energia regenerálása főként a farm tetejét
körülvevő síkon lefelé irányuló függőleges fluxusokból történik, ellentétben a korlátozott számú szélturbinasorral
rendelkező farmokkal, ahol a mozgási energia áramlási advekciója dominál.
A szélturbina-tömb határrétegének koncepciója különösen hasznos azoknál a szélerőműveknél, ahol az áramlási irányú
park hossza egy nagyságrenddel nagyobb, mint az atmoszférikus határréteg (ABL) mélysége, mivel az ilyen parkok
hatása a szélerőművek tetejéig terjed.
Kimutatták, hogy egy lépcsőzetes szélerőműpark 5%-kal több energiát tud kivonni, mint egy összehangolt konfiguráció,
és egy nyomon követési tanulmányban a turbinák térközének optimalizálását vizsgálták teljesen kiépített

szélerőművekben. Megmutatták, hogy a pénzügyi optimalizálási elemzésben a földköltség és a turbina költség aránya
(az egységköltségre jutó teljesítmény maximalizálása) befolyásolja a levezetett optimális távolságot. Azt mutatják,
hogy az optimális turbinatávolság nagyobb, mint a HAWT szélerőművekben jelenleg használt.
A közelmúltban azt is kimutatták, hogy a legnagyobb elérhető átlagos szélerőmű-teljesítmény erősen függ a
turbinasorok átlagos szélirányhoz viszonyított elrendezésétől, és az optimális beállítási szög lényegesen kisebb, mint egy
tökéletesen lépcsőzetesen elhelyezett gazdaságban. A domináns széliránnyal rendelkező szélerőműparkok esetében
ezek az eredmények alkalmazhatók a szélfarmok teljesítményének javítására.
A fentiek és más korábbi munkák mindegyike a vízszintes tengelyű szélturbinákból álló szélerőművekre összpontosított
Azonban a közelmúltban Dabiri (2011) felvetette a szélerőművek teljesítménysűrűségének nagyságrendű növelésének
lehetőségét, ha függőleges tengelyű szélturbinákat (VAWT) használnak. Forgási tengelyüknek köszönhetően a VAWT
ébredések és az áramlás a VAWT farmon egyértelműen különbözik a HAWT megfelelőitől. Ezt a potenciális
teljesítménysűrűség-növekedést úgy lehet elérni, ha a VAWT-farmokat kisebb távolságra konfigurálják, hogy jobban
kihasználják az upstream turbinák által létrehozott áramlási mintákat. Dabiri (2011) és munkatársai kísérleteket végeztek
9 méter magas, függőleges tengelyű szélturbinák különböző, egymással ellentétes forgási konfigurációiban, és
bebizonyították, hogy a vízszintes tengelyű szélturbinák tipikus teljesítménycsökkenésétől eltérően, szoros térközzel,
Növekszik a VAWT teljesítménye, ha a szomszédos turbinák szinergikus kölcsönhatásra vannak elrendezve.
A magas kísérleti költségek és időigény azonban megakadályozza ezen terepi vizsgálatok kiterjesztését a nagyüzemi
méretekre vagy nagyszámú konfiguráció értékelésére.
Farm tervezés: Teljesítményértékelés
Most a fő kérdéssel foglalkozunk: a függőleges tengelyű szélturbinák közötti szinergikus kölcsönhatások növelhetik-e a
szélerőművek teljesítménysűrűségét?
Gyakorlatilag meg kell vizsgálnunk, hogy a szinergikus klaszterekkel rendelkező gazdaságok javítottak-e a
teljesítményükön (több energiát termelnek-e egységnyi földre vagy a befektetett költségen belül) a szélfarm két
prototipikus elrendezéséhez képest, egymáshoz igazított és lépcsőzetes szabályos tömbökhöz képest.
A kiválasztott turbina mérete és a fent kapott eredmények alapján tizenegy farm konfigurációt szimuláltak.

11. ábra

A11. ábra A szélerőműpark-konfiguráció vázlata VAWT háromszög alakú klaszterekkel, L 5D turbina-turbina elválasztási távolsággal és 20D
klasztertávolsággal az összehangolt klaszterkonfigurációhoz
A szinergikus klaszterekkel javult a teljesítmény (több energiát termelnek egységnyi földre vagy a befektetett
költségeken belül) a szélerőműpark két prototipikus elrendezéséhez képest, egymáshoz igazított és lépcsőzetes
szabályos tömbökhöz képest. A kiválasztott turbina mérete és a fent kapott eredmények alapján tizenegy farm
konfigurációt szimuláltak Az egyik konfigurációt a fenti ábra szemlélteti.

Függőleges tengelyű szélturbina klaszter tervezés: geometriai és árnyékolási szempontok.
Kimutatták, hogy a függőleges tengelyű szélturbinák kis elrendezésekben történő klaszterezése számos előnyös
következménnyel jár az energiatermelésben (Dabiri2011).
A turbinák globális teljesítménye javul, mivel a folyásirányban elhelyezkedő turbinák részesülnek az áramlás-eltérítési
hatásból és az ebből eredő nagyobb áramlási sebességből, amelyet a felfelé irányuló turbinák indukálnak.
A széliránytól függően azonban a gazdaságban a turbinasorok beállításához képest a kompakt klaszterezésnek
negatív hatásai is lehetnek, ha az egyik turbina főként egy felfelé irányuló rotor nyomában/árnyékában van.
Például, ha két turbina össze van csoportosítva, a szélirányok tartománya, ahol az egyik turbina (részben vagy teljesen)
a másik árnyékában van, 2β, ahol β tan−1(2D/2L) (5. ábra), balra), L a turbina távolsága (középponttól középpontig)
egy klaszterben.
Megjegyezzük, hogy ez pusztán geometriai megfontolás, amely nem veszi figyelembe az ébredés kiterjedését.
Másrészt, ha az áramlás megközelítőleg merőleges a középpont-közép tengelyre, akkor a két turbina közötti nagyobb
indukált sebességet nem használják ki.

Egy további turbina bevezetésével a szélirányok tartománya, ahol két turbina közvetlenül árnyékolhatja egymást, 6β-
ra nő (5. ábra középen).

A harmadik turbina azonban profitálhat a két felfelé irányuló turbina között indukált nagyobb szélsebességből, vagy a
két alsó rotor profitálhat a felfelé irányuló turbina keresztirányú áramlási eltérítéséből (a szél irányától függően).
Ez azt eredményezheti, hogy a három nem kölcsönhatásban álló energiatermelés nagyobb, mint a három távoli nem
kölcsönhatásban lévő energiatermelés (ez a javulás az L/D-től függ, amint az alább látható). A beépített turbinák
számának növelésével.
5.ábra

Konklúziók
Bemutattunk egy új koncepciót a nagy függőleges tengelyű szélturbina-farmok elrendezésének optimalizálására,
kihasználva a szorosan elhelyezett turbinák közötti szinergikus kölcsönhatásokat, amelyekről korábban kimutatták, hogy
korlátozott számú turbinánál nagyobb teljesítményt adnak.
A turbinák egy nagy örvényű szimulációba ágyazott működtető-vonal-modell-ábrázolásával a két ellentétes irányban
forgó turbina által generált modellezett hullámot először sikeresen validálják a helyszíni kísérletek megfigyelései alapján.
A függőleges tengelyű szélturbinák áramlási eltérítése által létrehozott nagy szélsebesség előnyeit a közeli szélturbinák
közelében helyezik el, háromszögletű klaszter kialakítást javasolunk, amely három függőleges tengelyű szélturbinából
áll, amelyek a nagyobb szélerőművek alapját képezik.
A háromszög alakú kialakítás az, amely a legjobban kihasználja az áramlási gyorsulást, minimális növekedéssel az
ébrenléti árnyékolásban.