Исследователи из Университета Мальты предложили оригинальный способ повысить эффективность морских ветропарков – использовать привязанные надувные парафойлы, которые позволяют «подтягивать» более мощные воздушные потоки с больших высот и ускорять восстановление ветра за ветряными турбинами. По расчетам ученых, внедрение такой системы может существенно сократить потери установленной мощности, которые сегодня неизбежно возникают из-за аэродинамических следов от турбин и все сильнее ограничивают развитие морской ветроэнергетики.
Ветряные турбины, извлекая энергию из воздушного потока, формируют за собой протяженные зоны замедленного и турбулентного воздуха. В плотных морских кластерах, где станции располагаются относительно близко друг к другу, эти «ветровые тени» могут растягиваться на десятки километров, особенно при стабильной атмосфере. В результате турбины, находящиеся с подветренной стороны, получают ослабленный поток и вырабатывают на 10-30% меньше электроэнергии. Расчеты для Северного моря показывают, что к 2030 году межпарковые аэродинамические следы приведут к снижению годовой выработки более чем на 5% у 25 из 69 ветропарков, а у 13 объектов потери превысят 10%, в отдельных зонах доходя до 18%.
Экономические последствия этого эффекта уже сегодня хорошо измеримы. В сценариях с сильным влиянием следов LCOE (приведенная стоимость электроэнергии за весь жизненный цикл станции) возрастает примерно с 105-110 до 130-140 евро за мегаватт-час. При этом даже, казалось бы, умеренное снижение средней скорости ветра на 5% приводит к падению годовой генерации примерно на 7%. В масштабах всей отрасли эффект выглядит еще заметнее: увеличение коэффициента использования установленной мощности всего на 1% для глобального ветропарка мощностью около 650 ГВт эквивалентно дополнительной выручке более 1,1 млрд долларов в год.
На этом фоне мальтийские исследователи предложили выйти за рамки традиционных методов борьбы с аэродинамическими следами, такими как оптимизация расстановки турбин, повороты гондол или принудительные ограничения мощности. Их идея состоит в том, чтобы черпать ветер на высотах в несколько сотен метров. По данным Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды, на высотах до 500 метров плотность доступной ветровой энергии для морских районов Европы в среднем вдвое выше, чем на фиксированной высоте около 100 метров. А в диапазоне высоты 200-400 метров ветер не только сильнее, но и устойчивее.
Предлагаемое решение заключается в использовании привязанных надувных парафойлов, то есть фактически управляемых аэродинамических крыльев, закрепленных непосредственно на морской ветряной турбине. Эти «воздушные змеи» не предназначены для самостоятельной генерации электроэнергии. Их задача – работать как активный инструмент управления потоками: создавая подъемную силу, парафойл формирует направленный нисходящий поток и вихревую структуру, которые втягивают более быстрый воздух с высоты в зону следа за турбиной. Ключевым здесь является вертикальный перенос импульса – процесс, который в стабильной морской атмосфере естественным образом подавлен, в связи с чем следы от турбин сохраняются так долго.
В предварительных расчетах исследователи использовали упрощенную модель турбины и жесткого парафойла, размещенного прямо над и немного позади турбины (на 0,8 диаметра ротора выше оси и на 0,25 диаметра позади турбины). Даже в таком приближении наблюдалось заметное изменение профиля скорости: за счет подъемной силы парафойл словно подчерпывал более быстрый воздух сверху и направлял его вниз, в зону ослабленного потока за турбиной. В результате воздух за ветряной турбиной восстанавливается быстрее, и следующие по ветру установки получают более мощный и энергичный поток, а не «выжатый» предыдущей машиной.
Полученные данные пока носят предварительный характер и не позволяют напрямую оценить будущий прирост выработки. Но они доказывают, что сам физический механизм работоспособен. И именно это делает исследование любопытным: морская ветроэнергетика из-за плотной застройки уже упирается в свои пределы, поэтому поиск новых решений для управления ветровым потоком важен и нужен.
