Миру требуется всё больше энергии ветра, однако создателям новых ветряных турбин и специалистам, стремящимся повысить отдачу уже работающих установок, приходится сталкиваться с серьёзной проблемой при проверке своих решений. Атмосфера плохо подходит для контролируемого эксперимента. Хотя исследователи применяют аэродинамические трубы, уменьшенные копии турбин в обычных трубах ведут себя совсем не так, как полноразмерные машины в реальных условиях. Ветряные турбины являются самыми крупными вращающимися механизмами из когда-либо созданных человеком, и это затрудняет не только разработку более совершенных установок, но и понимание базовых вопросов, например того, сколько мощности можно ожидать при смене направления ветра.
В новой статье, опубликованной в открытом доступе в журнале PNAS Nexus, учёные сократили разрыв между натурными и лабораторными испытаниями, применив аэродинамическую трубу с высоким давлением, которая воспроизводит физику потоков в атмосфере. Такой подход позволил определить, как ориентация турбины и скорость законцовок лопастей относительно ветра влияют на выработку электроэнергии, что даёт новые представления о способах повышения мощности существующих ветропарков. Кроме того, метод помог проверить вычислительно лёгкую модель, которую инженеры могут использовать для тестирования различных конструкций турбин и стратегий управления ветропарками.
По оценкам исследователей, оптимизация ориентации турбины относительно ветра, углов установки лопастей, задающих угол атаки профиля, и скорости законцовок относительно ветра способна приносить дополнительно десятки тысяч долларов на каждую турбину ежегодно. «Непосредственный эффект этой работы в том, что мы улучшили и проверили модели, которые входят в протоколы управления ветряными турбинами для действующих парков, — говорит Майкл Хауленд, профессор MIT имени Джеффри Чи. — Более масштабный, среднесрочный эффект с гораздо большим потенциалом — это новая экспериментальная парадигма, позволяющая быстро прототипировать, проверять имитационные модели и тестировать гипотезы о лучших конструкциях и стратегиях управления гораздо быстрее, чем это было возможно раньше».
Вместе с Хаулендом над статьёй работали первый автор Джон Курелек, доцент Университета Куинс, аспиранты MIT Илан Упфал и Кирби Хек, постдок Университета Куинс Супун Пьерис, исследователь Университета штата Пенсильвания Александр Пике и профессор Принстонского университета Маркус Халтмарк. Хауленд много лет разрабатывает модели для имитации работы ветропарков и новые методы повышения их выработки. В 2022 году он показал, что учёт спутного следа отдельных турбин при управлении всем ветропарком может значительно увеличить мощность. Но для той работы его команде пришлось сначала провести длительный натурный эксперимент, в ходе которого на несколько месяцев намеренно отклоняли турбины от направления ветра, временно снижая выработку реального ветропарка, чтобы лучше понять их поведение при рассогласовании.
«Ветроэнергетика — уникально сложная область для экспериментального изучения, — отмечает Хауленд. — Мы хотим проверить эффект отдельного изменения изолированно, но ветропарки работают в хаотичной, турбулентной среде, где погода постоянно меняется. Турбины вынуждены реагировать на погодные условия, которые мы не контролируем, и это усложняет выявление влияния изучаемого изменения. Эта сфера находится на уникальном пересечении экологических потоков, механики, аэродинамики и метеорологии». Сложность проведения экспериментов на реальных ветропарках оставляет исследователей и инженеров без ответа на вопрос, как изменения в ориентации ветра и турбины или такие факторы, как скорость законцовок относительно ветра, влияют на выработку. Многие прогнозные модели, которыми пользуются специалисты, построены на допущении, что турбины всегда расположены строго перпендикулярно ветру. На практике это редкость, даже с учётом современных установок, которые постепенно меняют угол в ответ на быстрые изменения направления ветра.
«Люди спорят, какие модели лучше подходят для понимания выработки таких ветропарков, но если не с чем их сравнивать, продвинуть область очень трудно, — говорит Халтмарк. — Эта статья пытается сделать и то, и другое». Лаборатория Халтмарка в Принстоне первой начала изучать уменьшенные турбины в аэродинамических трубах под давлением: как показали предыдущие исследования, повышенное давление делает воздух плотнее, усиливая инерцию в масштабированной лабораторной среде и позволяя лучше воспроизводить поведение крупных турбин в атмосфере. В новой работе использовалась турбина диаметром 15 сантиметров при давлении до 240 атмосфер. «Повышая давление в камере, мы испытываем турбину, которая при прочих равных соответствует диаметру 15–20 метров с возможностью увеличения до 35 метров, — поясняет Курелек. — Это потому, что мы увеличиваем плотность в 100–220 раз».
Курелек передал Хауленду размеры аэродинамической трубы и турбины, и тот рассчитал аэродинамику, силы и выработку с помощью новой унифицированной модели ветряной турбины, основанной на предыдущей работе, где была разработана более общая аэродинамическая теория. Новая модель позволяет имитировать работу турбины в разных условиях без эмпирических поправок, которые исторически применялись в моделях ветроэнергетики. Затем в течение нескольких недель в трубе провели серию экспериментов, проверяя работу турбины при разной ориентации относительно ветра и разных стратегиях управления, чтобы изолировать влияние каждого фактора. Выяснилось, что выработку можно значительно увеличить, корректируя скорость законцовок в зависимости от угла рассогласования с ветром — стратегия управления, которая сегодня редко применяется на ветропарках, но может повысить эффективность при минимальных дополнительных затратах. «Главный результат экспериментов наглядно показал, что новых максимумов мощности можно достичь, когда турбина отклоняется от направления ветра, только за счёт изменения скорости законцовок», — говорит Курелек.
Исследование подтвердило модель Хауленда, которая достаточно быстра, чтобы инженеры по всему миру могли запускать её на обычных ноутбуках при проектировании и эксплуатации турбин. «Нам действительно важно понять: если турбины всегда работают с некоторой степенью рассогласования с ветром, как управлять ими для достижения максимально возможной выработки? — объясняет Хауленд. — Наша унифицированная модель импульса несколько лет назад позволила предсказать, как осуществлять такое управление, и теперь мы впервые смогли экспериментально её подтвердить». По его словам, проверка моделей — лишь часть потенциального эффекта работы. «Это исследование также показывает огромную возможность проводить такие высокопроизводительные контролируемые эксперименты в установках под давлением, с которыми работают Маркус и Джон, позволяя получать правильную физику быстро и с низкими затратами, — говорит Хауленд. — Сейчас существует огромный разрыв между идеализированными теоретическими и имитационными моделями и полномасштабными испытаниями в крайне сложных полевых условиях. Ничто не заполняет этот разрыв, кроме экспериментов под давлением. Надеюсь, это откроет путь к исследованию множества нерешённых вопросов ветроэнергетики в контролируемых условиях». Работа частично поддержана Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады, Национальным научным фондом и альянсом MIT-GE Vernova.