Исследователи EPFL использовали алгоритм генетического обучения для определения оптимальных профилей наклона лопастей вертикально-осевых ветряных турбин, которые, несмотря на свой высокий энергетический потенциал, до сих пор были уязвимы перед сильными порывами ветра. Если вы представляете себе промышленную ветряную турбину, то, скорее всего, представляете себе конструкцию ветряной мельницы, технически известную как горизонтально-осевая ветряная турбина (HAWT). Но самые первые ветряные турбины, разработанные на Ближнем Востоке примерно в VIII веке для помола зерна, были вертикально-осевыми (VAWT), то есть вращались не параллельно, а перпендикулярно ветру. Благодаря более низкой скорости вращения, VAWT менее шумны, чем HAWT, и обеспечивают большую плотность энергии ветра, что означает, что им требуется меньше места для получения одинаковой мощности как на берегу, так и за его пределами. Лопасти также более дружелюбны к диким животным: поскольку они вращаются вбок, а не срезаются сверху вниз, птицам легче их избежать. Учитывая эти преимущества, почему VAWT в значительной степени отсутствуют на современном рынке ветроэнергетики? Как объясняет Себастьян Ле Фуэст, научный сотрудник лаборатории диагностики нестационарных потоков Инженерной школы, все сводится к инженерной проблеме — управлению воздушным потоком, — которую, по его мнению, можно решить с помощью сочетания сенсорных технологий и машинного обучения. В работе, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, Ле Фуэст и руководитель UNFOLD Карен Мюлленерс описывают два оптимальных профиля шага для лопастей VAWT, которые позволяют увеличить эффективность турбины на 200% и снизить уровень вибраций, угрожающих конструкции, на 77%.
Превращение ахиллесовой пяты в преимуществоЛе Фуэст объясняет, что, хотя установленная мощность ветроэнергетики в Европе растет на 19 гигаватт в год, эта цифра должна быть ближе к 30 ГВт, чтобы достичь поставленных ООН целей по выбросам углекислого газа к 2050 году.
Несмотря на все свои преимущества, VAWT имеют серьезный недостаток: они хорошо работают только при умеренном, непрерывном потоке воздуха. Вертикальная ось вращения означает, что лопасти постоянно меняют ориентацию по отношению к ветру. Сильный порыв увеличивает угол между воздушным потоком и лопастью, образуя вихрь, который называется динамическим срывом. Эти вихри создают переходные структурные нагрузки, которые лопасти не выдерживают. Чтобы решить проблему недостаточной устойчивости к порывам, исследователи установили датчики на вал приводной лопасти, чтобы измерить действующие на нее воздушные силы. Качая лопасть вперед-назад под разными углами, с разной скоростью и амплитудой, они создали серию «профилей угла наклона». Затем с помощью компьютера запустили генетический алгоритм, который выполнил более 3500 экспериментальных итераций. Подобно эволюционному процессу, алгоритм отбирал наиболее эффективные и надежные профили шага и комбинировал их признаки для создания новых и улучшенных „потомков“. Такой подход позволил исследователям не только определить две серии профилей шага, которые способствуют значительному повышению эффективности и надежности турбины, но и превратить самую слабую сторону VAWT в сильную.
Статья в Nature Communications представляет собой докторскую работу Ле Фуэста в лаборатории UNFOLD. Теперь он получил грант Швейцарского национального научного фонда (SNSF) BRIDGE на создание пробного образца VAWT. Цель — установить его на открытом воздухе, чтобы можно было проверить, как он реагирует в реальном времени на реальные условия.
Иллюстрация: © UNFOLD EPFL CC BY SA 03.04.2024 |
Энергия
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент | |
Не зря авиакомпании не разрешают сда... |
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии | |
Если вы являетесь Независимым системным о... |
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины | |
Исследователи EPFL использовали алгоритм генет... |
ChemM: Открыты новые материалы для безопасных и высокопроизводительных батарей | |
Полностью твердотельные литий-ионные батареи с... |
Chem: Имплантируемые батареи могут работать на собственном кислороде организма | |
Имплантируемые медицинские устройства &md... |
Новый реактор сэкономит миллионы при производстве пластиков и резины из газа | |
Новый способ получения важного ингредиента для... |
Рост эффективности бифункциональных катализаторов удешевит производства водорода | |
Ученые преодолели ограничения долговечности би... |
P2P обмен энергией между домохозяйствами снижает зависимость от поставщиков | |
Наши энергетические системы быстро изменяются.... |
Ученые исследуют поглощение и потерю водорода из катодов Li-Ion аккумуляторов | |
Литий-ионные аккумуляторы являются одной из&nb... |
Ученые впервые увидели, как молекулы воды ведут себя у металлического электрода | |
Совместная группа экспериментальных и выч... |
Созданы стратегии ограничения саморазряда суперконденсаторов на основе углерода | |
Эффективное хранение чистой энергии &mdas... |
Ученые предложили собирать воду из воздуха с помощью солнечной энергии | |
В настоящее время более 2,2 миллиарда человек ... |
EMD: Ученые изготовили эффективные органические катоды для цинк-ионных батарей | |
Цинк — дешевый, распространенный, э... |
ТПУ: Высокоэнтропийные сплавы позволят создать мембраны для очистки водорода | |
Ученые Томского политеха создали систему матем... |
Nature Physics: Открыта новая система управления хаотическим поведением света | |
Использование света и управление им ... |
Открыт потенциально более дешевый и холодный способ транспортировки водорода | |
В рамках усилий по отказу от ископае... |
Разработан новый метод создания стабильных и эффективных солнечных элементов | |
Солнечные материалы нового поколения дешевле и... |
Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы | |
Согласно результатам нового исследования, пров... |
Новый катализатор может обеспечить жидкое водородное топливо будущего | |
Исследователи из Лундского университета, ... |
Перовскитовые ячейки — новое решение для повышения эффективности солнечных панелей | |
Солнечные элементы на основе перовскита, ... |
Новая анионообменная мембрана станет ключевым компонентом топливных элементов | |
Анионообменные мембранные топливные элементы п... |
Применение шарового размола улучшит характеристики литий-ионных аккумуляторов | |
Более дешевые и эффективные литий-ионные ... |
Кремний может стать альтернативой графитовым анодам в литий-ионных аккумуляторах | |
В новаторском обзоре, опубликованном в жу... |
Joule: Ученые успешно испытали тандем перовскита и кремния в солнечных батареях | |
Несмотря на то, что традиционные сол... |
Ученые разработали электролизное устройство для превращения CO2 в пропан | |
В недавно опубликованной в журнале Nature... |
E&ES: Новый электролит предотвращает возгорание и тепловой выброс в аккумуляторах | |
Йонг-Джин Ким и Джайеон Бэк из&... |
Исследователи разработали метод охлаждения водородной плазмы в термоядерных реакторах | |
Возможно, люди никогда не смогут приручит... |
Ученые нашли способ очистки воды с помощью солнечной энергии | |
Использование электрохимии для разделения... |
Батареи на основе алюминия могут стать прорывом в развитии электромобилей | |
Хорошая батарея должна обладать двумя качества... |
Появилась теоретическая возможность отказа от лития в пользу натрия в батареях | |
Литий становится новым золотом: стремительное ... |