Vindturbiner tar kontinuerligt bort kinetisk energi från den lägre troposfären och minskar därmed vindhastigheten nära navhöjden. Elproduktionen i stora vindkraftverk som innehåller flera vindkraftverk begränsas därför av takten i den kinetiska energipåfyllningen från atmosfären ovan. Under de senaste åren har en växande forskningsstyrka hävdat att andelen genererad kraft är begränsad till cirka 1,5 W m-2 inom stora vindkraftsparker. I denna studie visar vi dock att betydligt högre energiproduktionshastigheter kan vara hållbara över vissa öppna havsområden. I synnerhet är Nordatlanten identifierad som en region där den nedåtriktade transporten av kinetisk energi kan upprätthålla utvinningshastigheter på 6 W m-2 och högre över stora områden i det årliga medelvärdet. Dessutom visar våra resultat att ytvärmeflödet från haven till atmosfären kan spela en viktig roll för att skapa regioner där ihållande höga nivåer av nedåtriktad transport av kinetisk energi och därmed höga hastigheter av kinetisk energiutvinning kan vara geofysiskt möjligt. Även om det ännu inte finns några kommersiella djuphavsvindparker, tyder våra resultat på att sådan teknik, om den blev tekniskt och ekonomiskt genomförbar, skulle kunna ge civilisationens makt. vindkraft: geofysisk generering begränsar havsbaserad vindkraft, atmosfär-turbininteraktioner, stormspår, vindturbiner i en vindkraftspark extraherar kinetisk energi (KE) från medelflödet och omvandlar den till elektricitet. Många studier har dock visat att enskilda turbiner i en vindkraftpark inte kan behandlas som oberoende och att den mängd el som genereras per turbin minskar i takt med att vindkraftparkens turbintäthet och geografiska område ökar. När KE utvinns minskar den genomsnittliga flödesvindhastigheten. Detta blir särskilt tydligt i stora vindparker med hög turbintäthet, där en mängd vindkraftverk är uppställda i nära närhet. Eftersom KE kontinuerligt tas bort från atmosfären begränsas den bibehållna kraftgenereringshastigheten i vindparken av i vilken utsträckning KE kan återställas till sitt fria flödesvärde över vindparksområdet (1, 2). Tidigare uppskattningar baserade på vindhastighet klimatologier grovt överskattade vindkraftsproduktionspotentialer som interaktioner mellan vindkraftverk och atmosfären, och de resulterande geofysiska begränsningarna för vindkraftsproduktion ignorerades (3-7). Medelvindhastigheter nära ytan begränsas av den mängd KE som försvinner in i gränsskiktet, som bildas i den lägsta delen av atmosfären, och styrs av turbulent avledning som genereras av ytdrag, ytvärme och fuktflöden. Driftsturbiner i nuvarande landbaserade och offshore vindkraftparker utvinner främst KE på höjder mellan 30 och 120 m och är därför huvudsakligen inträngda i yt- och gränsskiktet. Dessutom utgör varje turbin ytterligare en dragkälla och en ökning av avledningen nära ytan av KE, vilket leder till en minskning av den genomsnittliga flödesvindhastigheten. Att upprätthålla en hög elproduktionsnivå i en vindkraftpark som består av flera turbiner beror därför på om den ökade KE-avledningen från turbinerna kan kompenseras av källor till KE, vilket bidrar till regenereringen av den genomsnittliga flödesvindhastigheten. Nära ytan KE genereras antingen på grund av tryckgradienter nära ytan eller den nedåtriktade transporten av KE längs vindhastighetsgradienter från atmosfärens övre nivåer. Båda dessa källor drivs slutligen av lutningar i diabatisk uppvärmning (8). På detta sätt innebär energicykeln i atmosfären en begränsning av elproduktionen från vindkraftverk, som verkar i den skala av kinetisk energiutvinning (KEE) som krävs för att uppfylla kraven på primär kraftproduktion under 2000-talet. Flera studier hävdar att elproduktionen från stora vindkraftverk kan begränsas till 1,5 W eller mindre, även om vindkraftsanläggningens installerade kapacitet i hög grad överstiger detta tröskelvärde (2, 9-13). Kraftgenereringspotentialen hos en stor områdesvindpark begränsas av den nedåtgående KE-transporten, men i vilken utsträckning denna gräns kan användas beror i hög grad på vindparkens geometriska utformning och utformning. Tight turbinseparation, frånvaron av svindlande turbiner och suboptimal orientering av vindkraftverken kan ytterligare minska kraftgenereringspotentialen hos en vindkraftspark under dess geofysiska gräns. Detta har varit fokus för flera studier som undersöker egenskaperna hos enskilda turbinkölpar och deras superposition som en funktion av mekaniska turbinegenskaper, turbinpositionering, intensiteten av gränsskiktsblandning och gränsskiktsstabilitet (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20). Dessutom, genererad turbulens av spinning turbin blad kan också påverka väcka återhämtning (18, 21), även om denna effekt sannolikt överskattas i mesoscale och grövre skala numeriska modeller parameteriserande turbulent KE generation orsakas av turbin blad (18). Individuella turbinvatteneffekter spelar en viktig roll för vindkraftsoptimering, men den totala utsugna kraften över ett stort område begränsas fortfarande av effektiviteten i den vertikala KE-överföringen från ovan vindparken. Det har visats för landområden (22) och havsområden (14) att stabilitet i gränsskiktet kan Vindhastigheter över öppna havsområden ofta är högre än i de vindigaste områdena över land, vilket har motiverat en strävan efter att utveckla teknik som skulle kunna skörda vindkraft i djuphavsmiljöer. Det är dock fortfarande oklart om dessa öppna havsvindhastigheter är högre på grund av brist på ytdrag eller om en större nedåtriktad transport av kinetisk energi kan upprätthållas i öppna havsmiljöer. Med fokus på Nordatlanten visar vi att det finns potential för en större nedåtriktad transport av kinetisk energi i den överliggande atmosfären. Till följd av detta kan vindkraftsproduktionen över vissa havsområden överstiga elproduktionen på land med en faktor på tre eller fler.
Dessutom, en nyligen genomförd studie fokuserad på att uppskatta potentialen för vindkraft över öppna hav drar slutsatsen att, med tillräcklig teknisk utveckling, Nordatlanten området ensam skulle kunna driva hela världen via vindkonverterare REF.
Geophysical potential for wind energy over the open oceans
{'venue': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'journal': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'mag_field_of_study': ['Medicine', 'Geography', 'Environmental Science']}