Läge, läge, läge – när det kommer till placeringen av vindkraftverk gäller det gamla fastighetsordspråket, enligt ny forskning publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences av Carnegies Enrico Antonini och Ken Caldeira.

Turbiner omvandlar vindens kinetiska energi till elektrisk energi när de svänger. Men själva handlingen att installera turbiner påverkar vår förmåga att utnyttja vindens kraft. När en turbin griper in i vinden påverkar den den. En turbins utvinning av energi från vinden påverkar dess grannars förmåga att göra detsamma.

"Vind kommer aldrig att "torka ut" som en energiresurs, men vår förmåga att skörda den är inte heller oändligt skalbar, förklarade Antonini. "När vindkraftverk är samlade i stora grupper, försämras deras prestanda och hastigheten med vilken de utvinner energi minskar."

Antonini och Caldeira satte sig för att bestämma hur stor en vindkraftpark kan bli innan dess produktionskapacitet per landenhet når gränserna för energipåfyllning, samt hur mycket av en "vindskugga" stora parker kastar, vilket skulle ha en negativ effekt på eventuella närliggande medvindsinstallationer.

"När vi går bort från fossila bränslen, förutspår vissa scenarier att vindkraftsparker kan leverera så mycket som en tredjedel av den globala energin till 2050," sa Caldeira. "Så det är absolut nödvändigt att vi förstår sambandet mellan turbinplacering och maximal energiutvinning."

Det tar tid för vinden att återgå till normal styrka efter att en del av dess kinetiska energi har utvunnits av en vindkraftspark. Hur snabbt vinden kan återhämta sig från att stöta på ett vindkraftverk är relaterat till vindkraftparkens latitud och jordens rotation, sa Antonini och Caldeira. Tidigare studier om vindkraftsproduktion har noterat väckningar bakom stora vindkraftsparker, så Antonini och Caldeira utvecklade en teoretisk förståelse för de grundläggande kontrollerna för storleken på dessa väckningar.

Storleken på en stor vindkraftsparks kölvatten är relaterad till hastigheten på de överliggande vindarna, samt till hur lång tid det tar tryckskillnader i jordens atmosfär att fylla på energin som utvanns av turbinerna. Antonini och Caldeiras arbete indikerar att dessa faktorer bör beaktas när man bestämmer storleken och placeringen av vindkraftsparker under olika förhållanden.

Till exempel fann de att turbiner i områden med stark vind är mer benägna att påverkas av sina uppströms grannar än de i områden med svagare vindar. Vindparker som ligger närmare ekvatorn är också mer benägna att påverkas negativt av vindskuggorna från uppströms vindkraftsparker än vindkraftsparker som är närmare polerna.

"Vindenergi är en potentiell källa till stora mängder koldioxidfri energi", sa Caldeira. "Men för att få ut det mesta av den här resursen måste vi tänka på hur andra vindkraftsparker kan påverka oss och hur vi kan påverka andra vindkraftsparker."

En idé som författarna föreslog är att att bygga flera små vindkraftsparker med utrymme för vindåtervinning däremellan kan potentiellt vara en effektivare strategi på vissa platser än att bygga en massiv vindkraftpark, även om mer forskning behövs.

"Vi hoppas att detta arbete kommer att göra det möjligt för byggarna och förvaltarna av vindkraftsinstallationer att designa det bästa möjliga scenariot för maximal vindkraftgenerering," sa Antonini.