Исследовательская группа из Школы инженерии, вычислительной техники и математики (ECM) Оксфордского университета Брукс во главе с профессором Яковосом Цанакисом провела углубленное исследование, используя более 11 500 часов компьютерного моделирования, чтобы показать, что ветряные электростанции могут работать более эффективно, заменяя традиционные ветряные турбины с горизонтальной осью пропеллера (HAWTs), для компактных ветряных турбин с вертикальной осью (VAWTs).

Вертикальные турбины более эффективны, чем традиционные ветряные мельницы

Исследование впервые демонстрирует в реалистичном масштабе потенциал крупномасштабных VAWT для того, чтобы превзойти существующие ветряные электростанции HAWT.

VAWT вращаются вокруг оси, вертикальной к земле, и они демонстрируют поведение, противоположное хорошо известной конструкции пропеллера (HAWTs). Исследование показало, что VAWT повышают производительность друг друга, когда расположены в виде сетки. Расположение ветряных турбин для максимизации производительности имеет решающее значение при проектировании ветроэлектростанций.

Профессор Цанакис комментирует: "Это исследование свидетельствует о том, что будущее ветряных электростанций должно быть вертикальным. Турбины ветроэлектростанций с вертикальной осью могут быть сконструированы таким образом, чтобы располагаться гораздо ближе друг к другу, повышая их эффективность и в конечном итоге снижая цены на электроэнергию. В долгосрочной перспективе VAWTs может помочь ускорить экологический переход наших энергетических систем, чтобы больше чистой и устойчивой энергии поступало из возобновляемых источников".

Поскольку ожидается, что к 2030 году мощность ветроэнергетики в Великобритании почти удвоится, полученные результаты являются шагом на пути к проектированию более эффективных ветряных электростанций, пониманию крупномасштабных методов сбора энергии ветра и, в конечном счете, совершенствованию технологии возобновляемых источников энергии для более быстрой замены ископаемого топлива в качестве источников энергии.

Экономически эффективный способ достижения целей в области ветроэнергетики

Согласно отчету о глобальном ветре за 2021 год, в течение следующего десятилетия миру необходимо в три раза быстрее устанавливать ветроэнергетику, чтобы достичь нулевых целевых показателей и избежать наихудших последствий изменения климата.

Ведущий автор доклада и выпускник бакалавриата инженерных наук Йоахим Тофтегаард Хансен прокомментировал: "Современные ветряные электростанции являются одним из наиболее эффективных способов получения экологически чистой энергии, однако у них есть один серьезный недостаток: когда ветер приближается к переднему ряду турбин, турбулентность будет создаваться ниже по течению. Турбулентность отрицательно сказывается на производительности последующих рядов.

"Другими словами, передний ряд преобразует около половины кинетической энергии ветра в электричество, в то время как для заднего ряда это число снижается до 25-30%. Каждая турбина стоит более 2 миллионов фунтов стерлингов/ МВт. Как инженеру, мне, естественно, пришло в голову, что должен быть более экономичный способ".

Это исследование является первым, в котором всесторонне проанализированы многие аспекты работы ветряных турбин, касающиеся угла установки, направления вращения, расстояния между турбинами и количества роторов. Это также первое исследование, направленное на выяснение того, справедливы ли улучшения производительности для трех турбин VAWT, установленных последовательно.

Доктор Махак, соавтор статьи и старший преподаватель ECM, комментирует: "Важность использования вычислительных методов для понимания физики потока нельзя недооценивать. Такого рода исследования по проектированию и усовершенствованию обходятся в небольшую часть затрат по сравнению с огромными экспериментальными установками. Это особенно важно на начальном этапе проектирования и чрезвычайно полезно для отраслей промышленности, стремящихся достичь максимальной проектной эффективности и выходной мощности".