MIT از مدل جدید توربین بادی برای بهبود قدرت در شرایط سخت پرده برداشت
برای بیش از یک قرن، پروانه‌ها و توربین‌های بادی با استفاده از اصول آیرودینامیکی ثابت طراحی شده‌اند. اما این اصول محدودیت‌هایی دارند، به خصوص در شرایط شدید.
مهندسان MIT نظریه جدیدی به نام مدل مومنتوم متحد توسعه داده‌اند. این نظریه بر پایه تحلیل تئوریکی و مدل‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی برای اثبات دقت و اطمینان آن بنا شده است.
این مدل به دقت دینامیک آیرودینامیکی روتورها را حتی در شرایط شدید مانند نیروهای بالا، سرعت یا زوایای تیغه نمایان می‌کند.
مایکل هاولند، که رهبری این مطالعه را بر عهده داشت، گفت: «این یک مدل مهندسی است که برای ابزارهای سریع اجرا شونده جهت نمونه‌سازی سریع، کنترل و بهینه‌سازی توسعه داده شده است. هدف از مدل‌سازی ما، قرار دادن زمینه تحقیقات انرژی بادی در موقعیتی است که بتواند به طور تهاجمی در توسعه ظرفیت بادی و اطمینان مورد نیاز برای پاسخ به تغییرات اقلیمی عمل کند.»
این مدل جدید می‌تواند چیدمان و بهره‌برداری مزارع بادی را بهینه کرده و به افزایش تولید توان و کاهش هزینه‌ها منجر شود.
یکی از جنبه‌های هیجان‌انگیز این مدل جدید، پتانسیل کاربرد فوری آن است. این بدین معناست که مزارع بادی می‌توانند تنظیمات توربین‌های موجود را به صورت لحظه‌ای بهینه کنند بدون نیاز به به‌روزرسانی سخت‌افزاری. این می‌تواند به حداکثرسازی تولید توان و در عین حال اطمینان از ایمنی کمک کند.
مدل جدید بر محدودیت‌های قبلی غلبه می‌کند
مدل قبلی، معروف به نظریه مومنتوم، در قرن نوزدهم توسعه داده شده و به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، دارای محدودیت‌هایی در مواجهه با نیروها و سرعت‌های بالاتر است.
مدل جدید این محدودیت‌ها را با ترکیب مدل‌سازی آیرودینامیکی محاسباتی جامع حل می‌کند.
بیانیه مطبوعاتی به برخی از محدودیت‌های این مدل قدیمی اشاره دارد. به عنوان مثال، مدل اصلی فرض کرده بود که افت فشار هوا بلافاصله پشت روتور به سرعت به فشار معمولی محیطی بازمی‌گردد، اما با افزایش نیروی پیشرانه تولید شده توسط روتور، این فرضیه به طور فزاینده‌ای نادرست می‌شود.
پژوهشگران دریافتند که مدل اصلی در حد بتز، که یک «حداکثر کارایی تئوریکی» برای توربین‌های بادی است، نادرست می‌شود. این حد نشان می‌دهد که هیچ توربینی نمی‌تواند بیش از ۵۹.۳ درصد از انرژی جنبشی باد را بگیرد.
مایکل هاولند افزود: «بنابراین، ما پیش‌بینی بتز را داریم که باید توربین‌ها را در جایی اجرایی کنیم، و در ۱۰ درصد آن نقطه اجرایی که فکر می‌کنیم حداکثر تولید توان را دارد، این نظریه کاملاً فرو می‌ریزد و کار نمی‌کند.»
آزمایش‌های میدانی در حال انجام است
علاوه بر این، تیم MIT راه جدیدی برای غلبه بر محدودیت‌های مدل اصلی که بر اساس توصیف ساده‌سازی شده یک‌بعدی از جریان هوا بود، ابداع کرده است.
بیانیه مطبوعاتی اشاره کرد: «برای این کار، از معادلات بنیادی استفاده کردند که برای پیش‌بینی بالابر بال‌های سه‌بعدی برای کاربردهای هوافضا توسعه داده شده بودند.»
جالب است که این مدل جدید محاسبه حد بتز را تغییر داده و نشان می‌دهد که توربین‌های بادی می‌توانند کمی بیشتر از توان قبلی فرض شده تولید کنند.
هاولند افزود: «جالب است که اکنون نظریه جدیدی داریم و حد بتزی که برای صد سال قوانینی به همراه داشت، به دلیل این نظریه جدید تغییر کرده و این مفید است.»
این مدل جدید استراتژی‌های استخراج حداکثر توان از توربین‌ها را که از هم‌راستایی بهینه با جریان هوا منحرف شده‌اند، روشن می‌کند — سناریویی که حد بتز از آن غافل است.
تیم تحقیقاتی آزمایش‌های میدانی با استفاده از تونل‌های باد را آغاز کرده‌اند.
یافته‌های این پژوهش در مجله Nature Communications منتشر شده است.
