Принцип получения энергии ветрогенератором на первый взгляд кажется простым: ветер вращает турбину, она вырабатывает электричество. Поток воздуха преимущественно движется параллельно земной поверхности, поэтому логичным конструкторским решением стало сооружение ветроустановок, использующих подъемную силу ветра. Башни с тремя лопастями стали визитной карточкой ветроэнергетики и привычным элементом ландшафта в более чем 90 странах мира, сделавших ставку на развитие ВИЭ. Модели с горизонтальным осевым вращением составляют около 95% всех ВЭУ, подключенных к сетям энергосистем. Однако научная мысль не стоит на месте, и ставший стереотипом ветряк может уйти в прошлое.
Традиционные винтовые ветротурбины в будущем могут быть заменены ветроэлектростанциями с более компактными и эффективными вертикальными турбинами. Новое исследование Оксфордского университета Брукса показало, что конструкция вертикальной турбины намного более эффективна, чем традиционные турбины в ветропарках, а при парной установке они увеличивают производительность друг друга до 15%.
Исследовательская группа из Школы инженерии, вычислений и математики (ECM) в университете Оксфорд-Брукс под руководством профессора Яковоса Цанакиса провела углубленное исследование с использованием более 11 500 часов компьютерного моделирования, чтобы показать, что ветряные фермы могут работать более эффективно при замене традиционных пропеллерных турбин с горизонтальной осью вращения (HAWT) на компактные роторы с вертикальной осью (VAWT).
Вертикальные турбины эффективнее горизонтальных
Исследование впервые демонстрирует в реалистичном масштабе потенциал крупномасштабных VAWT по сравнению с нынешними турбинами ветряных электростанций HAWT.
VAWT вращаются вокруг оси, вертикально к земле, и они демонстрируют движение, противоположное хорошо известной конструкции пропеллера (HAWT). Исследование показало, что VAWT повышают эффективность друг друга, если расположены в виде сетки. Расположение ветряных турбин для максимальной отдачи имеет решающее значение при проектировании ветряных электростанций. Стандартные ветряные турбины с лопастями должны быть расположены на значительном расстоянии друг от друга, чтобы аэродинамическая нагрузка распределялась равномерно. Такие трехлопастные ветрогенераторы не способны легко адаптироваться к изменениям направления ветра и возникновению турбулентных потоков.
Профессор Цанакис комментирует: «Это исследование доказывает, что будущее ветряных электростанций должно перейти в другую плоскость. Ветровые электростанции с вертикальной осью могут быть спроектированы таким образом, чтобы они были намного ближе друг к другу, что повысит их эффективность и, в конечном итоге, снизит цены на электроэнергию. В долгосрочной перспективе это ускорит переход энергетических систем к «зеленому» будущему, чтобы получать больше чистой и устойчивой энергии из возобновляемых источников».
С учетом того, что к 2030 году мощность ветроэнергетики в Великобритании увеличится почти вдвое, полученные данные являются ступенькой к проектированию более эффективных ветровых электростанций, пониманию крупномасштабных методов улавливания энергии ветра и, в конечном итоге, к совершенствованию технологии использования возобновляемых источников энергии для более быстрой замены ископаемого топлива в качестве энергоресурса.
Экономичный способ достижения целей по декарбонизации
Чтобы достичь чистых нулевых целей и избежать наихудших последствий изменения климата, мир должен развивать ветроэнергетику в три раза быстрее в следующем десятилетии.
Ведущий автор отчета и выпускник бакалавриата технических наук Йоахим Тофтегаард Хансен прокомментировал: «Современные ветряные электростанции являются одним из наиболее эффективных способов получения зеленой энергии, однако у них есть один серьезный недостаток: когда ветер приближается к переднему ряду турбин, возникает турбулентность, что отрицательно сказывается на производительности последующих рядов. Другими словами, передний ряд преобразует около половины кинетической энергии ветра в электричество, тогда как для заднего ряда это число снижается до 25-30%. Мне, как инженеру, пришло в голову, что должен быть более экономичный способ».
Это первое исследование, в котором всесторонне проанализированы многие аспекты характеристик ветряных турбин, включая угол установки, направление вращения, расстояние между турбинами и количество роторов. Это также первое исследование, в котором выясняется, сохраняются ли улучшения производительности для трех турбин VAWT, установленных вместе.
Доктор Махак, соавтор статьи и старший преподаватель ECM, комментирует: «Нельзя недооценивать важность использования вычислительных методов для понимания физики ветрового потока. Это особенно важно на начальном этапе проектирования экспериментальных испытательных установок и чрезвычайно полезно для отраслей, стремящихся достичь максимальной проектной эффективности и выходной мощности».
Ветер Туманного Альбиона
Великобритания намерена к 2030 году обеспечить весь жилой сектор в стране за счет ВЭС. Премьер-министр Борис Джонсон сообщил об инвестициях в размере 95 миллионов фунтов стерлингов (132,5 миллиона долларов США или 110,8 миллиона евро) в новые морские ветропарки. Комплексный проект в Хамберсайде и Тиссайде глава британского правительства назвал «зеленой промышленной революцией».
75 миллионов фунтов стерлингов будет выделено из бюджета в виде государственного финансирования для хаба Able Marine Energy Park на берегу реки Хамбер (приливный эстуарий на восточном побережье Северной Англии) и 20 миллионов – для морского производственного центра Teesworks на реке Тис.
«Во время промышленной революции более 200 лет назад ветер дул в паруса судов из Хамбера и Тиссайда, торгующих товарами по всему миру, – сказал г-н Джонсон. – Теперь Humber and Teesside запустят нашу зеленую промышленную революцию, построив новое поколение морских ветряных турбин и одновременно создадут 6000 новых рабочих мест».
