Докато вятърните турбини с хоризонтална ос (HAWT) доминират в съвременния ландшафт на вятърната енергия, вятърните турбини с вертикална ос (VAWT) имат много по-богато историческо минало. Техният произход датира от осми век в Близкия изток за мелене на зърно.
VAWT, въртящи се перпендикулярно на вятъра, предлагат предимства като по-висока плътност на вятърната енергия. Освен това те работят много по-тихо поради по-бавното въртене и по-малкия пространствен отпечатък за еквивалентен изход, както на сушата, така и в морето.
Освен това тяхното странично движение на острието е по-щадящо за дивите животни, позволявайки на птиците да ги избягват по-лесно. Въпреки тези предимства, VAWT остават рядкост на днешния пазар на вятърна енергия.
Проблемът се свежда до инженерен проблем – контрол на въздушния поток, който изследователите от School of Engineering Unsteady Flow Diagnostics Lab (UNFOLD) в EPFL обещават да разрешат. Техният подход включва комбинация от сензорна технология и машинно обучение за оптимизиране на въздушния поток в дизайните на VAWT.
Екипът предлага два профила на наклона за лопатките VAWT, които водят до 200 процента повишаване на ефективността на турбината и 77 процента намаление на вибрациите, които могат да повредят структурата.
Подробностите от изследването на екипа са публикувани в списанието Nature Communications.
Отстраняване на решаващ недостатък
VAWT имат значителен недостатък въпреки множеството споменати предимства: те работят най-добре в среда с умерен, постоянен въздушен поток. Поради тяхната вертикална ос на въртене, ориентацията на лопатките спрямо вятъра винаги се променя.
Динамичното спиране е явление, при което мощен порив увеличава ъгъла между въздушния поток и перката, създавайки вихър. Остриетата не са в състояние да издържат моментните структурни натоварвания, създадени от тези вихри.
Изследователите инсталират сензори на задвижващия лопатков вал, за да оценят въздушните сили, действащи върху него, и да се справят с тази липса на устойчивост на пориви. Променяйки ъгъла, скоростта и амплитудата на движението напред-назад на острието, те създават набор от „профили на наклона“.
След това те използват генетичен алгоритъм на компютър и той извършва повече от 3500 повторения на опита. Алгоритъмът, подобен на еволюционен процес, идентифицира най-стабилните и ефективни профили на наклона и обединява тези характеристики, за да произведе ново и подобрено „потомство“.
Трансформиране на ефективността на VAWT
Подходът, използван от екипа, им позволява да превърнат основния недостатък на VAWT в сила и да разкрият две серии от профили на наклона, които значително увеличават издръжливостта и ефективността на турбината. Профилите повишават ефективността с 200 процента и намаляват вредните вибрации със 77 процента, оптимизирайки работата на турбината.
„Повечето вятърни турбини насочват силата, генерирана от лопатките, нагоре, което не помага на въртенето. Промяната на този ъгъл не само образува по-малък вихър – той едновременно го отблъсква точно в точния момент, което води до втори регион на производство на енергия по посока на вятъра“, казва Льо Фуест.
За да разработи VAWT с доказателство за концепцията, екипът получава безвъзмездна помощ BRIDGE от Швейцарската национална научна фондация (SNSF). Намерението е да се постави в на терен, за да се тества как реагира на реалните условия в реално време.
„Надяваме се, че този метод за контрол на въздушния поток може да доведе до ефективна и надеждна технология VAWT, която най-накрая да може да бъде пусната в търговската мрежа“, казва Льо Фуест.
Източник: InterestingEngineering
