Tjugo år sedan, vindenergi var mestadels en nischindustri som bidrog med mindre än 1% till det totala elbehovet i USA. Vind har sedan framträtt som en seriös utmanare i loppet för att utveckla ren, förnybara energikällor som kan upprätthålla nätet och möta det ständigt stigande globala energibehovet. Förra året, vindenergi levererade 7% av den inhemska elbehovet, och över hela landet - både på och till havs - har energiföretag installerat gigantiska turbiner som når högre och bredare än någonsin tidigare.

"Vindenergi kommer att bli en riktigt viktig del av kraftproduktionen, "sa ingenjören Jonathan Naughton vid University of Wyoming, i Laramie. Han erkände att skeptiker tvivlar på livskraften hos förnybara energikällor som vind och sol eftersom de är väderberoende och varierande i naturen, och därför svårt att kontrollera och förutsäga. "Det är sant, " han sa, "men det finns sätt att övervinna det."

Naughton och Charles Meneveau vid Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland, organiserade ett minisymposium vid det 73:e årsmötet i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics, där forskare beskrev löften och vätskedynamikens utmaningar för vindenergi.

För att vindenergi ska vara användbar - och accepterad - måste forskare designa system som är både effektiva och billiga, Sa Naughton. Det innebär att man får en bättre förståelse för de fysiska fenomen som styr vindkraftverk, i alla skalor. Tre år sedan, U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory (NREL) samlade 70 experter från hela världen för att diskutera vetenskapens tillstånd. År 2019, gruppen publicerade stora vetenskapliga utmaningar som måste hanteras för att vindkraft ska bidra med upp till hälften av efterfrågan på kraft.

En av dessa utmaningar var att bättre förstå fysiken i den del av atmosfären där turbinerna fungerar. "Vind är verkligen ett atmosfäriskt vätskemekanikproblem, "sa Naughton." Men hur vinden beter sig på de nivåer där turbinerna fungerar är fortfarande ett område där vi behöver mer information. "

Dagens turbiner har blad som kan sträcka sig 50 till 70 meter, sa Paul Veers, Chefsingenjör på NREL:s National Wind Technology Center, som gav en översikt över utmaningarna under symposiet. Dessa torn tornar sig 100 meter eller mer över omgivningen. "Offshore, de blir ännu större, sa Veers.

Fördelen med att bygga större turbiner är att ett vindkraftverk skulle behöva färre maskiner för att bygga och underhålla och komma åt de kraftfulla vindarna högt över marken. Men jättekraftverk fungerar i en skala som inte har studerats väl, sa Veers.

"Vi har en riktigt bra förmåga att förstå och arbeta med atmosfären i riktigt stora skalor, "sa Veers." Och forskare som Jonathan och Charles har gjort fantastiska jobb med flytande dynamik för att förstå små skalor. Men mellan dessa två, det finns ett område som inte har studerats så mycket. "

En annan utmaning blir att studera dessa gigantiska roterande maskiners strukturella och systemdynamik. Vindarna interagerar med bladen, som böjer och vrider sig. De snurrande bladen ger upphov till höga Reynolds -tal, "och det är områden där vi inte har mycket information, sa Naughton.

Kraftfulla beräkningsmetoder kan hjälpa till att avslöja fysiken, sa Veers. "Vi driver verkligen beräkningsmetoderna så långt som möjligt, "sa han." Det tar oss till de snabbaste och största datorerna som finns just nu. "

En tredje utmaning, Naughton noterade, är att studera beteendet hos grupper av turbiner. Varje turbin ger upphov till atmosfären, och när det vaket sprider sig nedströms interagerar det med väckningarna från andra turbiner. Vakna kan kombinera; de kan också störa andra turbiner. Eller något annat i området. "Om det finns jordbruksmark i vinden, vi vet inte hur förändringen i det atmosfäriska flödet kommer att påverka det, sa Naughton.

Han kallade vindenergin för det "ultimata skalproblemet". Eftersom det ansluter småskaliga problem som turbinernas interaktioner med luften till problem med jättestor skala som atmosfärisk modellering, vindenergi kommer att kräva expertis och input från en mängd olika områden för att hantera utmaningarna. "Vind är bland de billigaste energiformerna, "sa Naughton." Men när tekniken mognar, frågorna blir svårare. "