ต้องใช้ที่ดินเท่าไหร่สำหรับกังหันลม?

ตั้งแต่ปี 2550 กำลังการผลิตพลังงานลมในสหรัฐอเมริกาได้เพิ่มขึ้นในอัตราร้อยละ 30 ต่อปี ซึ่งเร็วกว่าเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าอื่นๆ อัตราการเติบโตยังคงเพิ่มขึ้นแม้จะใช้เทคโนโลยีลมที่ซับซ้อนก็ตาม ตัวอย่างเช่น ยังมีคำถามเกี่ยวกับรูปแบบที่เหมาะสมของฟาร์มกังหันลมและจำนวนพื้นที่ที่ต้องใช้ในการติดตั้งอย่างมีประสิทธิภาพ โครงการพลังงานลมระดับสาธารณูปโภคและกังหันลมสำหรับที่พักอาศัยมีข้อควรพิจารณาในการออกแบบแยกกันทั้งชุด

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

กังหันลมต้องการกระแสลมหรืออากาศที่ไม่เปลี่ยนแปลงและต่อเนื่องเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งหมายความว่าจะต้องไม่มีสิ่งกีดขวางในบริเวณใกล้เคียง นักวิจัยได้แนะนำว่าสำหรับกังหันลมที่อยู่อาศัย 150 เมตรจากสิ่งกีดขวางในบริเวณใกล้เคียงก็เพียงพอแล้ว ในกรณีของระยะห่างของฟาร์มกังหันลม กังหันจะต้องอยู่ห่างจากกันอย่างน้อย 7 เส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์

กังหันลมจะมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อทำงานในกระแสลมที่สม่ำเสมอ ราบรื่น ไม่เปลี่ยนแปลง และต่อเนื่อง สิ่งนั้นไม่เคยเกิดขึ้นในโลกแห่งความเป็นจริง แต่เมื่อวางแผนว่าจะติดตั้งกังหันลมที่ใด ตำแหน่งนั้นจะต้องใกล้เคียงกับอุดมคติมากที่สุด สำหรับระบบที่อยู่อาศัย นี่ไม่ใช่คำถามว่ากังหันลมต้องการพื้นที่เท่าใด แต่ต้องใช้ระยะห่างระหว่างกังหันลมกับสิ่งกีดขวางอื่นๆ มากน้อยเพียงใด หลักการทั่วไปคือติดตั้งกังหันลมให้ห่างจากสิ่งกีดขวางในบริเวณใกล้เคียง 150 เมตร (492.1 ฟุต) และสูง โดยให้ส่วนล่างของใบพัดอยู่เหนือสิ่งกีดขวาง 9 เมตร (29.5 ฟุต) รวมทั้งอาคารและ ต้นไม้

ฟาร์มกังหันลมเป็นกังหันขนาดใหญ่หลายตัวที่ออกแบบมาเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้าในระดับสาธารณูปโภค กังหันขนาดใหญ่ในฟาร์มกังหันลมนั้นไม่แตกต่างจากกังหันที่อยู่อาศัยในแง่หนึ่ง: ทำงานได้ดีที่สุดกับลมที่ไหลอย่างราบรื่น หากมีสิ่งใดมารบกวนการไหลของอากาศ ก็จะทำให้เกิดความปั่นป่วน ทำให้กังหันมีประสิทธิภาพน้อยลง กังหันลมแต่ละตัวทำให้เกิดความปั่นป่วนในพื้นที่ด้านหลังและรอบๆ กังหันลม ดังนั้นกังหันลมจึงต้องเว้นระยะห่างกันอย่างดี ระยะทางในกรณีนี้แสดงเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์ กฎทั่วไปสำหรับระยะห่างของฟาร์มกังหันลมคือ กังหันมีเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์ห่างจากกันประมาณ 7 เส้นผ่านศูนย์กลาง ดังนั้นโรเตอร์ 80 เมตร (262 ฟุต) จะต้องอยู่ห่างจากกังหันที่อยู่ติดกัน 560 เมตร มากกว่าหนึ่งในสามไมล์ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอปกินส์ เสนอว่าการเว้นระยะห่างมากเป็นสองเท่าจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม

หลักการง่ายๆ ก็คือ: นิพจน์แบบง่ายเพื่อให้เข้าใจความต้องการของระบบคร่าวๆ เพื่อค้นหาว่าเกิดอะไรขึ้นในโลกแห่งความเป็นจริง นักวิจัยจาก National Renewable Energy Laboratory, NREL ได้สำรวจโครงการพลังงานลมขนาดใหญ่ 172 โครงการเพื่อดูว่าพวกเขากำลังใช้ที่ดินอยู่เท่าใด การใช้ที่ดินโดยตรงเป็นการวัดพื้นที่ของสิ่งต่างๆ เช่น แท่นคอนกรีต สถานีไฟฟ้าย่อย และถนนทางเข้าใหม่ ในสหรัฐอเมริกา การใช้ที่ดินโดยตรงสำหรับกังหันลมอยู่ที่สามในสี่ของเอเคอร์ต่อเมกะวัตต์ของกำลังการผลิตที่กำหนด กล่าวคือกังหันลมขนาด 2 เมกะวัตต์ต้องใช้พื้นที่ 1.5 เอเคอร์

ในฟาร์มกังหันลมใด ๆ มีช่องว่างระหว่างกังหันมากมาย พื้นที่บางส่วนนั้นใช้เพื่อลดความปั่นป่วนให้น้อยที่สุด แต่บางส่วนก็เพื่อให้เป็นไปตามแนวสันเขาหรือหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางอื่นๆ พื้นที่ส่วนใหญ่นี้ใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่น เช่น ฟาร์มเกษตร นักวิจัยของ NREL ยังสำรวจการใช้ประโยชน์ที่ดินทั้งหมดนี้ด้วย พวกเขาพบว่ามีค่าเฉลี่ยคร่าวๆ 4 เมกะวัตต์ต่อตารางกิโลเมตร (ประมาณ 10 เมกะวัตต์ต่อตารางไมล์) ดังนั้นกังหันลมขนาด 2 เมกะวัตต์จึงต้องการพื้นที่รวมประมาณครึ่งตารางกิโลเมตร (ประมาณสองในสิบของตารางไมล์)

ข้อกำหนดด้านกฎระเบียบส่วนใหญ่ผลักดันให้กังหันลมในพื้นที่ต้องการ มีมณฑลมากกว่า 3,000 แห่งในสหรัฐอเมริกา ซึ่งส่วนใหญ่รับผิดชอบด้านกฎระเบียบการแบ่งเขตลม และไม่น่าเป็นไปได้ที่แต่ละแห่งจะมีผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวกับการกำหนดตำแหน่งของกังหันลม นั่นนำไปสู่กฎเกณฑ์ที่ค่อนข้างไม่แน่นอน บทบัญญัติสำหรับความล้มเหลวเป็นตัวอย่างที่ดี และอาจมีผลกระทบต่อปริมาณพื้นที่ที่อาร์เรย์เทอร์ไบน์ต้องการ เนื่องจากเทคโนโลยีลมค่อนข้างใหม่และเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว จึงมีข้อมูลไม่มากนักเกี่ยวกับข้อเสียหรืออันตรายของกังหันน้ำ ใกล้กับโครงสร้างอื่น ๆ ดังนั้นจึงมีการตัดสินใจแบบสุ่มเกือบทั้งหมดเกี่ยวกับระยะทางขั้นต่ำที่กังหันลมควรตั้งอยู่จากเส้นคุณสมบัติ กฎความพ่ายแพ้ในสหรัฐอเมริกาแตกต่างกันไปตามระยะทาง "เพื่อให้เสียงจากกังหันไม่ การบุกรุก" เป็น "สองเท่าของความสูงของระบบ รวมทั้งใบพัดด้วย" เป็นชุดเดียวกัน 304.8 เมตร (1,000 ฟุต)