Инженеры MIT разработали комплексную модель, основанную на физике, которая точно отображает поток воздуха вокруг роторов даже в экстремальных условиях, например, когда лопасти работают с высокими силами и скоростями или наклонены в определенных направлениях.
Эта модель могла бы улучшить конструкцию роторов, а также компоновку и работу ветряных электростанций. Оно было описано в журнале Nature Communications в статье в открытом доступе, написанной Хайме Лью, научным сотрудником Массачусетского технологического института, Кирби Хеком, докторантом, и Майклом Хоулендом, доцентом кафедры гражданского и экологического строительства.
В настоящее время лопасти проектируются на основе аэродинамических принципов, которые впервые были математически описаны более века назад, и они работают не во всех ситуациях, поэтому на основе эмпирических наблюдений были добавлены поправочные коэффициенты.
«Мы разработали новую теорию аэродинамики ротора», — объясняет Хоуленд. Эту теорию можно использовать для определения сил, скорости потока и мощности ротора независимо от того, извлекает ли ротор энергию из воздушного потока, как в ветряной турбине, или передает энергию потоку, как в пропеллере лодки или самолета. Теория работает в обе стороны», — объясняет он.
Чтобы прийти к новой модели, команда проанализировала взаимодействие воздушного потока и турбин, используя детальное компьютерное моделирование аэродинамики.
Они обнаружили, что, например, исходная модель предполагала, что падение давления воздуха сразу за ротором быстро вернется к нормальному давлению окружающей среды всего на небольшом расстоянии ниже по потоку. Но оказывается, объясняет Хауленд, что по мере того, как сила тяги продолжает увеличиваться, это предположение становится все более неточным.
До сих пор, объясняет Хауленд, даже операторы ветряных электростанций, производители лопастей и конструкторы ветряных турбин не имели возможности предсказать, насколько на выходную мощность ветряной турбины повлияет данное изменение, например, ее угол относительно ветра, не прибегая к эмпирическим поправкам. . «Это потому, что не было никакой теории. Вот над чем мы здесь работаем. Наша теория впервые может сказать вам напрямую, без каких-либо эмпирических корректировок, как на самом деле следует управлять ветряной турбиной, чтобы максимизировать ее мощность. »
Исследователи разработали свою новую модель, которую они называют единой моделью импульса, на основе теоретического анализа, а затем проверили ее с помощью компьютерного моделирования гидродинамики. В ходе еще не опубликованной последующей работы они проводят дальнейшую проверку с использованием аэродинамической трубы и полевых испытаний.
Поскольку режимы потока жидкости аналогичны, модель также применима к гребным винтам самолетов или кораблей, а также к гидрокинетическим турбинам, таким как приливные или речные турбины.
Новая теория существует в виде набора математических формул, которые пользователь может интегрировать в свое собственное программное обеспечение, или в виде пакета программного обеспечения с открытым исходным кодом, который можно бесплатно загрузить с GitHub.
Работу поддержали Национальный научный фонд и Siemens Gamesa Renewable Energy.
В более ранней статье, опубликованной в 2022 году, Хоуленд и его команда обнаружили, что преднамеренное небольшое смещение некоторых турбин с потоком воздуха, поступающим в ветряную электростанцию, значительно улучшает общую выходную мощность ветряной электростанции за счет уменьшения помех, возникающих вслед за турбинами, расположенными ниже по потоку.
