Суперкомпьютеры и ветроэнергетика
Ветряная электростанция – это несколько ветряных турбин, – от нескольких десятков до нескольких сотен, – собранных в определенном месте. Самая большая электростанция в настоящее время находится в городке Роксо, расположенном на западе штата Техас (США). В ее состав входит 627 ветряных турбин, а суммарная мощность составляет 1,9 млрд кВт·ч в год. Построена она немецким концерном E.ON и начала работу в 2009 году.
Ветряные электростанции обычно строят на холмах или возвышенностях, где скорость ветра выше, чем на равнине. Существуют электростанции, которые находятся вблизи берега или на мелких участках моря: ветер, необходимый для их работы, обуславливается бризом. Также существуют идеи строительства и прототипы «плавающих» ветряных электростанций на платформах, закрепленных якорями, однако они пока почти не применяются из-за дороговизны.
Вырабатываемая электроэнергия тем дешевле, чем больше количество турбин и выше их мощность. Поэтому имеет экономический смысл строить очень большие ветряные электростанции. Однако есть одно необходимое условие - ветер должен дуть не только как можно быстрее и как можно дольше.
Если ветряная электростанция сравнительно невелика, то производится компьютерное моделирование на базе предварительной разведки анемометрами, которые устанавливают на той же высоте, на которой планируется размещать турбины. Наблюдения производится в течение одного-двух лет, строится роза ветров и оценивается скорость ветра. Современные компьютерные модели позволяют точно моделировать работу ветряной электростанции с числом турбин от 50 до 100 штук.
Однако моделировать работу ветряной электростанции с числом турбин от нескольких сотен до тысяч этими моделями невозможно. Турбины будут попросту мешать друг другу: внешние турбины будут принимать всю энергию ветра, а по мере движения потока воздуха к более глубокорасположенным турбинам сила скорость ветра будет падать. Также будет возникать и турбулентность, которая способна не только помешать выработке электричества, но и просто сломать турбины со временем из-за неравномерных нагрузок.
Строительство ветряной электростанции на 1000 турбин уже запланировано в штате Вайоминг, США, на ранчо Overland Trail. Измерения параметров ветра разработчики проекта проводили в течение пяти лет, на высоте 60-80 метров над поверхностью земли с помощью метеорологической башни. Помимо скорости ветра и его направления также измеряли температуру воздуха, и даже проводили исследование воздушных потоков на больших высотах, ибо высота некоторых турбин планируется до двух сотен метров.
Для оценки взаимодействия ветряных турбин друг на друга проводилось моделирование на суперкомпьютере производительностью 1 Пфлопс, принадлежащем Национальному центру атмосферных исследований США (National Center for Atmospheric Research). Модель показывала прохождение ветра через турбины, а также изменения его направления и скорости. Так как высота турбин будет разной, то высокорасположенные турбины будут влиять на нижерасположенные. Турбулентность воздуха, вызванная турбинами, достигнет километра над поверхностью земли, поэтому она будет сказываться на всех ветряных турбинах независимо от их высоты.
Согласно предварительным расчетам, общая выработка электроэнергии такой ветряной электростанции должна была бы составить 8,76 млрд кВт·ч в год. Тем не менее, расчеты, проведенные суперкомпьютером, показали, что огромное количество ветряных турбин, помимо создания турбулентности, будут менять и направление ветра. Из-за этого реальная мощность ветряной электростанции окажется ниже расчетной по меньшей мере на 10%.
Для того, чтобы уменьшить влияние отдельных турбин, нужно увеличить расстояние между ними. Эта часть моделирования было проведена в университете Джона Хопкинса, расчеты показали, что расстояние должно быть вдвое больше стандартного. Соответственно, площадь электростанции увеличится в более чем в четыре раза, если электростанция имеет форму круга.
В целом, проведенные расчеты показали, что строительство столь больших электростанций является нерациональным. Разумнее строить небольшие комплексы по 50-100 ветряных турбин на расстоянии, исключающем возникновение турбулентности.