Прорыв в математике поможет ветряным турбинам производить больше энергии. Новая формула может не только изменить будущую конструкцию лопастей ротора и ветряных электростанций, но и оптимизировать существующие системы.
Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) переформулировала теорию аэродинамики ротора. Формула дает возможность точно рассчитать мощность ротора, скорость воздушного потока и действующие силы. Новую «Единую модель импульса» (Unified Momentum Model) также можно использовать в экстремальных условиях, например, когда ветряные турбины работают на высоких скоростях.
Благодаря новому программному обеспечению с открытым исходным кодом, разработанному исследователями, операторы ветряных электростанций могут немедленно оптимизировать свою систему. ПО позволяет точно рассчитать, как необходимо отрегулировать ветряные турбины для оптимальной эксплуатации парка.
Оптимизация возможна с эксплуатируемым оборудованием, а математические формулы могут быть интегрированы в существующее программное обеспечение.
Чтобы разработать свою теорию, исследователям пришлось подвергнуть сомнению ранее действующие модели. Они датируются 19 веком и описывают эффективность роторов. Согласно «Закону Беца», сформулированному в 1920 году, максимальный КПД ветряной турбины составляет 59,26%. Причина этого в том, что воздух замедляется ветряными турбинами и проходит неиспользованным.
Однако, как только роторы начнут двигаться очень быстро или изменится их угол, этот закон уже нельзя будет применять. Если ветряная турбина была выровнена неправильно, эффективность фактически должна снизиться. На ветряных электростанциях преднамеренное смещение обеспечивает общее производство большего количества энергии, поскольку воздушный поток может лучше распределяться по ветряным турбинам.
Поэтому конструкция новых лопастей ротора до сих пор опиралась на испытания в аэродинамических трубах и опыт ветряных электростанций. Однако это не базировалось на теоретической основе; скорее, оригинальные математические формулы адаптировались от случая к случаю на основе тестов.
Для новой теории исследователи использовали компьютерные модели для анализа взаимодействия между воздушным потоком и ротором. Это не только позволило им обновить существующие формулы, но и учесть, что ветряные турбины не всегда идеально совпадают с направлением воздушного потока. Это нормально для ветряных электростанций, где невозможно реагировать на каждое изменение направления ветра.
Новая теория также показывает, что предел Беца может быть превышен на несколько процентных пунктов. Это не серьезное изменение в практике, но новая теория влияет на правило, действующее уже более 100 лет, говорится в заявлении исследователей.
Теоретически новая теория может быть применена ко всем типам роторов, а не только к ветряным турбинам. Применение формулы также могло бы улучшить судовые и авиационные винты и гидроэлектростанции. Исследователи не специализируются на данной сфере, но формулы охватывают и это направление.
Для дальнейшего подтверждения своей теории исследователи теперь планируют проверить ее с помощью испытаний в аэродинамической трубе. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.