Вертикальні вітряні турбіни кращі за звичайні: дослідники вирішили одну важливу проблему

Вчені вважають, що вдосконалені вертикальні турбіни зможуть відповідати за ефективністю і терміном служби класичним горизонтальним вітрогенераторам, або навіть перевершити їх за цими показниками.

Науковці у Швейцарії оптимізують вертикальні вітряки, роблячи їх компактнішими та тихішими, ніж альтернативи. Про це пише видання sonnenseite.com.

Однією з основних проблем енергетичного переходу є скорочення виробництва електроенергії, що виробляється сонячними електростанціями взимку. Вітряні турбіни, які подвоюють продуктивність у зимові місяці, могли б зіграти ключову роль у переході на поновлювані джерела енергії. Однак вони займають багато місця і шумлять. Це ускладнює пошук відповідних нових місць для них. У зв'язку з цим вчені з EPFL (Швейцарія) хочуть удосконалити турбіни з вертикальною віссю обертання, чиї лопаті перпендикулярні до землі та обертаються навколо вежі як карусель. Завдяки такій конструкції вони займають у 3 рази менше місця за тієї ж довжини лопаті, ніж горизонтальні аналоги. Вони також у 3 рази тихіші та менш небезпечні для птахів через повільніше і передбачуваніше обертання, тому підходять як для збільшення щільності наявних вітряних електростанцій, так і для установок у міських районах.

Однак одна фізична проблема поки що уповільнює їхній розвиток: динамічний зрив. Це явище може виникнути, коли вітер зустрічає перешкоду. Залежно від траєкторій і швидкостей за обхідним об'єктом утворюються вихори, що призводить до турбулентного потоку повітря. У випадку вітряних турбін динамічний зрив відбувається, якщо кут між вітром і лопаттю стає занадто великим. Класичні турбіни не мають цієї проблеми, оскільки їхні лопаті обертаються по осі вітру. З іншого боку, лопаті вертикальних вітряків особливо схильні до цього явища. Оскільки їхня вісь обертання розташована під прямим кутом до вітру, кут між вітром і лопатями безперервно змінюється. Щойно вітер досягає певної швидкості, вони стають схильними до зриву.

Мета дослідників — обмежити динамічний зрив, до якого схильні вертикальні турбіни, шляхом зміни орієнтації або кута нахилу лопатей. Ідея полягає в установці двигунів, які обертають лопаті частково навколо своєї осі під час їхнього загального обертання навколо осі вітряної турбіни.

Вчені з'ясували, як регулювати нахил лопатей для досягнення оптимальної продуктивності. Багато лабораторій використовують комп'ютерне моделювання для вирішення таких завдань. Це далеко не ідеальне рішення, оскільки потоки, що створюються навколо такої турбіни, важко передбачити і змоделювати.

Група створила мініатюрну однолопатеву вітряну турбіну в аеродинамічній трубі. Потім були встановлені датчики для вимірювання вироблюваної енергії. Крім того, обчислюються сили, які відчувають різні компоненти, і траєкторії частинок повітря під час випробувань. Ця спеціальна установка дає змогу швидко тестувати та розуміти вплив різних "танців вітряних турбін", залежно від вітрових умов.

Команда протестувала тисячі умов за допомогою "генетичного алгоритму", який застосовує логіку природного добору до тестованих параметрів. Цей метод обирає налаштування, які призводять до оптимального компромісу між найбільшою електричною ефективністю і збереженням структури вітряної турбіни. У результаті вчені змогли потроїти ефективність лабораторної вітряної турбіни. Щоб перевести ці цифри в промислові масштаби, необхідно враховувати наявність декількох лопатей і зміну розміру.

Вчені вважають, що вдосконалені вертикальні турбіни зможуть відповідати за ефективністю і терміном служби класичним горизонтальним вітрогенераторам, або навіть перевершити їх за цими показниками.