Вертикальные ветряные турбины лучше обычных: исследователи решили одну важную проблему

Ученые в Швейцарии оптимизируют вертикальные ветряки, делая их более компактными и тихими, чем альтернативы. Об этом пишет издание sonnenseite.com.

Одной из основных проблем энергетического перехода является сокращение производства электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями зимой. Ветряные турбины, которые удваивают производительность в зимние месяцы, могли бы сыграть ключевую роль в переходе на возобновляемые источники энергии. Однако они занимают много места и шумят. Это затрудняет поиск подходящих новых мест для них. В этой связи ученые из EPFL (Швейцария) хотят усовершенствовать турбины с вертикальной осью вращения, чьи лопасти перпендикулярны земле и вращаются вокруг башни как карусель. Благодаря такой конструкции они занимают в 3 раза меньше места при той же длине лопасти, чем горизонтальные аналоги. Они также в 3 раза тише и менее опасны для птиц из-за более медленного и предсказуемого вращения, поэтому подходят как для увеличения плотности существующих ветряных электростанций, так и для установок в городских районах.

Однако одна физическая проблема пока что замедляет их развитие: динамический срыв. Это явление может возникнуть, когда ветер встречает препятствие. В зависимости от траекторий и скоростей за обходимым объектом образуются вихри, что приводит к турбулентному потоку воздуха. В случае ветряных турбин динамический срыв происходит, если угол между ветром и лопастью становится слишком большим. Классические турбины не имеют этой проблемы, поскольку их лопасти вращаются по оси ветра. С другой стороны, лопасти вертикальных ветряков особенно подвержены этому явлению. Поскольку их ось вращения находится под прямым углом к ​​ветру, угол между ветром и лопастями непрерывно меняется. Как только ветер достигает определенной скорости, они становятся склонными к срыву.

Цель исследователей — ограничить динамический срыв, которому подвержены вертикальные турбины, за счет изменения ориентации или угла наклона лопастей. Идея состоит в установке двигателей, которые вращают лопасти частично вокруг своей оси во время их общего вращения вокруг оси ветряной турбины.

Ученые выяснили, как регулировать наклон лопастей для достижения оптимальной производительности. Многие лаборатории используют компьютерное моделирование для решения таких задач. Это далеко не идеальное решение, поскольку потоки, создаваемые вокруг такой турбины, трудно предсказать и смоделировать.

Группа создала миниатюрную однолопастную ветряную турбину в аэродинамической трубе. Затем были установлены датчики для измерения вырабатываемой энергии. Кроме того, вычисляются силы, которые испытывают различные компоненты, и траектории частиц воздуха во время испытаний. Эта специальная установка позволяет быстро тестировать и понимать влияние различных "танцев ветряных турбин", в зависимости от ветровых условий.

Команда протестировала тысячи условий с помощью "генетического алгоритма", который применяет логику естественного отбора к тестируемым параметрам. Этот метод выбирает настройки, которые приводят к оптимальному компромиссу между наибольшей электрической эффективностью и сохранением структуры ветряной турбины. В результате ученые смогли утроить эффективность лабораторной ветряной турбины. Чтобы перевести эти цифры в промышленные масштабы, необходимо учитывать наличие нескольких лопастей и изменение размера.

Ученые считают, что усовершенствованные вертикальные турбины смогут соответствовать по эффективности и сроку службы классическим горизонтальным ветрогенераторам, или даже превзойти их по этим показателям.