Ветряные турбины с вертикальной осью: новое программное обеспечение позволило создать инновационную высокопроизводительную конструкцию
Исследователи из EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны) использовали алгоритм генетического обучения для определения оптимальных профилей шага лопастей ветряных турбин с вертикальной осью. Ветряные турбины с вертикальной осью, обладающие высоким энергетическим потенциалом, до сих пор были уязвимы к сильным порывам ветра и пригодны только для умеренных течений.
Пояснительная статья в открытом доступе была опубликована в журнале Nature Communications .
Когда вы думаете о современной промышленной ветряной турбине, вы, вероятно, представляете себе конструкцию ветряной мельницы, технически известную как ветряная турбина с горизонтальной осью (HAWT). Но самые первые ветряные турбины, разработанные на Ближнем Востоке примерно в VIII веке для измельчения зерна, представляли собой ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT), то есть они вращались перпендикулярно ветру, а не параллельно.
Турбина с горизонтальной осью (в разобранном виде)
Благодаря более низкой скорости вращения VAWT менее шумны, чем HAWT, и обеспечивают более высокую плотность энергии ветра, а это означает, что им требуется меньше места для одного и того же производства как на берегу, так и на море. Лезвия также более дружелюбны к дикой природе: поскольку они вращаются вбок, а не режут сверху, птицам легче их избежать.
различные типы турбин с вертикальной осью
Почему, учитывая эти преимущества, VAWT практически отсутствуют на нынешнем рынке ветроэнергетики? Как объясняет Себастьян Ле Фуэст, исследователь из Лаборатории диагностики нестационарных потоков инженерной школы (UNFOLD), это инженерная проблема – управление воздушным потоком – которая, по его словам, может быть решена с помощью сочетания сенсорных технологий и машинного обучения. В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, Ле Фуэст и директор UNFOLD Карен Мюлленерс описывают два оптимальных профиля шага лопастей VAWT, которые обеспечивают увеличение эффективности турбины на 200% и снижение вибраций, угрожающих конструкции, на 77%.
Экспериментальная лопата VAWT EPFL
Ле Фуэст отметил: «Насколько нам известно, наше исследование представляет собой первое экспериментальное применение алгоритма генетического обучения для определения наилучшего шага лезвия VAWT».
Превращение ахиллесовой пяты в преимущество
Ле Фуэст объяснил, что, хотя установленная мощность ветровой энергии в Европе растет на 19 гигаватт в год, эта цифра должна быть ближе к 30 ГВт, чтобы достичь целей ООН по выбросам углекислого газа к 2050 году.
«Препятствия на пути к достижению этого носят не финансовый, а социальный и законодательный характер: общественное признание ветряных турбин очень низкое из-за их размера и шума», — сказал он.
Несмотря на свои преимущества в этом отношении, VAWT имеют серьезный недостаток: они хорошо работают только при умеренном и непрерывном потоке воздуха. Вертикальная ось вращения означает, что лопасти постоянно меняют ориентацию относительно ветра. Сильный порыв увеличивает угол между воздушным потоком и лопастями, образуя вихрь – явление, называемое динамическим сваливанием. Эти вихри создают временные структурные нагрузки, которые лопасти не могут выдержать.
Чтобы решить проблему отсутствия сопротивления порывам ветра, исследователи установили датчики на валу лопасти, чтобы измерять действующие на него воздушные силы. Покачивая лезвием вперед и назад под разными углами, скоростями и амплитудами, они создали серию «профилей наклона». Затем они использовали компьютер для запуска генетического алгоритма, который выполнил более 3500 экспериментальных итераций. В ходе эволюционного процесса алгоритм выбрал наиболее эффективные и надежные профили высоты звука и рекомбинировал их характеристики для создания нового и улучшенного «потомства».
Такой подход позволил исследователям не только идентифицировать два набора профилей шага, которые способствуют значительному повышению эффективности и надежности турбины, но и превратить главный недостаток VAWT в преимущество.
« Динамический срыв – то же самое явление, которое разрушает ветряные турбины – в небольших масштабах может фактически толкнуть лопасть вперед. В этом случае мы используем динамическое сваливание в своих интересах, перенаправляя шаг лопасти вперед для выработки энергии», — объяснил Ле Фуэст. Шаг – это наклон лопастей относительно своей оси. Таким образом, в этой конструкции другая скорость вращения и динамическая остановка изменяют наклон лопастей и при этом позволяют производить энергию, не разрушая сами лопасти.
«Большинство ветряных турбин наклоняют силу, создаваемую лопастями, вверх, что не способствует вращению. Изменение угла не только формирует меньший вихрь, но и отталкивает его в нужный момент, что приводит к появлению второй области производства энергии с подветренной стороны».
Статья Nature Communications представляет докторскую работу Ле Фуэста в лаборатории UNFOLD. Теперь он получил грант BRIDGE от Швейцарского национального научного фонда (SNSF) и Innosuisse на создание экспериментального проекта VAWT. Цель состоит в том, чтобы установить его на открытом воздухе, чтобы мы могли протестировать его реакцию в реальном времени на реальные условия.
«Мы надеемся, что этот метод управления воздушным потоком поможет довести до зрелости эффективную и надежную технологию VAWT, чтобы она, наконец, стала коммерчески доступной», — сказал Ле Фуэст.
Благодаря нашему Telegram-каналу вы можете быть в курсе публикаций новых статей «Экономические сценарии».
Статья «Ветряные турбины с вертикальной осью: новое программное обеспечение позволило создать инновационную высокопроизводительную конструкцию» взята из «Экономических сценариев» .
Это автоматический перевод публикации, опубликованной в журнале Scenari Economici по адресу https://scenarieconomici.it/turbine-eoliche-ad-asse-verticale-un-nuovo-software-ha-permesso-un-disegno-innovativo-ad-alta-rendita/ в Tue, 21 May 2024 15:02:13 +0000.