Offshore-vindkraftverk byggda enligt gällande standarder kanske inte kan motstå de kraftiga vindbyarna från en kategori 5-orkan, skapar potentiell risk för sådana turbiner byggda i orkanutsatta områden, ny University of Colorado Boulder-ledd forskning visar.

Studien, som genomfördes i samarbete med National Center for Atmospheric Research i Boulder, Colorado och det amerikanska energidepartementets nationella laboratorium för förnybar energi i Golden, Colorado, belyser begränsningarna i nuvarande turbindesign och kan ge vägledning för tillverkare och ingenjörer som vill bygga fler orkantåliga turbiner i framtiden.

Utvecklingen av vindenergi till havs i USA har ökat de senaste åren, med projekt som antingen övervägs eller redan pågår i de flesta atlantiska kuststaterna från Maine till Carolinas, samt Västkusten och Stora sjöarna. Landets första vindkraftspark till havs, bestående av fem turbiner, började kommersiell verksamhet i december 2016 utanför Rhode Islands kust.

Turbinkonstruktionsstandarder styrs av International Electrotechnical Commission (IEC). För offshore-turbiner, inga specifika riktlinjer för vindar med orkanstyrka finns. Offshore-turbiner kan byggas större än landbaserade turbiner, dock, på grund av en tillverkares förmåga att transportera större gjutna komponenter såsom blad via fraktfartyg snarare än över land med järnväg eller lastbil.

För studien, CU Boulder-forskare försökte testa gränserna för den befintliga designstandarden. På grund av brist på observationsdata över höjden av ett vindturbin, de använde istället stora virvelsimuleringar för att skapa en kraftfull orkan med en dator.

"Vi ville förstå det värsta scenariot för vindkraftverk till havs, och för orkaner, det är en kategori 5, sa Rochelle Worsnop, en forskare vid CU Boulders institution för atmosfäriska och oceaniska vetenskaper (ATOC) och huvudförfattare till studien.

Dessa unikt högupplösta simuleringar visade att under kategori 5-förhållanden, medelvindhastigheter nära stormens ögonvägg nådde 90 meter per sekund, långt över tröskeln på 50 meter per sekund som fastställts av nuvarande standarder.

"Vindhastigheter av denna magnitud har observerats i orkaner tidigare, men i endast ett fåtal fall, och dessa observationer ifrågasätts ofta på grund av de farliga förhållandena och begränsningarna hos instrument, " sa George Bryan från NCAR och en medförfattare till studien. "Genom att använda simuleringar med stora virvel, vi kan visa hur sådana vindar kan utvecklas och var de förekommer inom orkaner."

Vidare, nuvarande standarder tar inte hänsyn till veer, ett mått på förändringen i vindriktning över ett vertikalt spann. I simuleringen, vindriktningen ändrades med så mycket som 55 grader mellan spetsen på rotorn och dess nav, skapar en potentiellt farlig belastning på bladet.

Resultaten kan användas för att hjälpa vindkraftsutvecklare att förbättra designstandarder samt för att hjälpa intressenter att fatta välgrundade beslut om kostnaderna, fördelar och risker med att placera turbiner i orkanutsatta områden.

"Studien kommer att hjälpa till att informera om designval innan utvecklingen av vindkraft till havs ökar i orkanutsatta regioner, sa Worsnop, som fick finansiering från National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program för att genomföra denna forskning. "Vi hoppas att denna forskning kommer att hjälpa vindkraftstillverkare och utvecklare att framgångsrikt utnyttja den otroligt kraftfulla vindresursen strax bortom våra kustlinjer."

"Framgång kan innebära att antingen bygga turbiner som kan överleva dessa extrema förhållanden, eller genom att förstå den övergripande risken så att riskerna kan minskas, kanske med finansiella instrument som försäkring, " sa professor Julie Lundquist vid ATOC och CU Boulders Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI), en medförfattare till studien. "Nästa steg i detta arbete skulle vara att bedöma hur ofta dessa extrema vindar skulle påverka en havsbaserad vindkraftpark vid Atlantkusten under en 20 till 30-årig livstid för en typisk vindkraftspark."

Resultaten publicerades nyligen online i tidskriften Geofysiska forskningsbrev , en publikation av American Geophysical Union.