- Istraživači iz Lođa testirali su vetroturbinu sa difuzorom i proširenim obodom, koja je u tunelu proizvela do 70-75 odsto više energije od istog rotora bez usmerivača.
- Efekat dolazi od većeg protoka vazduha i nižeg pritiska iza rotora, pa bi koncept mogao da pomogne manjim turbinama u područjima sa slabijim vetrom.
- Dizajn ima i ograničenja: povećava težinu, dimenzije i opterećenja, pa laboratorijski rezultat ne znači isto ponašanje u realnim uslovima.
Vetroelektrane se obično projektuju na osnovu jedne jednostavne ideje: postaviti elise tamo gde je vetar najjači i pustiti rotor da izvuče što je više moguće energije.
Međutim, inženjeri sa Politehničkog univerziteta u Lođu u Poljskoj ispitali su drugačiji pristup. Umesto da rotor ostave nezaštićen, okružili su ga difuzorom specijalnog oblika koji se završava proširenim obodom.
Prema studiji objavljenoj u naučnom časopisu "International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow", vetroturbina sa difuzorom (DAWT) testirana je u aerodinamičkom tunelu i proizvela je i do 70-75 odsto više energije u odnosu na isti rotor bez usmerivača pod identičnim uslovima testiranja.
Ovaj rezultat ne znači da bi prosto dodavanje velikog prstena na bilo koju vetroturbinu automatski donelo tri četvrtine više električne energije.
Eksperiment je obuhvatio mali model u kontrolisanim uslovima aerodinamičkog tunela, ali je pokazao kako pažljivo oblikovan protok vazduha potencijalno može učiniti kompaktne turbine efikasnijim, posebno u područjima sa relativno niskim brzinama vetra.
Ideja iza neobičnog usmerivača
Cilj inženjera bio je da povećaju količinu vazduha koji prolazi kroz radnu zonu turbine. Da bi to postigli, rotor je postavljen unutar difuzora koji je, u suštini, formirao kratak aerodinamički kanal oko elisa.
Kanal se širio ka zadnjem delu i završavao se obodom, odnosno prirubnicom, što je bila ključna karakteristika ovog dizajna. Kako je vazduh prolazio kroz difuzor, stvarala se zona niskog pritiska iza rotora.
Prema studiji objavljenoj u časopisu "Renewable Energy", istraživači su uporedili performanse samog rotora sa performansama istog rotora opremljenog difuzorom sa obodom, mereći faktore kao što su brzina rotacije, obrtni moment i opterećenje elisa.
Eksperimenti su pokazali da je difuzor izmenio protok vazduha koji dopire do rotora i uticao na ponašanje samih elisa.
Ovaj koncept nije bio u potpunosti nov - japanski istraživači su ranije razvili slične dizajne takozvanih "vetrenih sočiva" (wind-lens) kako bi povećali protok vazduha kroz turbinu. Tokom testiranja vetroturbine sa difuzorom snage 3 kW, istraživači su ispitivali ponašanje elisa pri brzini vetra od 6,9 do 11,6 metara u sekundi.
Šta se dogodilo u aerodinamičkom tunelu?
Testiranje je obavljeno u malom podzvučnom aerodinamičkom tunelu na Institutu za turbomašine Politehničkog univerziteta u Lođu. Tokom ispitivanja, rotor je analiziran u konfiguraciji sa usmerivačem i bez njega, a koeficijent snage je prikazan u odnosu na brzinu vrhova elisa.
Povećanje snage pripisano je većem protoku vazduha kroz difuzor, dok su merenja pokazala kako polje pritiska i brzine u blizini proširenog difuzora utiče na celokupan sistem.
Druga istraživanja od tada su ispitivala kako geometrija oboda utiče na ovaj efekat. Studija iz 2017. godine, objavljena u časopisu "Alexandria Engineering Journal", koristila je računarsku dinamiku fluida za istraživanje različitih uglova oboda.
Istraživači su otkrili da vrtlozi koji se formiraju iza oboda mogu stvoriti zonu još nižeg pritiska iza difuzora, što pomaže u usisavanju veće količine vazduha kroz uređaj.
Simulacije su pokazale da promena geometrije oboda direktno menja protok vazduha kroz oblast difuzora i rotora. Nalazi su ukazali na to da prstenasti usmerivač radi mnogo više od proste zaštite rotora - njegov oblik aktivno utiče na okolni vazduh i povećava količinu vetra koja prolazi kroz elise.
Obećavajuća ideja sa praktičnim ograničenjima
Naučni rad istraživao je i primenu ovog koncepta na malim vetroturbinama. U to vreme, na institutu se razvijala vetroturbina sa difuzorom snage 3 kW, namenjena za rad u uslovima niskih brzina vetra. Takva turbina mogla bi biti izuzetno korisna u područjima gde su konvencionalne turbine manje efikasne u izvlačenju energije iz slabog vetra.
Stvaranjem razlike u pritisku oko usmerivača, difuzor uspeva da pojača protok vazduha ka rotoru, pa bi u pravim uslovima čak i mali rotor mogao da generiše značajnu energiju.
Međutim, ovaj dizajn ima i svoje nedostatke. Prstenasti usmerivač značajno povećava težinu turbine, kao i njene ukupne dimenzije. Takođe, zbog svog proširenog oblika trpi veće aerodinamičke sile i opterećenja vetra.
Turbine u realnim uslovima moraju da se nose sa promenljivim smerovima vetra, turbulencijama i strukturnim opterećenjima koja se ne mogu u potpunosti replicirati u laboratorijskim uslovima. Uprkos tome, test je ukazao na zanimljivu priliku: umesto prostog povećanja dimenzija elisa ili brzine rotacije, inženjeri mogu aktivno oblikovati protok vazduha oko samog rotora.
Laboratorijski eksperiment pokazao je da prošireni prstenasti usmerivač može drastično da poveća protok vazduha i unapredi proizvodnju energije.
BONUS VIDEO:
