De Amerikaanse windindustrie groeit - bijna 9 procent in 2017 toen ontwikkelaars genoeg capaciteit toevoegden om 27 miljoen Amerikaanse huizen van stroom te voorzien. volgens de American Wind Energy Association.

Toch heeft windenergie een groot onvervuld potentieel. Het Amerikaanse ministerie van Energie schat dat, gemiddeld, windparken hebben sinds 1999 slechts 30 procent van hun capaciteit geproduceerd. Terwijl eigenaren en ingenieurs van windparken hebben geprobeerd die kansen te verbeteren, een deel van het probleem is een gebrek aan nauwkeurige en betaalbare modellering.

Het modelleren van windenergie is een gecompliceerde prestatie waarbij wordt voorspeld hoe lucht over de afzonderlijke turbinebladen zal stromen als ze in wisselwerking staan ​​met wind nabij het aardoppervlak, een gebied dat wetenschappers de atmosferische grenslaag noemen. Het precies vastleggen van zo'n reeks variabelen - variërend in grootte van meters tot kilometers - kost buitengewoon veel rekenkracht.

Of, zoals professor John Dabiri het stelt:"Tegen de tijd dat je genoeg simulatie hebt voltooid om een ​​ontwerpkeuze te maken, de kans is voorbij."

Toen hij in 2015 naar Stanford verhuisde, Dabiri wilde graag samenwerken met professor Sanjiva Lele, een collega in de School of Engineering. Lele en zijn groep hebben baanbrekend werk verricht om de atmosfeer efficiënt te simuleren. Een methode ontwikkeld door zijn afgestudeerde assistent Aditya Ghate, MS '14, doctoraat, '18, maakt gebruik van door fysica gemotiveerde benaderingen om de kosten van het simuleren van windparken op een dramatische manier te verlagen. Hoe dramatisch?

"Ik zou zeggen een duizendvoudige verlaging van de kosten, ' zegt Lele.

Toen de methode van Ghate en Lele terrein won, waaronder een prominente publicatie in de Journal of Fluid Mechanics , Dabiri zag synergie tussen hun werk en zijn achtergrond in op biologie geïnspireerde windenergie. Hij heeft een onderzoekscarrière op gang gebracht door de vermogensdichtheid van windparken te vergroten met behulp van ontwerpen die zijn geïnspireerd op scholende vissen en zeegrasvelden, en door te focussen op kleinere turbines die verticaal draaien, in plaats van traditionele propeller-achtige exemplaren.

"Het starten van een project en het veiligstellen van financieringsbronnen kan een uitdaging zijn als je niet al een staat van dienst hebt met het ontwikkelen van de ideeën, "zegt Dabiri. "Waar we aan begonnen te werken, stond nog in de kinderschoenen."

Dus, om hun samenwerking op gang te brengen, zij vroegen in 2016 een seed-subsidie ​​aan bij het TomKat Centre for Sustainable Energy, en met die ondersteuning op zijn plaats, ze begonnen het complementaire bereik van hun onderzoek te verkennen. Stanford heeft zijn eigen testlocatie voor windmolenparken in het noorden van Los Angeles County, en dat leek me een logische plek om te beginnen.

"Op onze veldlocatie in Zuid-Californië, je kunt rond de fysieke turbines bewegen, "zegt Dabiri. "Maar je moet kiezen, OKE, wat is de eerste experimentele configuratie? Wat is de tweede? En hoe prioriteer je ze?"

Dat is waar het theoretische kader van Lele om de hoek komt kijken. Samen, hij en Dabiri kunnen natuurkunde gebruiken om de weg te wijzen naar veelbelovende richtingen voor het experimentele ontwerp, en, beurtelings, de testsite rapporteert gegevens over windenergie die de wetenschappelijke berekeningen bevestigen of omleiden.

"In het huidige tijdperk van machine learning, gegevens zijn vaak gebruikt om modellen te informeren, maar wat ontbrak is de fysica, "zegt Lele. "Vloeistofmonteurs hebben een lange traditie van proberen de fysica te begrijpen en met eenvoudige modellen op de proppen te komen."

Hun gecombineerde expertise heeft nieuwe perspectieven geopend voor het optimaliseren van de meer dan 200, 000 windturbines die momenteel over de hele wereld in bedrijf zijn. Hun wetenschap is al uit het lab en in echte windparken, door allianties met een Canadees windenergiebedrijf, evenals een windenergiecomplex gepland in de zuidelijke Verenigde Staten. Met 170, 000 acres en tot 3, 000 megawatt aan windenergie, dit complex zou een van de grootste windparken ooit kunnen worden.

De professoren hopen dat hun analytische sweet spot ontwikkelaars van windmolenparken de informatie zal geven die ze nodig hebben om de turbinegrootte en -oriëntatie te selecteren, binnen een budget en tijdlijn die het proces uitvoerbaar maken. Als hun modellen zo hoogwaardig blijken te zijn als ze hopen, dan zouden windboeren over de hele wereld de tool kunnen gebruiken om meer winst en meer hernieuwbare energie te genereren.

"Twee jaar geleden, Ik had me niet kunnen voorstellen wat John en ik nu bereiken, ' zegt Lele.