Daugiau nei 100 metų vėjo turbinų menčių projektavimas rėmėsi klasikinėmis aerodinamikos formulėmis, sukurtomis dar XIX amžiuje. Nors jos tapo pramonės standartu, realiomis sąlygomis jų tikslumas seniai kėlė klausimų, o neatitikimai buvo dengiami empiriniais pataisos koeficientais.
MIT mokslininkai paskelbė sukūrę fizika paremtą modelį, kuris tiksliau aprašo oro srauto elgseną aplink rotorių. Tyrėjai teigia, kad naujasis metodas išsprendžia seniai žinomą problemą: klasikinė teorija kai kuriose darbinėse būsenose prognozuoja net neteisingą jėgų kitimo kryptį.
Kur lūžta senoji teorija
Klasikinė impulso teorija istoriškai buvo vienas svarbiausių įrankių aiškinant, kiek energijos galima „paimti“ iš vėjo. Remiantis ja, 1920 metais buvo apskaičiuota vadinamoji Betzo riba, pagal kurią maksimaliai išgaunama vėjo kinetinės energijos dalis siekia 59,3 proc.
Tačiau praktikoje paaiškėjo, kad teorija ypač prastai veikia ten, kur turbinoms svarbiausia, t. y. artėjant prie optimalaus darbo taško, kai siekiama didžiausios galios. Dar viena silpna vieta yra situacijos, kai vėjas pučia ne idealiai tiesiai į turbiną, o tai vėjo parkuose yra kasdienybė.
„Tai ne tik netikslu skaičiais, kai kuriais atvejais tai net kokybiškai neteisinga“, – sakė MIT tyrėjas Michaelas Howlandas.
Naujas modelis ir ką jis keičia
MIT komanda naująjį modelį grindė skysčių dinamikos principais ir detaliomis skaitmeninėmis oro srauto simuliacijomis. Viena esminių išvadų susijusi su slėgio elgsena už rotoriaus: klasikinėse prielaidose laikyta, kad slėgis gana greitai grįžta į aplinkos lygį, tačiau didesnės traukos režimuose tai tampa netikslu.
Tyrėjai taip pat integravo trimates keliamojoje jėgoje naudojamas priklausomybes, kurios leidžia geriau aprašyti rotoriaus darbą, kai jis nėra idealiai nukreiptas į vėją. Tokia situacija svarbi ne tik pavienėms turbinoms, bet ir vėjo parkų valdymui, kai siekiama mažinti „šešėliavimo“ efektą ir nuostolius dėl sūkurių.
Betzo riba gali būti kiek aukštesnė
Vienas labiausiai dėmesį patraukiančių rezultato aspektų yra tai, kad naujasis modelis Betzo ribą pakelia nežymiai į viršų. Pokytis, pasak autorių, siekia kelis procentus, tačiau inžinerijoje net ir toks skirtumas gali reikšti didelį potencialą, kai kalbama apie parkų našumo optimizavimą ir valdymo algoritmus.
„Įdomu, kad atsiradus naujai teorijai, šimtmetį buvusi taisyklė iš esmės turi būti pakoreguota, ir tai iškart praktiškai pritaikoma“, – sakė Michaelas Howlandas.
Mokslininkai pabrėžia, kad didžiausia artimiausio laikotarpio nauda gali būti pasiekta be naujos techninės įrangos. Kadangi tai matematinis modelis, jį galima integruoti į esamas turbinų valdymo sistemas ir realiu laiku optimizuoti menčių posvyrį, rotoriaus greitį ar pasukimą į vėją.
Tyrimo rezultatai publikuoti Nature Communications, o tolesnis etapas, pasak komandos, yra platesnė verifikacija su realių turbinų matavimais. Jei lauko bandymai patvirtins prognozes, naujasis modelis gali tapti nauju atskaitos tašku vėjo energetikos projektavime ir valdyme, taip pat pritaikomas propeleriams ar vandens srovės turbinoms.
