Как работает ветряная турбина? С новой технологией GE EcoROTR лучше, чем когда бы то ни было
Но самый высокий и самый странный ветряк стоит в долине. Его высота от основания до венца лопасти составляет 450 футов, или 137,16 метров, - это почти половина высоты Эйфелевой башни - а к его ротору привинчен огромный вращающийся алюминиевый купол. «Выглядит так, как будто летающую тарелку поставили набок», — говорит Майк Боуман, руководитель проектов по энергоэффективности возобновляемых источников подразделения GE Global Research. — «Но, возможно, наш купол — будущее ветроэнергетики».
В GE новый экспериментальный дизайн называют EcoROTR (оптимизация получения энергии за счет изменения формы турбины), его испытания начались в сентябре 2015 года. Их цель - подтвердить результаты, полученные во время испытаний в аэродинамической трубе. Если эксперимент удастся, этот десятитонный купол станет основной для создания более эффективных турбин большего размера для регионов с сильными ветрами. На сегодняшний день эти районы сложно осваивать в промышленном масштабе. «Насколько мне известно, в мире нет ничего подобного, — продолжает Майк Боуман. — Это может принципиально изменить правила игры».
Данный проект — часть глобальной инициативы Ecomagination, реализуемой GE на протяжении последних десяти лет. Её главная задача - создание высокоэффективного промышленного оборудования, оказывающего минимальное воздействие на окружающую среду. В частности, новая конструкция решает две проблемы, характерные для ветряных турбин: во-первых, неэффективное использование силы воздушных потоков, т. е. низкий уровень использования потенциала оборудования. Во-вторых, громоздкие размеры и огромный вес мачт и лопастей, которые затрудняют транспортировку ветряков в удаленные районы с более благоприятной ветровой обстановкой.
Пенополистирол и зубочистки
История проекта началась в 2013 году с обычной зубочистки и шарика из пенополистирола. Тогда Марк Литтл, руководитель подразделения GE Global Research, поставил перед своей командой непростую задачу - спроектировать ротор, способный увеличить объемы генерации энергии из ветра. «Он потребовал от нас нестандартных решений, — вспоминает Майк Боуман. — Нельзя было просто удлинить лопасти. Они уже и так слишком длинные, и это осложняет их транспортировку».
Ответом команды стало предложение установить на турбине плоскую носовую часть большого диаметра. «С виду это было весьма странное сооружение, но это, безусловно, имело смысл, — рассказывает Майк Боуман. — Когда ветер бьет в центр ветряной турбины, в место крепления лопастей, сила ветра пропадает зря. Так происходит потому, что лопасти — это, по сути, рычаги и при одинаковой силе ветра гораздо большее усилие возникает на удалении от ступицы».
Команда Боумана предположила, что, если отразить неиспользованный ветер от ступицы, венцы лопастей смогут с пользой освоить его силу. Щит в носовой части также позволит построить ротор большего размера без необходимости удлинения лопастей, т. к. лопасти будут крепиться к периметру щита.
Специалисты решили проверить эту гипотезу, проведя эксперимент в аэродинамической трубе в одной из лабораторий GE. Разрезав пополам шарик из пенополистирола, инженеры с помощью клея и зубочистки прикрепили одну из его половинок в носовой части уменьшенной модели ветряной турбины. Затем рабочая группа в составе опытных инженеров по динамическому моделированию потока, материаловедов, программистов и других специалистов провела множество опытов с потоками воздуха и дыма в аэродинамической трубе.
«Обработав полученные данные, мы выявили увеличение производительности до 3 процентов, — рассказывает Майк Боуман. — Это немного, но потенциал такого эффекта значителен, если пересчитать экономию на всю ветроэлектростанцию с десятками ветряков».
От уменьшенной модели к 300-футовой башне
Следующим шагом стало проектирование действующей десятифутовой (трехметровой) турбины, которая была отправлена в Штутгартский университет Германии для более серьезных испытаний. Группа подготовила несколько различных вариантов проекта и провела измерения производительности, нагрузки и других характеристик. Эти испытания дали ключ к пониманию того, как должно выглядеть и работать конечное изделие.
На основе полученных результатов специалисты в США продолжили тестирование полноразмерной установки EcoROTR, которая сегодня работает в Тэхачапи.
Экспериментальный купол диаметром 60 футов (18,288 метра) был установлен на ветряной турбине мощностью 1,7 МВт, одной из самых мощных в линейке GE. Затем весь блок был помещен на мачту высотой 300 футов (91,44 метра). Купол и мачта являются прототипом. Вместо традиционных стальных труб в проекте использована пространственная конструкция металлических решетчатых ферм, обтянутых полиэфирным полотном. Элементы рамы могут быть погружены в транспортные контейнеры на стандартные тягачи и доставлены в ранее труднодоступные районы для сборки на месте с помощью болтовых креплений.
Вид сверху
Майк Боуман, мускулистый поджарый мужчина, выглядит как стайер супермарафона, способный пробежать полсотни километров по диким горам Адирондак штата Нью-Йорк, и этой жизненной силой и энергией пронизаны все его проекты. Поднявшись по 300-футовой (91,44 метра) лестнице на верхушку ветряка, он обследует купол и проверяет целостность огромных серебряных «заплаток»-треугольников, покрывающих сотни датчиков, которые измеряют все параметры системы: от крутящего момента до напряжений материала. Датчики установлены повсюду: от основания мачты на уровне земли до вала турбины. Специалисты команды Боумана регулярно и тщательнейшим образом изучают все данные, проверяя надлежащий ход испытаний и выявляя необходимость внесения поправок.
«Это революция в ветроэнергетике», — говорит Боуман. — «Чувствую, что EcoROTR и пространственная конструкция мачты нашли друг друга».
Фотографии и GIF-анимация предоставлены Крисом Нью/GE Reports