Met de stijgende vraag naar energie, onderzoekers van Penn State Behrend en de Universiteit van Tabriz, Iran, een algoritme - of benadering - hebben voltooid om efficiëntere windparken te ontwerpen, helpen om meer inkomsten te genereren voor bouwers en meer hernieuwbare energie voor hun klanten.

"Windenergie is in opkomst, en niet alleen in de VS, " zei Mohammed Rasouli, assistent-professor elektrotechniek aan Penn State Erie, het Behrendcollege. "Het rendement van zonnepanelen is minder dan 25 procent, en is nog steeds onderwerp van actueel onderzoek. Windturbines, anderzijds, zijn veel efficiënter en zetten ruim 45 procent van de windenergie om in elektriciteit.”

Hoewel windturbines efficiënt zijn, windparklay-outs kunnen deze efficiëntie verminderen als ze niet goed zijn ontworpen. Bouwers zetten niet altijd turbines op de plaatsen met de hoogste windsnelheden, waar ze de meeste energie zullen genereren, zei Rasouli. Turbineafstand is ook belangrijk –– omdat turbines weerstand creëren die de windsnelheid verlaagt, de eerste turbines die de wind opvangen, zullen meer stroom opwekken dan de turbines die daarna komen.

Om efficiëntere windparken te bouwen, ontwerpers moeten met deze factoren rekening houden met windsnelheid en turbineafstand, evenals de grootte van het land, geografie, aantal turbines, hoeveelheid vegetatie, meteorologische omstandigheden, bouwkosten, en andere overwegingen, volgens de onderzoekers.

Het is moeilijk om al deze factoren in evenwicht te brengen om een ​​optimale lay-out te vinden, zelfs met behulp van wiskundige modellen.

"Dit is een benadering met meerdere doelstellingen, " zei Rasouli. "We hebben een functie en we willen deze optimaliseren, rekening houdend met verschillende beperkingen."

De onderzoekers concentreerden zich op één benadering, genaamd "biogeografische optimalisatie." Gemaakt in 2008 en geïnspireerd door de natuur, BBO is gebaseerd op hoe dieren zich van nature verspreiden om het beste gebruik te maken van hun omgeving op basis van hun behoeften. Door een wiskundig model te maken van dierlijk gedrag, het is dan mogelijk voor de onderzoekers om de optimale verdeling van objecten in andere scenario's te berekenen, zoals turbines op een windpark.

"Analytische methoden vereisen veel rekenwerk, " zei Rasouli. "Deze BBO-methode minimaliseert de berekening en geeft betere resultaten, het vinden van de optimale oplossing tegen minder rekenkosten."

Andere onderzoekers gebruikten in 2017 en 2018 vereenvoudigde versies van de BBO-aanpak om efficiëntere windparklay-outs te berekenen, maar deze vereenvoudigde versies hielden geen rekening met alle factoren die van invloed zijn op de optimale lay-out.

De onderzoekers van Penn State en de Universiteit van Tabriz voltooiden de aanpak door extra variabelen op te nemen, inclusief echte marktgegevens, de ruwheid van het oppervlak - die van invloed is op hoeveel stroom er in de wind zit - en hoeveel wind elke turbine ontvangt.

Het onderzoeksteam verbeterde ook de BBO-aanpak door een realistischer model op te nemen voor het berekenen van zog - gebieden met lagere vleugelsnelheden die ontstaan ​​nadat de wind langs een turbine waait, vergelijkbaar met het kielzog achter een boot –– en testen hoe gevoelig het model was voor andere factoren zoals rentetarieven, financiële prikkels, en verschillen in energieproductiekosten. Ze rapporteren hun resultaten online in de Journal of Cleaner Production , die in november verschijnt.

"Dit is een meer realistische optimalisatiebenadering in vergelijking met enkele van de vereenvoudigende methoden die er zijn, "zei Rasouli. "Dit zou beter zijn voor klanten, aan fabrikanten, en in rasterstijl, grotere windparken."

Door meer gegevens op te nemen, zoals bijgewerkte meteorologische gegevens en informatie over de fabrikant, de onderzoekers zullen de BBO-aanpak kunnen gebruiken om de lay-outs van windparken op veel verschillende locaties te optimaliseren, het helpen van ontwerpers van windmolenparken over de hele wereld om hun land beter te gebruiken en meer energie op te wekken om aan de toekomstige energievraag van consumenten te voldoen.

"Er is een eindtijd voor fossiele brandstoffen, " zei Rasouli. "Met deze en toekomstige methoden of betere optimalisatiebenaderingen, kunnen we windenergie beter benutten."