Lopatice propelera i vetroturbina su dizajnirane na osnovu aerodinamičkih principa koji su prvi put matematički opisani pre više od jednog veka. Ali inženjeri su odavno shvatili da ove formule ne funkcionišu u svakoj situaciji. Da bi kompenzovali, dodali su ad hoc „korekcione faktore“ na osnovu empirijskih zapažanja.
Sada, po prvi put, inženjeri sa MIT-a su razvili sveobuhvatan model zasnovan na fizici koji tačno predstavlja protok vazduha oko rotora čak i u ekstremnim uslovima, kao što su kada lopatice rade pri velikim silama i brzinama, ili su pod uglom u određenim pravcima . Model bi mogao da poboljša način na koji su sami rotori dizajnirani, ali i način na koji su vetroelektrane postavljene i funkcionišu.
Nova otkrića su opisana u časopisu Nature Communications, u radu sa otvorenim pristupom postdoktora MIT-a Jaime Liev-a, doktoranta Kirbija Heka i Majkla Haulanda, Ester i Harolda E. Edgertona docenta za građevinarstvo i inženjerstvo zaštite životne sredine.
„Razvili smo novu teoriju za aerodinamiku rotora“, kaže Hauland. Ova teorija se može koristiti za određivanje sila, brzina strujanja i snage rotora, bilo da taj rotor izvlači energiju iz strujanja vazduha, kao u turbini na vetar, ili primenjuje energiju na protok, kao u propeleru broda ili aviona. „Teorija funkcioniše u oba smera“, dodaje on.
Pošto je novo razumevanje fundamentalni matematički model, neke od njegovih implikacija bi se potencijalno mogle primeniti odmah. Na primer, operateri vetroelektrana moraju stalno da prilagođavaju različite parametre, uključujući orijentaciju svake turbine, kao i njenu brzinu rotacije i ugao njenih lopatica, kako bi maksimizirali izlaznu snagu uz održavanje bezbednosnih margina. Novi model može da obezbedi jednostavan, brz način optimizacije ovih faktora u realnom vremenu.
„Ovo je ono zbog čega smo toliko uzbuđeni, a to je da ima neposredan i direktan potencijal za uticaj u celom lancu vrednosti energije vetra“, kaže Haulend.
Poznat kao teorija momenta, prethodni model interakcije rotora sa svojim fluidnim okruženjem – vazduhom, vodom ili na neki drugi način – prvobitno je razvijen krajem 19. veka. Sa ovom teorijom, inženjeri mogu da počnu sa datim dizajnom i konfiguracijom rotora i odrede maksimalnu količinu snage koja se može izvesti iz tog rotora — ili, obrnuto, ako je to propeler, kolika je snaga potrebna za generisanje date količine pogonska sila.
Jednačine teorije momenta „prva su stvar o kojoj biste pročitali u udžbeniku za energiju vetra i prva su stvar o kojoj govorim na svojim časovima kada predajem o energiji vetra“, kaže Haulend. Iz te teorije, fizičar Albert Betz je 1920. godine izračunao maksimalnu količinu energije koja bi se teoretski mogla izvući iz vetra. Poznata kao Becova granica, ova količina iznosi 59,3% kinetičke energije nadolazećeg vetra.
Ali samo nekoliko godina kasnije, drugi su otkrili da se teorija zamaha pokvarila „na prilično dramatičan način“ pri većim silama koje odgovaraju većim brzinama rotacije sečiva ili različitim uglovima sečiva, kaže Hauland. Ne uspeva da predvidi ne samo količinu, već čak ni smer promene sile potiska pri većim brzinama rotacije ili različitim uglovima sečiva: dok teorija kaže da sila treba da počne da se spušta iznad određene brzine rotacije ili ugla lopatice, eksperimenti pokazuju suprotno —da sila nastavlja da raste. „Dakle, nije samo kvantitativno pogrešno, već je i kvalitativno pogrešno“, kaže Hauland.
Teorija se takođe kvari kada dođe do bilo kakvog neusklađenosti između rotora i protoka vazduha, za koji Haulend kaže da je „sveprisutno“ na vetroparkovima, gde se turbine stalno prilagođavaju promenama smera vetra. U stvari, u ranijem radu iz 2022. godine, Haulend i njegov tim su otkrili da namerno neusklađenost nekih turbina blago u odnosu na dolazni tok vazduha u vetroparku značajno poboljšava ukupnu izlaznu snagu vetroparka smanjujući smetnje u buđenju nizvodnih turbina.
U prošlosti, prilikom projektovanja profila lopatica rotora, rasporeda vetroturbina na farmi ili svakodnevnog rada vetroturbina, inženjeri su se oslanjali na ad hoc prilagođavanja dodata originalnim matematičkim formulama, zasnovana na nekim ispitivanja u aerotunelu i iskustvo sa radom vetroelektrana, ali bez teorijske osnove.
Umesto toga, da bi došao do novog modela, tim je analizirao interakciju protoka vazduha i turbina koristeći detaljno računarsko modeliranje aerodinamike. Otkrili su, na primer, da je originalni model pretpostavljao da će se pad vazdušnog pritiska neposredno iza rotora brzo vratiti na normalni ambijentalni pritisak samo kratko nizvodno. Ali ispostavilo se, kaže Haulend, da kako sila potiska stalno raste, „ta je pretpostavka sve netačnija“.
A nepreciznost se javlja veoma blizu tačke Betzove granice koja teoretski predviđa maksimalne performanse turbine — i stoga je samo željeni režim rada za turbine. „Dakle, imamo Betzovo predviđanje o tome gde treba da koristimo turbine, i unutar 10 odsto te operativne zadate tačke za koju mislimo da maksimizira snagu, teorija se potpuno pogoršava i ne funkcioniše“, kaže Hauland.
Kroz svoje modeliranje, istraživači su takođe pronašli način da kompenzuju oslanjanje originalne formule na jednodimenzionalno modeliranje koje je pretpostavljalo da je rotor uvek precizno poravnat sa protokom vazduha. Da bi to uradili, koristili su osnovne jednačine koje su razvijene za predviđanje podizanja trodimenzionalnih krila za primene u vazduhoplovstvu.
Istraživači su izveli svoj novi model, koji nazivaju modelom objedinjenog momenta, na osnovu teorijske analize, a zatim ga potvrdili korišćenjem računarskog modeliranja dinamike fluida. U nastavku rada koji još nije objavljen, oni vrše dalju validaciju pomoću aerotunela i testova na terenu.
Jedan zanimljiv rezultat nove formule je da menja izračunavanje Betz granice, pokazujući da je moguće izvući malo više snage nego što je prvobitna formula predvidela. Iako to nije značajna promena — reda veličine nekoliko procenata — „zanimljivo je da sada imamo novu teoriju, a Becova granica koja je bila pravilo već sto godina je zapravo modifikovana zbog nove teorije“, Haulend kaže. „I to je odmah korisno.“
Novi model pokazuje kako da se maksimizira snaga iz turbina koje nisu usklađene sa protokom vazduha, za šta Betz granica ne može da uzme u obzir.
Aspekti koji se odnose na kontrolu i pojedinačnih turbina i niza turbina mogu se implementirati bez potrebe za bilo kakvim modifikacijama postojećeg hardvera koji postoji u vetroparkovima. U stvari, ovo se već dogodilo, na osnovu ranijeg rada Haulanda i njegovih saradnika pre dve godine koji se bavio interakcijama u buđenju između turbina u vetroparku, a bio je zasnovan na postojećim empirijski zasnovanim formulama.
„Ovaj napredak je prirodan nastavak našeg dosadašnjeg rada na optimizaciji vetroparkova komunalnih razmera“, kaže on, jer su u toj analizi videli nedostatke postojećih metoda za analizu sila na delu i predviđanje snage koju proizvode vetroturbine. . „Postojeće modeliranje koje koristi empirizam jednostavno nije obavljalo posao“, kaže on.
U vetroparku, pojedinačne turbine će potrošiti deo energije dostupne susednim turbinama, zbog efekata buđenja. Precizno modeliranje buđenja je važno kako za projektovanje rasporeda turbina u vetroparku, tako i za rad te farme, određujući od trenutka do trenutka kako da se podese uglovi i brzine svake turbine u nizu.
Do sada, kaže Hauland, čak ni operateri vetroelektrana, proizvođači i dizajneri lopatica turbina nisu imali načina da predvide koliko će na izlaznu snagu turbine uticati data promena, kao što je njen ugao prema vetru. bez upotrebe empirijskih korekcija.
„To je zato što nije postojala teorija za to. Dakle, to je ono na čemu smo radili ovde. Naša teorija može direktno da vam kaže, bez ikakvih empirijskih korekcija, po prvi put, kako zapravo treba da upravljate turbinom na vetar da biste maksimizirali njenu snagu“, kaže on.
Pošto su režimi protoka fluida slični, model se takođe primenjuje na propelere, bilo za avione ili brodove, kao i na hidrokinetičke turbine kao što su plimne ili rečne turbine. Iako se u ovom istraživanju nisu fokusirali na taj aspekt, „to je prirodno u teorijskom modeliranju“, kaže on.
Nova teorija postoji u obliku skupa matematičkih formula koje korisnik može da ugradi u svoj softver, ili kao softverski paket otvorenog koda koji se može besplatno preuzeti sa GitHub-a.
„To je inženjerski model razvijen za alate koji se brzo koriste za brzu izradu prototipa i kontrolu i optimizaciju“, kaže Hauland. „Cilj našeg modeliranja je da pozicioniramo polje istraživanja energije vetra da se kreće agresivnije u razvoju kapaciteta vetra i pouzdanosti neophodnih za odgovor na klimatske promene.“
