Wirbelnde Schneeflocken entlarven turbulenten Luft auf Windparks

Die Art und Weise Schnee Tänze rund um Windkraftanlagen ist Aufschluss über die Geheimnisse der Luftverwirbelungen Verhalten, zeigt eine neue Studie.

Diese Forschung verbessern könnte wie effizienten und zuverlässigen Windenergieanlagen sind und Ertrag Erkenntnisse darüber, wo Sie beste Windparks platzieren konnte, so die Wissenschaftler.

Windkraftanlagen nutzen die Windenergie zur Stromerzeugung, mit massiven Rotoren, die in der Regel 80 bis 300 Metern (24, 91) über messen. Wind ist sauber und unerschöpflich, dass Windenergie eine attraktive Form der alternativen Energien weltweit – die Menge an Strom aus Windkraft hat mehr als 16 Mal von 2000 bis 2012 erhöht. Die Vereinigten Staaten bekommt 3,5 Prozent seines Stroms aus Wind insgesamt, aber bestimmte windigeren Staaten mehr herausholen – zum Beispiel, Iowa und South Dakota erhalten mehr als 20 Prozent ihres Stroms aus Wind, nach der American Wind Energy Association. [Top 10 verrückteste ökologischen Ideen]

Wissenschaftler wollen um Wind-Turbine-Stromerzeugung und strukturellen Zuverlässigkeit zu verbessern, erfahren mehr darüber, wie diese Geräte mit der Umgebungsluft zu interagieren. Turbulente Luftströmung im Zuge einer Turbine kann Auswirkungen auf wie viel Strom produziert und erhöhen die mechanische Belastung des Rahmens.

Jedoch bis jetzt gab es keine Möglichkeit, richtig visualisieren Luftverwirbelungen um Full-Scale-Anlagen. Im besten Fall Forscher an Windkraftanlagen 3 Fuß (1 Meter) oder so hoch im Labor Windkanal verlassen musste, aber das Problem mit dieser Arbeit ist der Weg, die Luft strömt variieren können, mit Skala, was bedeutet, dass Ergebnisse aus Experimenten mit kleinen Turbinen nicht zu größeren zutreffen könnte. Frühere Forschung schlägt vor, dieses Defizit im Verständnis wie wind Turbinen Arbeit Ursachen Windparks weniger effizient, mit einer durchschnittlichen Verlustleistung von 10 bis 20 Prozent erfüllen.

Nun führen Studie Autor Jiarong Hong, ein Fluid Dynamiker an der University of Minnesota in Minneapolis, und seine Kollegen haben eine Möglichkeit, Modell Luftverwirbelungen um Windkraftanlagen entwickelt – von Schnee zu analysieren, wie es um Windkraftanlagen während Schneestürmen wirbelt.

Minnesota-Winter

Das Konzept kam Hong wie er für seine aktuelle Arbeit angewendet. "Die Idee der Verwendung von Schneeflocken natürlich zu mir gekommen als ich darüber nachdachte, die ich zu meinem Einstieg in Minnesota war", sagte Hong. "Als ich anfing, Aufmerksamkeit auf Schneeflocken von einer Straßenlaterne beleuchtet in einer verschneiten Nacht an Minnesota, fühlte ich, dass ich auf etwas war."

Während der Feldarbeit analysierten die Forscher Schnee weht vorbei an einer 2,5 Megawatt Windkraftanlage etwa 260 Fuß (80 m) hoch mit klingen etwa 157 Fuß (48 m) lang. Messungen wurden in der Nacht und Schnee war mit Platten aus Licht von einer leistungsstarken Scheinwerfer beleuchtet. Bilder und Videos von den Schnee von hochauflösenden Kameras später half Luftverwirbelungen Wissenschaftler Spuren von Windkraftanlagen in der Region zwischen 10 und 128 Fuß (3 und 39 m) über dem Boden. [Infografik: Erde Atmosphäre von oben nach unten]

"Anfangs, als ich vorschlug mit Schneeflocken zur Messung des Durchflusses bei großen Skalen, Leute lachten – sie wollte es nicht glauben und dachte, ich sei verrückt," Hong sagte. "sie waren skeptisch, wir könnten der Fläche eines Gebäudes zu beleuchten und ob die Kameras hatten hochauflösende, einzelne Schneeflocken und viele weitere technische Herausforderungen zu erfassen."

Darüber hinaus erinnerte versucht zu spät in die Nacht im Winter Schneestürme in Minnesota forschen anspruchsvoll war, Hong.

"Wir Wettervorhersagen hören musste, und ging hinaus, um die Website, wenn Prognosen vorhergesagt, hohe Wahrscheinlichkeiten von Schnee, aber viele Male die Prognosen waren nicht präzise und vielen Einsätzen nicht geklappt", sagte Hong. "Auch mit einem großen Schneesturm, der Schnee war zu schwer, und wir stecken ganz – dauerte es fünf oder sechs Stunden, nehmen Sie die Instrumente und die Bereitstellung gelang es nicht, entweder. Wir haben unsere Ergebnisse auf Anhieb bekommen – es hat wirklich eine Menge von Versuch und Irrtum. "

Turbulenter Luft

Die Forscher analysierten erfolgreich Unterschiede zwischen Lab Turbinen und Real-Größe Turbinen. Um mit anzufangen, kann Luftstrom hinter Real-Größe Turbinen deutlich turbulenter als Lab-Turbinen.

"Turbulente Luftströmungen um moderne-Größe Windkraftanlagen die Quantifizierung ist eine sehr wichtige und zugleich anspruchsvolle Problem für den Ausbau der Windenergie – es ist entscheidend für die Optimierung nicht nur Windpark Standortwahl und Stromerzeugung, sondern auch für das Verständnis der Umweltauswirkungen von Windkraftanlagen" Hong sagte. "Das spannendste Teil der Ergebnisse für mich ist, dass mit Hilfe von Mutter Natur, wir jetzt ein Tool zur Behebung dieses anspruchsvollen technischen Problems bereitstellen können."

Darüber hinaus "Real-Größe Windturbinen verwenden verschiedene Materialien und unterschiedliche Strukturen haben als kleinere Turbinen in Labors verwendet, und sie unterschiedlich auf Wind reagieren", sagte Hong. "In den großen Maßstäben Sie mit Real-Größe Windräder sehen, sind sie nicht wirklich starr – die Turbine kann verzerren und die Klinge kann verformen."

Darüber hinaus sagte "sahen wir Real-Skala atmosphärische Bedingungen mit sehr turbulente Strömungen," Hong. "Die Bedingungen sind sehr schwierig, im Labor zu reproduzieren."

Die Wissenschaftler festgestellt mögliche Zusammenhänge zwischen Turbinenbetrieb, Kontrolle und Leistung mit Mustern von Windturbulenzen um eine Real-Größe Turbine. Zukünftige Forschung den Weg ändern könnte, Turbinen gebaut sind und funktionieren, um ihre Leistung zu optimieren, sagte der Wissenschaftler.

Diese Erkenntnisse könnten die Effizienz der viele Windparks in kalten Regionen beitragen. Obwohl sie nicht direkt auf Windparks in anderen Regionen zutreffen, sagte "Wir können die Erkenntnisse bekommen wir von Schnee, die allgemeine grundlegende Dynamik der Turbinen verstehen Verbesserung numerische Simulationen um diese Forschung für Windparks in viele andere Regelungen gelten" Hong.

In der Zukunft sagte "möchten wir unsere Instrumente um den Messbereich ausbauen und verbessern die Genauigkeit unseres Verfahrens zu aktualisieren," Hong. Darüber hinaus die Wirkung von Wetterbedingungen, Schneeflocke Größe und anderen Faktoren bedürfen weiterer Untersuchung.

Die Wissenschaftler ihre Ergebnisse detailliert heute (24. Juni) in der Zeitschrift Nature Communications online.

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