Чтобы понять, как взаимодействуют турбины, исследователи использовали сложную технологию, называемую стереоскопической велосиметрией частиц.
Микротурбинные системы, оснащенные этой инновационной тандемной конструкцией, могут обеспечивать устойчивое электроснабжение критически важной инфраструктуры. (Изображение)
киошино/Gettyimages
Исследователи обнаружили, что две крошечные ветряные турбины, вращающиеся в противоположных направлениях, работающие совместно, могут генерировать на 37% больше энергии, чем одна турбина.
Это открытие может открыть более эффективные способы обеспечения децентрализованной энергии — от удаленных датчиков окружающей среды до персональных электронных устройств.
В то время как большинство людей ассоциируют ветроэнергетику с возвышающимися турбинами, группа исследователей под руководством Шуо Чжана сосредоточилась на потенциале микроветровых турбин, диаметр которых составляет менее 200 миллиметров.
Эти миниатюрные электростанции имеют решающее значение для мира, который все больше зависит от удаленных технологий: от датчиков окружающей среды, отслеживающих изменение климата в Арктике, до устройств Интернета вещей (IoT), обеспечивающих работу интеллектуального сельского хозяйства.
Однако их небольшой размер традиционно означал более низкую аэродинамическую эффективность и более высокую стоимость за киловатт, что ограничивало их широкое распространение.
Использование скрытого «изюминочного» преимущества
Исследование группой взаимодействия между парами этих небольших турбин дало многообещающие результаты в плане максимизации их возможностей по сбору энергии.
Используя сложную технологию, называемую стереоскопической велосиметрией частиц (метод трехмерного картирования, который использует лазеры и трассирующие частицы для визуализации воздушного потока), команда проанализировала след, создаваемый передней турбиной.
Используя передовые методы визуализации, ученые проанализировали турбулентные потоки воздуха, или следы, создаваемые микроветровой турбиной. Они обнаружили, что этот след все еще содержит значительное количество ротаргии, которая обычно теряется.
Однако, разместив вторую турбину, вращающуюся в противоположном направлении, непосредственно за первой на расстоянии 12 радиусов, эту энергию вращения можно уловить и преобразовать в дополнительную электроэнергию.
«Удивительно, но схема с противоположным вращением неизменно превосходит схему с однонаправленным вращением — даже на коротких дистанциях, где потоки очень турбулентны, а рекуперация энергии затруднена», — сказал Микаэль Перейра, автор исследования.
Ключ к этой повышенной производительности заключается в уникальной физике меньших турбин. Работая на более низких скоростях и с более высоким крутящим моментом, они придают ветру отчетливый «завихритель», который может использовать специально разработанный партнер по течению.
Обеспечение бесперебойного электропитания для критически важной инфраструктуры
Этот прорыв открывает новые перспективы проектирования компактных ветроэнергетических систем.
«Это говорит о том, что, подобно многоступенчатым турбинам в реактивных двигателях, микроветровые турбины могли бы выиграть от индивидуальной конструкции нисходящего потока, используя не только силу напора ветра, но и его завихрение», — заключил Перейра.
Исследователи надеются, что их результаты будут способствовать дальнейшему развитию инноваций в области микромасштабной возобновляемой энергетики, что сделает ее более приемлемым вариантом для широкого спектра применений, не связанных с традиционной электросетью.
Микротурбинные системы, усовершенствованные с помощью этой тандемной конструкции, могут обеспечить надежное электроснабжение критически важной инфраструктуры, автономных сообществ и мобильных приложений, таких как зарядные станции для дронов или полевой робототехники.
«Данное исследование дает экспериментальную основу, которая служит руководством при проектировании оптимизированной системы с точки зрения соотношений окружной скорости роторов и расстояния между ними», — говорится в заключении исследования.
Исследование опубликовано в журнале Journal of Renewable and Sustainable Energy.
Sourse: interestingengineering.com
