Το Fish School Us on Wind Power

Καθώς οδηγούσαν σε χωματόδρομους χωρίς χαρακτηριστικά την πρώτη Τρίτη του 2010, ο John Dabiri, καθηγητής αεροναυπηγικής και βιομηχανικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, και ο τότε μαθητής του Robert Whittlesey, επιθεωρούσαν μια απομακρυσμένη περιοχή γης που ήλπιζαν να αγοράσουν δοκιμάστε νέες έννοιες στην αιολική ενέργεια. Ονόμασαν την τοποθεσία τους FLOWE for Field Laboratory for Optimized Wind Energy. Τοποθετημένο ανάμεσα σε ήπιους λόφους καλυμμένους με γαλήνια βλάστηση, το αγροτεμάχιο των τεσσάρων στρεμμάτων στην κοιλάδα της Αντιλόπης της Καλιφόρνια, προοριζόταν κάποτε να γίνει εμπορικό κέντρο, αλλά αυτά τα σχέδια ναυάγησαν. Η γη ήταν φτηνή. Και, το πιο σημαντικό, φυσούσε.

Υπολογιζόμενο σε 250 τρισεκατομμύρια Watt, η ποσότητα του ανέμου στη Γη έχει τη δυνατότητα να παρέχει περισσότερο από 20 φορές την τρέχουσα παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, μόνο τέσσερις χώρες—η Ισπανία, η Πορτογαλία, η Ιρλανδία και η Δανία—παράγουν περισσότερο από το 10 τοις εκατό της ηλεκτρικής τους ενέργειας με αυτόν τον τρόπο. Οι Ηνωμένες Πολιτείες, μια από τις μεγαλύτερες, πλουσιότερες και πιο θυελλώδεις χώρες, έχουν περίπου 4 τοις εκατό. Υπάρχουν λόγοι για αυτό. Η επέκταση του αιολικού πάρκου φέρνει μαζί της τεράστιο κόστος μηχανικής, αντιαισθητική ύπαιθρο, δυνατούς θορύβους, διακοπή του στρατιωτικού ραντάρ και θάνατο της άγριας ζωής. Πρόσφατες εκτιμήσεις κατηγόρησαν τις τουρμπίνες για τη θανάτωση 600.000 νυχτερίδων και έως και 440.000 πτηνών ετησίως. Στις 19 Ιουνίου 2014, η American Bird Conservancy υπέβαλε μήνυση κατά της ομοσπονδιακής κυβέρνησης ζητώντας της να περιορίσει τον αντίκτυπο των αιολικών πάρκων στους πληθυσμούς των αετών που μειώνονται. Και ενώ οι αυτόνομες ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα συλλέγουν καλά την αιολική ενέργεια, σε μια ομάδα είναι εξαιρετικά άχρηστες. Καθώς τα πτερύγια τους που μοιάζουν με έλικα περιστρέφονται, οι ανεμογεννήτριες που βλέπουν στον άνεμο διαταράσσουν την ελεύθερη ροή του αέρα, δημιουργώντας ένα απόκρυψη αργής κίνησης, άγονου αέρα πίσω τους.

Αυτό το πρόβλημα της αεροδυναμικής παρεμβολής μπορεί να παρατηρηθεί σε υπεράκτια αιολικά πάρκα με ουρές συμπύκνωσης, τυρβώδους αέρα που παρασύρει τους στρόβιλους εμπροσθοφυλακής σαν ένα πέπλο πιασμένο στον άνεμο. ένα πέπλο που πνίγει τις τουρμπίνες που φτάνει. «Επειδή η όλη δουλειά μιας ανεμογεννήτριας είναι να εξάγει ενέργεια από τον άνεμο, αυτός ο πιο αργός άνεμος καταλήγει με λιγότερη διαθέσιμη ενέργεια για εξαγωγή και παραγωγή ενέργειας», εξηγεί ο Whittlesey. Το τεράστιο μέγεθος των στροβίλων οριζόντιου άξονα - πάνω από 100 μέτρα ύψος σε ορισμένες περιπτώσεις - υπαγορεύει ότι πρέπει να βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους, αφήνοντας τεράστια κενά όπου δεν παράγεται καθόλου άνεμος. Είναι παρόμοιο με τη φύτευση περιβόλι με μηλιές σε απόσταση μεγαλύτερη από 40 μέτρα η μία από την άλλη.

Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, πολλοί ερευνητές εξέτασαν τη χλωρίδα και την πανίδα της φύσης. Μερικά πτερύγια τουρμπίνας έχουν σχεδιαστεί ως προσομοιώσεις των ογκώδους πτερυγίων των φαλαινών, ενώ άλλα περιστρέφονται με κίνηση οκτώ σχήματος παρόμοια με τους χτύπους των φτερών μιας μέλισσας.

Ο Dabiri και οι συνεργάτες του δοκίμασαν μια διαφορετική ιδέα—χρησιμοποίησαν μικρότερες, απλούστερες και φθηνότερες ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα των οποίων οι θέσεις ήταν εμπνευσμένες από ψάρια σε υποβρύχια σχολεία.

Ως προπτυχιακός, ο Dabiri μοντελοποίησε τις κυματοειδείς κινήσεις των μεδουσών. Μια δεκαετία αργότερα, συμμετείχε στην κατασκευή ενός medusoid-μιας συνθετικής μέδουσας κατασκευασμένης από ελαστική σιλικόνη και των καρδιακών κυττάρων ενός αρουραίου- που κολυμπάει ακριβώς όπως ένα ζωντανό ζελέ όταν εφαρμόζεται ένα παλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ο Νταμπίρι γοητεύτηκε επίσης με έναν άλλο ανορθόδοξο συνδυασμό:την εκπαίδευση των ψαριών και την αιολική ενέργεια.

Ο σχηματισμός μεγάλων συγχρονισμένων ομάδων έχει τα πλεονεκτήματά του για τα ψάρια, συμπεριλαμβανομένης της αποφυγής των θηρευτών, της βελτιωμένης επιτυχίας στην αναζήτηση τροφής και της πρόσβασης στους συντρόφους. Δημιουργεί επίσης μεγάλη ποσότητα ταραχώδους νερού. Καθώς ένα ψάρι χτυπά την ουρά του από τη μια πλευρά στην άλλη, δημιουργεί ένα απόκρυφο στροβιλισμών που κυκλοφορούν μέσα από τις οποίες οι οπαδοί του πρέπει να κολυμπήσουν. Αλλά τοποθετώντας τους εαυτούς τους με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε συρόμενο ψάρι να κολυμπά πίσω και μεταξύ των δύο ομοειδών του μπροστά, τα ψάρια σε ένα σχολείο χρησιμοποιούν αυτά τα στροβιλιζόμενα ρεύματα για να σπρώξουν τον εαυτό τους προς τα εμπρός. «Ο τρόπος με τον οποίο περιστρέφονται [αυτές οι δίνες] μειώνει στην πραγματικότητα την ποσότητα ενέργειας που πρέπει να αφιερώσουν τα ψάρια για να κινηθούν», είπε ο Whittlesey. Είναι σαν μια σειρά από υποβρύχιους τροχούς δίπλα σε κάθε ψάρι που συμπληρώνουν τη δική τους ώθηση.

Αυτά τα μοτίβα έκαναν τους Dabiri και Whittlesey να σκεφτούν:Εάν τα ψάρια μπορούν να επωφεληθούν από τις δίνες που παράγουν οι γείτονές τους, θα μπορούσαν οι ανεμογεννήτριές τους κάθετου άξονα να κάνουν το ίδιο; Για να εκτιμήσουν την ποσότητα ισχύος που θα μπορούσαν να παράγουν αυτές οι βιο-εμπνευσμένες συστοιχίες, χρησιμοποίησαν μοντέλα υπολογιστών. «Αυτό που κάναμε ήταν να βάλουμε τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα στην ίδια θέση [και στην ίδια περιστροφή] που θα βλέπαμε να ρίχνονται δίνες από ένα ψάρι καθώς κολυμπούσαν», είπε ο Whittlesey. Αλλά σε αυτό το μοτίβο, οι τουρμπίνες τους δεν παρουσίασαν αύξηση στην παραγωγικότητα σε σύγκριση με τους αυτόνομους στρόβιλους. Ο Whittlesey είπε ότι δεν ήταν πολύ έκπληκτοι. «Τα ψάρια επικεντρώνονται στην εξοικονόμηση ενέργειας χρησιμοποιώντας τα ίχνη των άλλων, όχι στη μεγιστοποίηση της παραγωγής ενέργειας». Έτσι, μετακίνησαν τις ανεμογεννήτριες εκτός των αυστηρών διατάξεων της εκτροφής των ψαριών, αλλά κράτησαν τις ζευγαρωμένες τουρμπίνες να περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις—σκέψου αναποδογυρισμένους ηλεκτρικούς αυγοκτύπτες—και το προκύπτον μοντέλο υπολογιστή φαινόταν πολλά υποσχόμενο. Αποφάσισαν να δοκιμάσουν τις αντίθετα περιστρεφόμενες, διπλές διαμορφώσεις τους στον ιστότοπό τους στο FLOWE.

Χρησιμοποιώντας μια σειρά από 18 τουρμπίνες διατεταγμένες σε μια ποικιλία διαφορετικών διαμορφώσεων, συγκέντρωσαν χιλιάδες ώρες δεδομένων. Διαπίστωσαν ότι η διάταξη των ζευγών αυγοκτύπη ήταν πράγματι η πιο παραγωγική, καθώς ήταν σε θέση να παράγει 20-30 Watt ηλεκτρικής ενέργειας ανά τετραγωνικό μέτρο γης. Αυτή είναι μια δεκαπλάσια αύξηση σε σχέση με μερικά από τα πιο παραγωγικά σύγχρονα αιολικά πάρκα. «Είναι ένα πράγμα να έχεις μερικές ποσοστιαίες μονάδες αύξησης», λέει ο Whittlesey. "Αλλά μιλάμε για τάξη μεγέθους - αυτό είναι σημαντικό."

Ο Dabiri και ο Whittlesey δεν ξέρουν ακριβώς γιατί οι τουρμπίνες που συσκευάζονται σε στενά τοποθετημένα ζεύγη είναι οι πιο αποτελεσματικοί, αλλά έχουν μερικές θεωρίες εργασίας. Το πρώτο είναι ότι σε αυτή τη διαμόρφωση διπλού η ροή του αέρα που παράγεται από έναν περιστρεφόμενο στρόβιλο ενισχύει την ταχύτητα του συνεργάτη του και αντίστροφα. «Είναι κάτι σαν γρανάζια. μπορείτε να φανταστείτε ότι περιστρέφοντας το ένα δεξιόστροφα και το άλλο αριστερόστροφα θα μπορούσαν να ωφεληθούν αμοιβαία», λέει ο Whittlesey. Η δεύτερη θεωρία είναι ότι ο απόηχος του αργού ανέμου πίσω από αυτές τις τουρμπίνες μειώνεται σημαντικά. «Η αφύπνιση δεν είναι τόσο επίμονη όσο θα είχαμε με τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα».

Κατά συνέπεια, ο αέρας ελεύθερης ροής είναι πιο εύκολα διαθέσιμος σε αυτά τα συστήματα, γεγονός που επιτρέπει στα ζεύγη των στροβίλων να συσκευάζονται πιο στενά μεταξύ τους - μόνο τέσσερις διαμέτρους μεταξύ τους σε σύγκριση με μια νόρμα 15 διαμέτρων για ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. Με λιγότερο χώρο που χρησιμοποιείται, αυτές οι οικεία συστοιχίες αξιοποιούν μεγαλύτερο ποσοστό του ανέμου που διέρχεται.

Η ομάδα δοκιμάζει επίσης δύο ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα στο αγροτικό χωριό Igiugig της Αλάσκας. Χρηματοδοτούμενο από το Ίδρυμα Gordon and Betty Moore, αυτό το εκκολαπτόμενο έργο στοχεύει να εγκαταστήσει από 50 έως 70 μικρούς, οπτικά δυσδιάκριτους στρόβιλους για την τροφοδοσία ολόκληρου του χωριού. Αυτή τη στιγμή, οι 50 περίπου κάτοικοι αυτής της απομακρυσμένης περιοχής στον κόλπο του Μπρίστολ της Αλάσκας εξαρτώνται πλήρως από την δαπανηρή και επίπονη μεταφορά του ντίζελ για τις γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας τους. "Αυτό κάνει την αιολική [ισχύ] πραγματικά ελκυστική επειδή υπάρχει μόνο το κόστος κεφαλαίου και η συντήρηση", είπε ο Whittlesey, "αλλά τουλάχιστον τα καύσιμα είναι δωρεάν."

Ο Dabiri και οι συνάδελφοί του προσπαθούν επίσης να βελτιστοποιήσουν περαιτέρω τις συστοιχίες τους στρέφοντας σε έναν άλλο κάτοικο των ωκεανών:το θαλάσσιο χόρτο. Τα κρεβάτια του θαλάσσιου χόρτου χρησιμοποιούν μια κατακόρυφη κυκλοφορία νερού για να μεταφέρουν οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά στους ιστούς τους. Οι μίσχοι τους με διάφορα ύψη πιστεύεται ότι αυξάνουν αυτή την κυκλοφορία. Έτσι, η ομάδα θα χρησιμοποιήσει τουρμπίνες διαφορετικού ύψους για να διερευνήσει πώς μπορούν να αξιοποιήσουν καλύτερα τον άνεμο που έρχεται από πάνω από το κουβούκλιο του αγροκτήματος.

Χρησιμοποιώντας αυτές τις τοποθεσίες δοκιμών ως ενδιάμεσους λίθους, οι βιομηχανικοί ελπίζουν, όχι μόνο να κάνουν την αιολική ενέργεια πιο οικονομικά βιώσιμη, αλλά να λύσουν ορισμένα από τα μειονεκτήματα που έφεραν την αιολική ενέργεια υπό έλεγχο. Λόγω του μικρού τους μεγέθους, οι στρόβιλοι κάθετου άξονα απαιτούν λιγότερο δομικό υλικό, είναι πιο αθόρυβοι και δεν παρεμβαίνουν στα σήματα ραντάρ. Ίσως το πιο σημαντικό, δεν απαιτούν μεγάλες εκτάσεις γης και δεν θα παρεμβαίνουν σε είδη πτηνών που απειλούνται με εξαφάνιση, όπως οι φαλακροί και οι χρυσαετοί. «Όταν μια ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα περιστρέφεται μοιάζει με στερεό αντικείμενο, διευκολύνοντας την άγρια ​​ζωή να την αποφύγει», εξηγεί ο Whittlesey. "Από όσο γνωρίζω, δεν υπήρξε ποτέ θάνατος πουλιού ή νυχτερίδας που να σχετίζεται με αυτές τις τουρμπίνες... Και εδώ στην Καλιφόρνια, αγαπάμε τα πουλιά μας."

Ο Alex Riley έχει μεταπτυχιακό στη ζωολογία και γράφει για μια ποικιλία θεμάτων από τον φυσικό κόσμο στο ιστολόγιό του, Bacteria to Bonobos. Αναρτά tweet στο @riley__alex.

Αναφορές

1. Hayes, M.A. Νυχτερίδες σκοτώθηκαν σε μεγάλους αριθμούς σε εγκαταστάσεις αιολικής ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών. BioScience 63 , 975-979 (2013).

2. Αιολική ενέργεια Συχνές ερωτήσεις. American Bird Conservancy www.abcbirds.org.

3. Deborah Shearwater, Steven A. Thal, Michael Dee, Dr. Carolyn Ctockett, Robert M. Ferris και American Bird Conservancy κατά Dan Ashe, Διευθυντής, Υπηρεσία Ψαριών και Άγριας Ζωής των Ηνωμένων Πολιτειών. Sally Jewell, Γραμματέας, Υπουργείο Εσωτερικών Ηνωμένων Πολιτειών, Υπόθεση Αρ. 5:14-cv-02830 (2014).

4. Johns, R. Η American Bird Conservancy μηνύει τους τροφοδότες πάνω από τον κανόνα θανάτωσης αετών 30 ετών. American Bird Conservancy www.abcbirds.org (2014).

5. Nawroth, J.C., et al. Μια μέδουσα κατασκευασμένη από ιστούς με βιομιμητική πρόωση. Βιοτεχνολογία της φύσης 30 , 792-797 (2012).

6. Whittlesey, R.W., Liska, S., &Dabiri, J.O. Η εκπαίδευση των ψαριών ως βάση για τον σχεδιασμό ανεμογεννητριών κάθετου άξονα. Βιοεμπνεύσεις και βιομιμητικές 5 (2010). Ανακτήθηκε από το doi:10.1088/1748-3182/5/3/035005.

7. Dabiri, J.O. Πιθανή αύξηση τάξης μεγέθους της πυκνότητας ισχύος του αιολικού πάρκου μέσω συστοιχιών ανεμογεννητριών με αντίθετη περιστροφή κάθετου άξονα. Journal of Renewable and Sustainable Energy 3 (2011). Ανακτήθηκε από το doi:10.1063/1.3608170.