風力發電新發現：如何提升風場效能與壽命？

風力發電機作為再生能源基礎設施的關鍵元件，將風能轉化為電力，為家庭和企業提供能源。然而，風力發電機容易受到一種稱為「尾流效應」的空氣動力學現象影響，這可能使能源產量減少約10%至20%，在某些極端情況下甚至可能減少40%。東北大學土木與環境工程教授Eleonora Tronci解釋，這種現象不僅會增加結構元件的負荷，還會降低整體效能。因此，減輕尾流效應對於提高風場的效率和延長其壽命至關重要。

儘管尾流效應在理論和設計前模型中被廣泛研究，但在運營中的風場進行更多實驗研究仍然是必要的。Tronci表示：「瞭解尾流相互作用不僅有助於我們在風場建設前改進設計，還能指導我們如何最佳化能源生產。」這正是Tronci與Sina Shid-Moosavi共同發表在《Renewable Energy》期刊上的研究如此有價值的原因，尤其是在全球對再生能源需求持續上升的背景下。

位於美國的Block Island風場，作為2016年首座商業化離岸風場，因其風力發電機「幾乎呈直線排列」而成為一個有趣的研究案例。研究人員利用實際監測資料分析了該場址的尾流相互作用。要理解尾流效應的運作機制，可以想像風場的佈局以及風力發電機彼此之間的位置。通常，風力發電機會密集地排列在一起，雖然這可能是空間的有效利用，但也會帶來問題。

當風透過第一臺風力發電機時，會產生更大的湍流並降低風速，使得後續的風力發電機效率降低並容易受到疲勞損傷。因此，「尾流」一詞直接指的是風在下游移動時的擾動。在Block Island風場，研究人員分析了尾流效應的幾個操作和模型引數，包括湍流強度、偏航角（風力發電機的旋轉角度）以及功率和推力係數。

在所有因素中，湍流強度是驅動尾流效應的最重要引數。然而，它也是最難測量的，因為需要雷射雷達（LiDAR）感測器來準確捕捉資料。Tronci和Shid-Moosavi利用Woods Hole海洋研究所ASIT在Martha's Vineyard海岸觀測站的LiDAR測量資料，觀察到湍流強度的季節性變化，這與尾流效應的變化相關。他們建議在風場附近放置LiDAR感測器，並在多個季節中進行追蹤。

這些資料對於研究人員建立更精確的風場模擬模型至關重要。這些模擬有助於他們理解「尾流相互作用」，這對尾流效應有顯著影響。這項與塔夫茨大學合作的研究，是Shid-Moosavi和Tronci計劃在未來幾年內進行的多項研究中的第一項，目的是更好地理解這一現象。

Tronci表示：「一旦你為人們提供了更好的理解，並提供了關於這些不同相互作用動態變化的預測工具，它就能在設計前階段提供指導，或者如果你有一個運營中的風場，它也能幫助預測這些結構的預期壽命。」