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