กังหันลมขนาดใหญ่พิเศษสร้างพลังงานสะอาดและฟิสิกส์ที่น่าประหลาดใจ

Jonathan Naughton วิศวกรจาก University of Wyoming ในเมือง Laramie กล่าวว่า "พลังงานลมจะเป็นส่วนประกอบที่สำคัญอย่างยิ่งในการผลิตไฟฟ้า เขายอมรับว่าผู้คลางแคลงสงสัยถึงความมีชีวิตของแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น ลมและแสงอาทิตย์ เนื่องจากพลังงานเหล่านี้ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศและแปรปรวนในธรรมชาติ ดังนั้นจึงควบคุมและคาดการณ์ได้ยาก "นั่นเป็นเรื่องจริง" เขากล่าว "แต่มีวิธีที่จะเอาชนะสิ่งนั้นได้" Naughton และ Charles Meneveau ที่มหาวิทยาลัย Johns Hopkins ในเมืองบัลติมอร์ รัฐแมริแลนด์ ได้จัดการประชุมสัมมนาขนาดเล็กในการประชุมประจำปีครั้งที่ 73 ของแผนกพลศาสตร์ของไหลของสมาคมกายภาพแห่งอเมริกา ซึ่งนักวิจัยได้อธิบายคำมั่นสัญญาและความท้าทายด้านพลศาสตร์ของไหลของพลังงานลม เพื่อให้พลังงานลมมีประโยชน์และได้รับการยอมรับ นักวิจัยจำเป็นต้องออกแบบระบบที่มีประสิทธิภาพและราคาไม่แพง Naughton กล่าว นั่นหมายถึงการได้รับความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ควบคุมกังหันลมในทุกระดับ เมื่อสามปีที่แล้ว National Renewable Energy Laboratory (NREL) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐได้รวบรวมผู้เชี่ยวชาญ 70 คนจากทั่วโลกเพื่อหารือเกี่ยวกับสถานะของวิทยาศาสตร์ ในปี 2019 กลุ่มได้เผยแพร่ความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ซึ่งจำเป็นต้องได้รับการจัดการสำหรับพลังงานลมเพื่อให้มีสัดส่วนถึงครึ่งหนึ่งของความต้องการพลังงาน หนึ่งในความท้าทายเหล่านั้นคือการเข้าใจฟิสิกส์ของบรรยากาศส่วนที่กังหันทำงานได้ดีขึ้น "ลมเป็นปัญหากลศาสตร์ของไหลในบรรยากาศจริงๆ" นอห์ตันกล่าว "แต่วิธีการทำงานของลมในระดับที่กังหันทำงานยังคงเป็นพื้นที่ที่เราต้องการข้อมูลเพิ่มเติม" พลังงานสะอาด กังหันในปัจจุบันมีใบพัดที่สามารถยืดได้ 50 ถึง 70 เมตร Paul Veers หัวหน้าวิศวกรของศูนย์เทคโนโลยีลมแห่งชาติของ NREL ซึ่งให้ภาพรวมของความท้าทายในระหว่างการประชุมสัมมนากล่าว หอคอยเหล่านี้สูง 100 เมตรขึ้นไปเหนือบริเวณโดยรอบ "นอกชายฝั่ง พวกมันยิ่งใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ" เวียร์สกล่าว ข้อได้เปรียบในการสร้างกังหันที่ใหญ่ขึ้นคือโรงไฟฟ้าพลังงานลมต้องการเครื่องจักรน้อยกว่าในการสร้างและบำรุงรักษา และเข้าถึงลมแรงที่อยู่สูงเหนือพื้นดิน แต่โรงไฟฟ้าขนาดยักษ์ยังทำงานได้ในระดับที่ไม่ได้รับการศึกษาอย่างดี เวียร์สกล่าว "เรามีความสามารถที่ดีมากในการทำความเข้าใจและทำงานกับบรรยากาศในระดับที่ใหญ่มาก" เวียร์สกล่าว "และนักวิทยาศาสตร์อย่าง Jonathan และ Charles ได้ทำงานที่น่าทึ่งด้วยไดนามิกของของไหลเพื่อทำความเข้าใจสเกลเล็กๆ แต่ระหว่างสองสิ่งนี้ มีพื้นที่ที่ยังไม่ได้รับการศึกษามากนัก" ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการศึกษาโครงสร้างและระบบไดนามิกของเครื่องหมุนขนาดยักษ์เหล่านี้ ลมทำปฏิกิริยากับใบมีดซึ่งงอและบิด ใบพัดที่หมุนอยู่ทำให้ตัวเลขเรย์โนลด์สูง "และนั่นคือพื้นที่ที่เราไม่มีข้อมูลมากนัก" นอห์ตันกล่าว วิธีการคำนวณที่มีประสิทธิภาพสามารถช่วยเปิดเผยฟิสิกส์ได้ Veers กล่าว "เรากำลังผลักดันวิธีการคำนวณให้ไกลที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้" เขากล่าว "มันกำลังพาเราไปสู่คอมพิวเตอร์ที่เร็วและใหญ่ที่สุดที่มีอยู่ในขณะนี้" ความท้าทายที่สาม Naughton ตั้งข้อสังเกตคือการศึกษาพฤติกรรมของกลุ่มกังหัน กังหันทุกตัวสร้างการปลุกในชั้นบรรยากาศ และเมื่อการปลุกนั้นแพร่กระจายไปตามกระแสน้ำ มันจะโต้ตอบกับการปลุกจากกังหันอื่นๆ การปลุกอาจรวมกัน นอกจากนี้ยังอาจรบกวนกังหันอื่น ๆ หรือสิ่งอื่นใดในพื้นที่ “หากมีพื้นที่เพาะปลูกอยู่ด้านล่าง เราไม่รู้ว่าการเปลี่ยนแปลงของการไหลของชั้นบรรยากาศจะส่งผลกระทบอย่างไร” นอตันกล่าว เขาเรียกพลังงานลมว่า "ปัญหาระดับสูงสุด" เนื่องจากเป็นการเชื่อมโยงปัญหาขนาดเล็ก เช่น ปฏิสัมพันธ์ของกังหันกับอากาศกับปัญหาขนาดใหญ่ เช่น การสร้างแบบจำลองบรรยากาศ พลังงานลมจึงต้องการความเชี่ยวชาญและข้อมูลจากหลากหลายสาขาเพื่อจัดการกับความท้าทาย "ลมเป็นหนึ่งในพลังงานรูปแบบที่ถูกที่สุด" นอตันกล่าว "แต่เมื่อเทคโนโลยีเติบโตขึ้น คำถามก็จะยากขึ้น"