Выходная мощность ветряных электростанций может быть увеличена на порядок - как минимум в десять раз - просто за счет оптимизации размещения турбин на заданном участке земли, считают исследователи из Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт), которые провели уникальное полевое исследование на экспериментальной ветряной электростанции площадью два акра в северной части округа Лос-Анджелес.
Документ, описывающий выводы - результаты полевых испытаний, проведенных Джоном Дабири, профессором аэронавтики и биоинженерии Калифорнийского технологического института, и его коллегами летом 2010 года - опубликован в июльском номере журнала Renewable and Sustainable Energy.
Экспериментальная ферма Дабири, известная как Полевая лаборатория оптимизированной энергии ветра (FLOWE), содержит 24 ветряных турбины с вертикальной осью (VAWT) высотой 10 метров и шириной 1,2 метра - турбины с вертикальными роторами и похожи на взбивалки, торчащие из земли. Полдюжины турбин использовались в полевых испытаниях 2010 года.
Несмотря на усовершенствования конструкции ветряных турбин, которые повысили их эффективность, ветряные электростанции довольно неэффективны, отмечает Дабири. Современные фермы обычно используют ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT) - стандартные пропеллерные монолиты, которые вы можете увидеть медленно вращающимися в одном направлении на холмах перевала Техачапи к северу от Лос-Анджелеса.
На таких фермах отдельные турбины должны располагаться далеко друг от друга, а не настолько далеко, чтобы их гигантские лопасти не соприкасались. При таком типе конструкции след, создаваемый одной турбиной, может аэродинамически мешать соседним турбинам, в результате чего «большая часть энергии ветра, поступающей на ветряную электростанцию, никогда не используется», - говорит Дабири. Он сравнивает современные фермы с «небрежными едоками», которые тратят впустую не только недвижимость (и тем самым снижая выходную мощность данного участка земли), но и большую часть имеющихся у них энергетических ресурсов.
Конструкторы компенсируют потерю энергии, делая более крупные лопасти и более высокие башни, чтобы поглощать больше доступного ветра и на высотах, где порывы ветра более сильные. «Но это влечет за собой и другие проблемы, - говорит Дабири, - например, более высокие затраты, более сложные инженерные проблемы и большее воздействие на окружающую среду». В конце концов, большие и высокие турбины означают больше шума, больше опасности для птиц и летучих мышей, а для тех, кто не находит вращающиеся шпили визуально привлекательными, еще большее бельмо на глазу.
Решение, по словам Дабири, заключается в том, чтобы вместо этого сосредоточиться на конструкции самой ветровой электростанции, чтобы максимально повысить эффективность сбора энергии на высотах ближе к земле. В то время как ветер дует гораздо менее энергично, скажем, на высоте 30 футов над землей, чем на высоте 100 футов, «глобальная энергия ветра, доступная на высоте 30 футов над землей, в несколько раз превышает потребление электроэнергии в мире», - говорит он. Это означает, что достаточное количество энергии может быть получено с меньшими по размеру, более дешевыми и менее вредными для окружающей среды турбинами - при условии, что это правильные турбины, расположенные в правильном порядке.
По словам Дабири, VAWT идеальны, потому что их можно расположить очень близко друг к другу. Это позволяет им улавливать почти всю энергию дующего ветра и даже энергию ветра над фермой. Исследователи обнаружили, что когда каждая турбина вращается в направлении, противоположном своим соседям, это также повышает их эффективность, возможно, потому, что противоположные вращения уменьшают сопротивление каждой турбине, позволяя ей вращаться быстрее (Дабири придумал использовать этот тип конструктивной интерференции). из его исследований стайной рыбы).
В ходе полевых испытаний летом 2010 года Дабири и его коллеги измерили скорость вращения и мощность, генерируемую каждой из шести турбин, установленных в различных конфигурациях. Одна турбина оставалась в фиксированном положении для каждой конфигурации; остальные были на переносных опорах, что позволяло их перемещать.
Испытания показали, что расположение, в котором все турбины в группе были разнесены на четыре диаметра турбины (примерно 5 метров или примерно 16 футов), полностью устраняло аэродинамические помехи между соседними турбинами. Для сравнения, устранение аэродинамических помех между ветряными турбинами пропеллерного типа потребовало бы их размещения на расстоянии около 20 диаметров друг от друга, что означает расстояние более одной мили между самыми большими ветряными турбинами, которые сейчас используются.
Шесть VAWT генерировали от 21 до 47 ватт мощности на квадратный метр площади; ферма HAWT сопоставимого размера вырабатывает всего 2-3 Вт на квадратный метр.
«Биоинспирированные инженерные исследования Дабири бросают вызов статус-кво в технологии ветроэнергетики», - говорит Арес Росакис, заведующий кафедрой инженерии и прикладных наук Калифорнийского технологического института и профессор аэронавтики Теодора фон Кармана и профессор машиностроения. «Это пример того, как инновационные подходы инженеров Калифорнийского технологического института решают самые большие проблемы нашего общества."
«Мы на правильном пути, но это ни в коем случае не «выполненная миссия», - говорит Дабири. «Следующие шаги заключаются в расширении масштабов полевых демонстраций и улучшении готовых конструкций ветряных турбин, используемых для экспериментального исследования». Тем не менее, говорит он, «я думаю, что эти результаты являются убедительным призывом к дальнейшим исследованиям альтернатив статус-кво ветровой энергии».
Этим летом Дабири и его коллеги изучают более широкий массив из 18 VAWT, чтобы продолжить прошлогоднее полевое исследование. Видео и изображения полевого участка можно найти по адресу https://dabiri.c altech.edu/research/wind-energy.html.