Новое исследование инженеров из Университета Глазго может раскрыть полный потенциал безлопастных ветряных турбин — перспективного направления в малой ветроэнергетике. С помощью сложного компьютерного моделирования ученые определили, как создавать будущие поколения этих устройств для достижения максимальной эффективности.
Результаты работы могут помочь отрасли возобновляемых источников энергии перейти от мелкомасштабных экспериментов к практическому применению безлопастных турбин (БЛТ) в национальных электросетях. В отличие от традиционных ветрогенераторов, преобразующих кинетическую энергию вращающихся лопастей, БЛТ генерируют электричество за счет процесса, известного как вихреиндуцированная вибрация.
Внешне БЛТ представляют собой тонкие цилиндрические мачты, которые раскачиваются на ветру подобно фонарным столбам в непогоду. Когда ветер обдувает конструкцию, он создает вихри — чередующиеся завихрения воздуха, заставляющие всю мачту колебаться. Если частота этих колебаний совпадает с собственной частотой вибрации конструкции, движение значительно усиливается, и это усиленное движение преобразуется в электроэнергию.
В новой статье, опубликованной в журнале Renewable Energy, команда показала, как с помощью компьютерного моделирования была симулирована производительность тысяч вариантов конструкций БЛТ. Результаты пролили свет на взаимосвязь между размерами мачты, выходной мощностью и структурной безопасностью при скорости ветра от 32 до 112 километров в час.
Ключевой вывод исследования заключается в существовании оптимальной конструкции БЛТ, которая создает «золотую середину», где выработка энергии максимальна при сохранении прочности. Идеальный проект, тонко балансирующий между мощностью и надежностью, — это мачта высотой 80 см и диаметром 65 см. Такая конструкция, по расчетам команды, может безопасно генерировать до 460 Вт электроэнергии, что значительно превосходит показатели даже лучших существующих прототипов, чья максимальная мощность достигала всего 100 Вт.
Модель также продемонстрировала ограничения других конструкций, которые теоретически могли бы генерировать больше энергии. В статье показано, что некоторые варианты БЛТ способны производить до 600 Вт, но ценой структурной целостности — в реальных условиях они бы быстро вышли из строя. Методология команды может стать основой для масштабирования БЛТ до систем коммунального уровня мощностью 1 кВт и выше.
Доктор Врик Маллик из Инженерной школы Джеймса Уатта Университета Глазго, один из авторов статьи, отметил: «Это исследование впервые показывает, что, вопреки ожиданиям, конструкция с наибольшей эффективностью извлечения энергии — это не та, что обеспечивает максимальную выходную мощность. Вместо этого мы определили идеальную точку равновесия между параметрами для максимизации генерации энергии БЛТ при сохранении их структурной прочности».
Он добавил, что в будущем БЛТ могут сыграть неоценимую роль в производстве энергии в городских условиях, где традиционные ветряные турбины менее практичны. «БЛТ тише, занимают меньше места, представляют меньшую угрозу для дикой природы и имеют меньше движущихся частей, поэтому им потребуется менее частое техническое обслуживание», — пояснил Маллик.
Профессор Сондипон Адхикари, также являющийся автором статьи, выразил надежду, что исследование подтолкнет промышленность к разработке новых прототипов. «Устранение части догадок, связанных с доработкой прототипов, поможет приблизить БЛТ к тому, чтобы они стали более полезной частью мирового инструментария для достижения углеродной нейтральности», — сказал он. В планах команды — дальнейшее изучение технологии и возможностей ее масштабирования, а также исследование потенциала метаматериалов для повышения эффективности БЛТ.
About the Author
