NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины

Исследователи EPFL использовали алгоритм генетического обучения для определения оптимальных профилей наклона лопастей вертикально-осевых ветряных турбин, которые, несмотря на свой высокий энергетический потенциал, до сих пор были уязвимы перед сильными порывами ветра.

Если вы представляете себе промышленную ветряную турбину, то, скорее всего, представляете себе конструкцию ветряной мельницы, технически известную как горизонтально-осевая ветряная турбина (HAWT). Но самые первые ветряные турбины, разработанные на Ближнем Востоке примерно в VIII веке для помола зерна, были вертикально-осевыми (VAWT), то есть вращались не параллельно, а перпендикулярно ветру.

Благодаря более низкой скорости вращения, VAWT менее шумны, чем HAWT, и обеспечивают большую плотность энергии ветра, что означает, что им требуется меньше места для получения одинаковой мощности как на берегу, так и за его пределами. Лопасти также более дружелюбны к диким животным: поскольку они вращаются вбок, а не срезаются сверху вниз, птицам легче их избежать.

Учитывая эти преимущества, почему VAWT в значительной степени отсутствуют на современном рынке ветроэнергетики? Как объясняет Себастьян Ле Фуэст, научный сотрудник лаборатории диагностики нестационарных потоков Инженерной школы, все сводится к инженерной проблеме — управлению воздушным потоком, — которую, по его мнению, можно решить с помощью сочетания сенсорных технологий и машинного обучения. В работе, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, Ле Фуэст и руководитель UNFOLD Карен Мюлленерс описывают два оптимальных профиля шага для лопастей VAWT, которые позволяют увеличить эффективность турбины на 200% и снизить уровень вибраций, угрожающих конструкции, на 77%.

Насколько нам известно, наше исследование представляет собой первое экспериментальное применение алгоритма генетического обучения для определения оптимального угла наклона лопастей VAWT, — говорит Ле Фуэст.

Превращение ахиллесовой пяты в преимущество

Ле Фуэст объясняет, что, хотя установленная мощность ветроэнергетики в Европе растет на 19 гигаватт в год, эта цифра должна быть ближе к 30 ГВт, чтобы достичь поставленных ООН целей по выбросам углекислого газа к 2050 году.

Препятствия на пути к достижению этой цели не финансовые, а социальные и законодательные — общественность очень плохо воспринимает ветряные турбины из-за их размеров и шума, — говорит он.

Несмотря на все свои преимущества, VAWT имеют серьезный недостаток: они хорошо работают только при умеренном, непрерывном потоке воздуха. Вертикальная ось вращения означает, что лопасти постоянно меняют ориентацию по отношению к ветру. Сильный порыв увеличивает угол между воздушным потоком и лопастью, образуя вихрь, который называется динамическим срывом. Эти вихри создают переходные структурные нагрузки, которые лопасти не выдерживают.

Чтобы решить проблему недостаточной устойчивости к порывам, исследователи установили датчики на вал приводной лопасти, чтобы измерить действующие на нее воздушные силы. Качая лопасть вперед-назад под разными углами, с разной скоростью и амплитудой, они создали серию «профилей угла наклона». Затем с помощью компьютера запустили генетический алгоритм, который выполнил более 3500 экспериментальных итераций. Подобно эволюционному процессу, алгоритм отбирал наиболее эффективные и надежные профили шага и комбинировал их признаки для создания новых и улучшенных „потомков“.

Такой подход позволил исследователям не только определить две серии профилей шага, которые способствуют значительному повышению эффективности и надежности турбины, но и превратить самую слабую сторону VAWT в сильную.

Динамический срыв — то же явление, которое разрушает ветряные турбины, — в меньших масштабах может фактически продвигать лопасть вперед. Здесь мы действительно используем динамический срыв в своих интересах, перенаправляя угол наклона лопастей вперед для получения энергии, — объясняет Ле Фуэст.

В большинстве ветряных турбин сила, создаваемая лопастями, направлена под углом вверх, что не способствует вращению. Изменение этого угла не только формирует меньший вихрь, но и одновременно отталкивает его в нужное время, что приводит к появлению второй области производства энергии на ветру.

Статья в Nature Communications представляет собой докторскую работу Ле Фуэста в лаборатории UNFOLD. Теперь он получил грант Швейцарского национального научного фонда (SNSF) BRIDGE на создание пробного образца VAWT. Цель — установить его на открытом воздухе, чтобы можно было проверить, как он реагирует в реальном времени на реальные условия.

Мы надеемся, что этот метод управления воздушным потоком позволит довести эффективную и надежную технологию VAWT до зрелости, чтобы ее можно было наконец сделать коммерчески доступной, — говорит Ле Фуэст.

Иллюстрация: © UNFOLD EPFL CC BY SA

03.04.2024