Спостереження за вітряками в сніжну погоду проливає світло на їх неефективність

Спостереження за вітряками в сніжну погоду проливає світло на їх неефективність

Поки вітрова енергетика набирає обертів у всьому світі, прискіпливі інженери звернули увагу на цікаву проблему: лопаті турбіни вітрового генератора при обертанні створюють збурювання в повітрі, що може зменшити кількість виробленої енергії.

Така турбулентність може скоротити потужність вітропарку від 10 до 20 відсотків. Але оцінити проблему в деталях було важко. Певною мірою допомагали комп'ютерне моделювання та аеродинамічні труби, але зрозуміти феномен в промислових масштабах було складно, оскільки зміни, які відбуваються в структурі повітря протягом хвилини, залишались невидимими для неозброєного ока.

Дослідники з Міннесотського університету придумали нове рішення: щоб побачити, як лопаті вітряних турбін впливають на оточуючі повітряні маси, вони вирішили подивитись на їх роботу під час хуртовини.

Вітрова енергетика — відносно малочислене джерело енергії, яке нараховує всього 2,5 відсотка виробництва електроенергії в світі. Але цифри швидко ростуть. За даними міжнародної торгової групи Global Wind Energy Council, потужність світового вітроенергетичного комплексу зросла більш ніж на 60 відсотків за останні п'ять років, і як очікується, подвоїться до 2018 року.

Вирішення проблеми турбулентності може полегшити ріст вітроенергетичної промисловості, підвищити її ефективність та подовжити термін служби кожної турбіни.

Провідним автором нового дослідження став доцент Міннесотського університету Джіаронг Хонг, чия команда спостерігала за прогнозами погоди, чекаючи на нічну завірюху, під час якої вони могли б підсвітити сніжинки навколо турбіни шкільної вітроенергетичної дослідницької станції.

На початку своєї роботи Хонг, інженер-механік, отримав натхнення спостерігаючи за звичайним снігом: «Коли ви дивитесь на сніжинки навколо вуличних ліхтарів, вони яскраво показують, яким чином можна зафіксувати рух снігу та використати ці дані для відстеження повітряних течій».

Раз за разом сім чоловік його команди їздили до польової станції, встановлювали все своє обладнання, а сніг все ніяк не йшов. Інколи вони витримували по десять годин роботи на ділянці при мінусових температурах, аби усунути несправності в роботі цього обладнання.

Експеримент відбувся близько 2 години ночі одного сніжного ранку в лютому минулого року поблизу вітрової турбіни потужністю 2,5 мегават. Хонг і його команда змогли, нарешті, зібрати дані, які показали, як поводить себе повітря навколо працюючої турбіни, що дало нові відповіді на питання про те, як працює турбулентність. Наприклад, виявилось, що повітряні збурення, які до цього фіксували інші дослідники, насправді розташовані ближче до лопатей турбіни, ніж було описано в попередніх дослідженнях.

Проведення таких вимірювань має вирішальне значення як для оптимізації роботи окремих турбін, так і для максимізації ефективності турбінних комплексів. За словами Хонга, «нестаціонарні потоки» повітря — мініатюрні вихори, які відбиваються від лопатей турбін — можуть впливати на інші турбіни, розташовані нижче за течією, зменшуючи кількість енергії, яку можуть виробляти ці турбіни.

До того ж, нестабільне повітря перевантажує турбіну, скорочуючи термін її служби. «Якщо ви знаєте про ці нестаціонарні потоки, — розповідає Хонг, — ви зможете зменшити цей вплив».

Раніше дослідники вимірювали повітряні потоки вітрових турбін, поміщаючи моделі турбін в аеродинамічні труби, потім засіваючи повітря дрібними «трасуючими» частинками (наприклад, краплями оливкової олії або порошком оксиду алюмінію) та відстежуючи їх хід імпульсними лазерами. Цей метод відомий під абревіатурою PIV (particle image velocimetry) — вимірювання швидкості руху частинок за їх зображенням.

Але такі експерименти мають набагато менші масштаби, ніж у комерційній реальності. Більшість промислових турбін, які мають висоту понад 90 метрів, ніяк не вписати в аеродинамічну трубу, до того ж немає хорошого способу штучно засіяти повітря трасуючими частинками в більшому просторі.

Також для вимірювання впливу лопатей турбін на повітря використовувались методи дистанційного зондування (наприклад, лідари), але «ці методи насправді не дають той рівень даних, який можна отримати в лабораторії з використанням PIV», — розповідає Хонг.

Роберт Банта з Національного управління океанічних і атмосферних досліджень, який вивчав турбулентність вітряків за допомогою лідарів, назвав нове дослідження «дуже розумним методом». Єдиний недолік, на який він звернув увагу, це те, що, працюючи в дуже специфічних умовах завірюхи, «часто турбулентність в цих умовах не дуже сильна». Але, за його словами, «той факт, що ви можете отримати деякі кількісні дані в атмосфері, дійсно цінний».

За словами Банта, його дослідження з лідарами охоплювало збурення турбін в діапазоні від 30 метрів, в той час як команда Хонга зуміла зробити більш детальний огляд атмосферних вихорів, які утворюються на близькій дистанції до вітрових турбін. «Нам було важко підібратись настільки близько до турбіни, — розповідає Банта. — Таким чином, два методи доповнюють один одного».

На думку Хонга, зарано говорити про те, яким чином результати його дослідження можна буде застосувати при проектуванні вітропарків. Його команда повернеться до польової роботи наступної зими, щоб підвищити точність і діапазон вимірювань. Він сподівається, що його метод буде корисним в широкому спектрі досліджень, не обмежуючись проектуванням вітропарків — можливо, в дослідженнях динаміки основних течій в приземному шарі атмосфери. «Це лише перший крок», — підсумовує Хонг.

X

Вхід

Завантажую...