Wind energy is soaring in the U.S.; the nation’s renewable energy capacity has more than tripled in the past nine years, and wind and solar power are largely responsible. Teraz firmy chcą wykorzystać jeszcze więcej energii wiatrowej, po niższej cenie – a jednym z najlepszych sposobów na obniżenie kosztów jest budowa większych turbin. Dlatego właśnie sojusz sześciu instytucji pod przewodnictwem naukowców z Uniwersytetu Wirginii projektuje największą na świecie turbinę wiatrową o wysokości 500 metrów – prawie jedna trzecia mili i około 57 metrów wyższą niż Empire State Building.
Turbiny są już zauważalnie większe niż 15 czy 20 lat temu. Rozmiar jest różny, ale dzisiejsze typowe wieże farm wiatrowych mają około 70 metrów wysokości, a łopaty mają około 50 metrów długości. Ich moc zależy od wielkości i wysokości, ale generalnie mieści się w przedziale od jednego do pięciu megawatów – w górnym zakresie wystarcza to do zasilenia około 1100 domów. „Jednym z powodów, dla których gigantyczne turbiny są bardziej opłacalne jest to, że wiatr wieje silniej i bardziej stabilnie na większych wysokościach. Tak więc, „przechwytujesz więcej energii” z wyższą strukturą, mówi Eric Loth, lider projektu masywnej turbiny, który jest finansowany przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Energii USA (ARPA-E).
Innym powodem, dla którego eksperci od wiatru mówią, że większe jest lepsze: dłuższe łopaty turbiny również łapią wiatr bardziej efektywnie, a wyższe wieże umożliwiają dłuższe łopaty. Moc turbiny jest bezpośrednio związana z jej „obszarem obrotu” – okrągłym obszarem objętym obrotem łopat – wyjaśnia Christopher Niezrecki, profesor inżynierii mechanicznej i dyrektor Centrum Energii Wiatrowej na Uniwersytecie Massachusetts Lowell. Zależność ta nie jest liniowa – jeśli długość łopat podwoi się, system może wyprodukować cztery razy więcej energii – wyjaśnia Niezrecki. Zauważa on, że większe turbiny mają również niższą prędkość „cut-in”, czyli prędkość wiatru, przy której mogą zacząć generować energię.
Zespół Lotha chce zaprojektować 50-megawatowy system z łopatami o długości 200 metrów, znacznie większymi niż dzisiejsze turbiny wiatrowe. Jeśli badaczom się to uda, ich zdaniem turbina będzie 10 razy mocniejsza niż istniejące urządzenia. Naukowcy nie zamierzają jednak po prostu powiększyć konwencjonalnych konstrukcji, lecz fundamentalnie zmienić strukturę turbiny. Ultrawielka maszyna będzie miała dwie łopatki zamiast trzech, co zmniejszy wagę konstrukcji i obniży koszty. Loth mówi, że zmniejszenie liczby łopatek spowodowałoby, że turbina byłaby mniej wydajna, ale jego zespół używa zaawansowanej konstrukcji aerodynamicznej, która według niego w dużej mierze rekompensuje te straty.
Zespół przewiduje również te gigantyczne struktury stojące co najmniej 80 kilometrów od brzegu, gdzie wiatry są zazwyczaj silniejsze, a ludzie na lądzie nie mogą ich zobaczyć ani usłyszeć, według Lotha. Ale potężne sztormy uderzają w takie miejsca, na przykład na wschodnim wybrzeżu USA na Oceanie Atlantyckim, więc zespół Lotha stanął przed dylematem stworzenia czegoś masywnego, co jest również stosunkowo lekkie i nadal odporne na huragany. Aby rozwiązać ten problem, badacze sięgnęli po jedno z naturalnych rozwiązań konstrukcyjnych: palmy. „Palmy są naprawdę wysokie, ale bardzo lekkie konstrukcyjnie, a jeśli wieje silny wiatr, pień może się wygiąć” – mówi Loth. „Próbujemy wykorzystać tę samą koncepcję – zaprojektować nasze turbiny wiatrowe tak, aby miały pewną elastyczność, aby się wyginały i dostosowywały do przepływu.”
W projekcie zespołu dwie łopaty są umieszczone pod wiatr od wieży turbiny, a nie pod wiatr, jak w przypadku tradycyjnych turbin. Łopatki zmieniają również kształt w zależności od kierunku wiatru, podobnie jak w przypadku palmy. „Kiedy łopatki odchylają się pod kątem do wiatru, nie trzeba ich budować tak ciężko i mocno, więc można użyć mniej materiału” – wyjaśnia Loth. Taka konstrukcja zmniejsza również prawdopodobieństwo, że silne wiatry będą wyginać wirujące ostrze w kierunku wieży, potencjalnie przewracając całą konstrukcję. „Łopatki przystosowują się do dużych prędkości i zaczynają się składać, więc działają na nie mniejsze siły dynamiczne” – mówi Loth. „Chcielibyśmy, aby nasze turbiny były w stanie poradzić sobie z wiatrami o prędkości większej niż 253 kilometry na godzinę” w warunkach bezczynności. Powyżej prędkości wiatru 80 do 95 kilometrów na godzinę system wyłączyłby się, a łopatki odchyliłyby się od wiatru, dzięki czemu mogłyby wytrzymać gwałtowne podmuchy, dodaje Loth.
Turbina 500-metrowa wciąż stoi przed wyzwaniami – istnieją powody, dla których nikt jeszcze nie zbudował takiej o zbliżonych rozmiarach: „Jak zrobić 200-metrowe łopaty? Jak je złożyć razem? Jak postawić tak wysoką wieżę? Dźwigi sięgają tylko tak wysoko. A w przypadku morskiej energetyki wiatrowej to dodatkowe komplikacje” – mówi Niezrecki. Projekt zespołu obejmuje łopatę segmentową, która może być montowana z części na miejscu, ale Niezrecki zauważa, że branża wiatrowa nie do końca jeszcze wie, jak segmentować łopaty. „Pozostaje jeszcze wiele pytań badawczych” – mówi Niezrecki. „Jest to z pewnością wysokie ryzyko, ale również potencjał wysokiej nagrody. Nie sądzę, aby te problemy były nie do pokonania.” Hall kwestionuje również, czy tak masywna turbina jest optymalnym rozmiarem. „Dochodzimy do wniosku, że większe jest lepsze. Pytanie brzmi, o ile większa? Musimy znaleźć ten słodki punkt” – mówi. „Wiele się nauczymy dzięki temu projektowi.”
Loth i jego zespół muszą jeszcze przetestować prototyp; obecnie projektują strukturę turbiny i system sterowania, a tego lata budują model znacznie mniejszy od prawdziwego – o średnicy około dwóch metrów. Latem przyszłego roku planują zbudować większą wersję z dwoma 20-metrowymi łopatami, która będzie produkować mniej niż megawat mocy i zostanie przetestowana w Kolorado. Sam Loth nie jest w stu procentach pewien, że mamucia turbina jego zespołu stanie się rzeczywistością, ale jest pewien, że warto spróbować. „To bardzo nowa koncepcja, więc zdecydowanie nie ma gwarancji, że zadziała” – mówi. „Ale jeśli tak się stanie, to zrewolucjonizuje morską energetykę wiatrową.”
.