Группа исследователей под эгидой Калифорнийского университета в Боулдере для создания ветряных турбин, способных выдерживать сильные ураганные ветры, взяла за основу своей разработки природные пальмы. Об этом сообщает интернет-издание Interesting Engineering (IE). Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Технологии ветроэнергетики в последние годы развиваются особо активно. Современные морские ветряные турбины могут возвышаться на высоту более 150 метров над поверхностью, а их вращающиеся лопасти производят до 8 мегаватт электроэнергии с каждой установки.
Но по мере того, как производство возобновляемой энергии перемещается в прибрежные (оффшорные) морские акватории, эта инфраструктура сталкивается с другим набором серьезных проблем. В США морские платформы у восточного побережья находятся под угрозой из-за все более сильных ураганов в Атлантическом океане. Так, на период с июня по ноябрь 2022 года прогнозируется до шести ураганов со скоростью ветра 178 км/ч или выше.
Чтобы сделать оффшорные ветровые турбины более устойчивыми к ураганам, группа исследователей из Калифорнийского университета в Боулдере совместно с сотрудниками из университетов Вирджинии и Техаса, Школы горного дела Колорадо и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработала SUMR (сегментированный сверхлегкий морфинг-ротор) – экспериментальную турбину с двухлопастным винтом. Исследователи представили результаты и данных за четыре года испытаний их демонстрационной установки мощностью 53,38 киловатт (SUMR-D).
Ученые отметили, что в своей разработке они брали пример с природы, совершенствуя конструкцию турбины. «Мы были очень вдохновлены пальмами, которые способны выжить в ураганных условиях», – сказала руководитель научной команды Люси Пао, заведующая кафедрой электротехники, вычислительной техники и энергетики Калифорнийского университета в Боулдере и научный сотрудник Института возобновляемых и устойчивых источников энергии.
Традиционные ветряные турбины обращены к набегающему ветру и их лопасти делаются достаточно жесткими, а потому – относительно толстыми и массивными. На подветренных роторах лопасти турбины, напротив, на обращены в сторону от опорной башни, поэтому риск их удара о башню при усилении ветра меньше. Будучи менее жесткими, они могут сгибаться при сильном ветре, как пальмы, а не ломаться. Это означает, что такие лопасти могут быть легче и гибче, что требует меньше материала и соответственно удешевляет производство.
Исследователи обнаружили, что их экспериментальная турбина стабильно и эффективно работала в периоды пиковых порывов ветра. Но помимо этого, одной из самых сложных проблем ветроэнергетики является необходимость работы турбины как с недостаточным, так и со слишком сильным ветром. При слабом ветре турбина не может производить полезное количество энергии, а чрезмерно сильные ветра заставляют турбину отключаться, чтобы избежать перегрузки по допустимой мощности.
Научная группа Пао смогла усовершенствовать ключевой элемент – контроллеры турбины, которые определяют, когда именно следует более активно вырабатывать энергию либо отключаться.
Контроллер рыскания следит за тем, чтобы турбина была обращена в правильном направлении, контроллер шага лопастей определяет направление лопастей (в зависимости от скорости ветра), а контроллер крутящего момента генератора решает, какую мощность от турбины передать в сеть. Хотя он управляет физическими компонентами турбины, эти контроллеры, по сути, представляют собой программный алгоритм, который сообщает двигателям, что делать.
В ходе обширных экспериментальных испытаний исследователи обнаружили, что пиковые скорости генератора были ниже порога контроллера, чтобы поддерживать работу турбины. В отдельном сотрудничестве Пао и ее исследовательская группа работали с Ольденбургским университетом в Германии, чтобы оценить полезность датчиков, которые сканируют пространство перед турбиной, чтобы измерить дующий ветер и позволить турбине реагировать упреждающе.
Алгоритмы управления, которые разработали исследователи группы Пао, могут быть в равной степени применимы и к традиционным трехлопастным ветряным турбинам, которые до сих пор доминируют как на наземных, так и на морских установках. «Преимущество конфигурации с подветренной стороны проявляется, когда вы получаете турбины экстремального размера, а они в первую очередь предназначены для оффшорной ветроэнергетики», – отметила Пао.