В поисках получения энергии из ветра вскоре может помочь эксперт по гидродинамике Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) Джон Дабири и косяк рыб.
В качестве главы Лаборатории биологических двигателей Калифорнийского технологического института Дабири изучает концепции энергии воды и энергии ветра, которые разделяют тему биовдохновения: то есть определение связанных с энергией процессов в биологических системах, которые могут дать представление о новых подходах к - в в данном случае - энергия ветра.
«Меня вдохновили наблюдения за стайными рыбами и предположение о том, что существует конструктивная гидродинамическая интерференция между следами соседних рыб», - говорит Дабири, доцент кафедры аэронавтики и биоинженерии Калифорнийского технологического института.«Оказывается, многие из тех же физических принципов могут быть применены к взаимодействию ветряных турбин с вертикальной осью».
Самая большая проблема современных ветряных электростанций - нехватка места. Наиболее часто встречающиеся ветряные турбины с горизонтальной осью - с большими пропеллерами - требуют значительного количества земли для правильной работы. «Ветряные турбины пропеллерного типа снижают производительность, когда они располагаются близко друг к другу», - говорит Дабири.
В бассейне Лос-Анджелеса проблема поиска подходящего места для таких больших ветряных электростанций помешала дальнейшему прогрессу в использовании энергии ветра. Но с помощью принципов, обеспечиваемых стайной рыбой, и использования турбин с вертикальной осью, это может измениться.
Вертикальные турбины, которые являются относительно новым дополнением к ландшафту ветроэнергетики, не имеют пропеллеров; вместо этого они используют вертикальный ротор. Благодаря этому устройства можно размещать на небольших участках земли более плотным образом. Аспиранты Калифорнийского технологического института Роберт Уиттлси и Себастьян Лиска исследовали использование турбин с вертикальной осью на небольших участках в ходе исследовательского проекта в классе под руководством Дабири. Их результаты показывают, что могут быть существенные преимущества в размещении турбин с вертикальной осью в стратегическом ряду, и что некоторые конфигурации могут позволить турбинам работать более эффективно в результате их связи с другими вокруг них - концепция, впервые появившаяся при изучении школ. рыбы.
В современных ветряных электростанциях все турбины вращаются в одном направлении. Но, изучая вихри, оставленные рыбой, плавающей в косяке, Дабири заметил, что одни вихри вращаются по часовой стрелке, а другие против часовой стрелки. Поэтому Дабири хочет выяснить, поможет ли попеременное вращение турбин с вертикальной осью в непосредственной близости повысить эффективность. Второе наблюдение, которое он сделал, изучая рыбу, и замеченное в моделировании Уиттлси и Лиски, заключалось в том, что вихри образовывали «лестницу», которая контрастирует с современными ветряными электростанциями, где турбины размещаются аккуратно рядами.
Компьютерные модели Уиттлси и Лиски предсказали, что энергия ветра, извлекаемая с участка земли с использованием этого подхода со ступенчатым размещением, будет в несколько раз больше, чем у обычных ветряных электростанций, использующих турбины с горизонтальной осью. После того, как они определили оптимальное размещение, Дабири считает, что можно будет производить более чем в 10 раз больше энергии, чем в настоящее время обеспечивает ферма горизонтальных турбин. Результаты достаточно убедительны, чтобы группа Калифорнийского технологического института начала демонстрацию этой идеи в полевых условиях.
Дабири купил два акра земли к северу от Лос-Анджелеса, где он создает Полевую лабораторию Калифорнийского технологического института для оптимизированной энергии ветра (FLOWE). Пилотная программа на площадке будет включать шесть вертикальных турбин на мобильных платформах.
Дабири и его команда будут систематически перемещать турбины, тестируя различные конфигурации, чтобы найти наиболее эффективные модели.
«Наша цель - продемонстрировать новую технологию, которая позволяет нам извлекать значительно больше энергии ветра с данного участка земли, чем это возможно в настоящее время с использованием существующих методов», - говорит Дабири.«Мы хотим воспользоваться преимуществами конструктивной аэродинамической интерференции между близко расположенными ветряными турбинами с вертикальной осью. Наши результаты потенциально могут лучше использовать существующие ветряные электростанции, позволять размещать ветряные электростанции ближе к городским центрам, снижая затраты на передачу электроэнергии и уменьшая размер морских установок."
Три турбины Дабири поставляются в партнерстве с Windspire Energy. В обмен на использование турбин Дабири поделится с компанией результатами своих исследований. Каждая турбина Windspire имеет высоту около 30 футов и ширину 4 фута и может генерировать до 1,2 кВт мощности.
«Этот передовой проект - отличный пример того, как нестандартное мышление может привести к значимым инновациям», - говорит президент и главный исполнительный директор Windspire Energy Уолт Борланд. «Мы очень рады возможности работать с доктором Дабири и Калифорнийским технологическим институтом, чтобы лучше использовать уникальные свойства технологии вертикальной оси при сборе энергии ветра."
Куплены три турбины другого производителя; шесть турбин дают пилотной установке общую мощность 15 кВт, достаточную для питания нескольких домов.
«Этот проект уникален тем, что мы проводим эти эксперименты в реальных условиях, а не на компьютере или в лабораторной аэродинамической трубе», - говорит Дабири. «Мы намеренно сосредоточились на демонстрации в полевых условиях, потому что это может облегчить будущее расширение проекта от фундаментальных научных исследований до энергетического объекта. Наша способность сделать этот переход будет зависеть от результатов пилотной программы».
На начальном этапе исследования будет предпринята попытка продемонстрировать, какая конфигурация блоков улучшит выходную мощность и производительность по сравнению с фермой ветряных турбин с горизонтальной осью на участке земли аналогичного размера.
«В будущем мы надеемся перейти к экспериментам по выработке электроэнергии, в которых генерируемая энергия может использоваться либо локально, либо через подключение к сети», - говорит Дабири.
Американский закон о восстановлении и реинвестировании обеспечил частичное финансирование этого проекта.