При вращении турбины преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую. Однако сам процесс установки оборудования сказывается на способности использовать ветряную энергию. Когда турбина взаимодействует со стихией, она воздействует на неё: отбор энергии ветра одной турбиной влияет на способность соседних делать то же самое.
Ветер никогда не «иссякнет» как энергетический ресурс, но наша способность собирать его тоже не может быть бесконечно масштабируемой. Когда ветряные турбины массово сгруппированы, их производительность, а также скорость снижаются.
Учёные научного института Карнеги намеревались определить, насколько большой может быть ветряная электростанция до того, как её 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 электростанции могут поставлять до одной трети мировой энергии. 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. 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 специалисты разработали теоретическое понимание фундаментальных механизмов контроля размера этих следов.
Размер следа большой ветряной электростанции связан со скоростью вышележащих ветров, а также с количеством времени, которое требуется перепадам давления в атмосфере Земли, чтобы восполнить энергию, которая была извлечена турбинами. Работа учёных Антонини и Калдейры указывает на то, 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, скорее пострадают от ветровой тени от ветряных электростанций вверх по течению, нежели расположенные ближе к полюсам.
«Энергия ветра является потенциальным источником большого количества энергии без выбросов углерода», – подчеркнуть Калдейра. «Но чтобы получить максимальную отдачу от этого ресурса, нам нужно подумать о том, как другие ветропарки могут повлиять на нас, и как мы – соответственно».
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, хотя необходимы дополнительные исследования.
