Ученые из Римского университета Ла Сапиенца совместно с французской инжиниринговой компанией Aircrafted разработали и экспериментально протестировали новую конструкцию вертикальной ветряной турбины. Этот ротор получил название RoDaVi, сокращение от Rotor da Vinci, поскольку его форма напоминает воздушный винт Леонардо да Винчи, который считается прототипом современного вертолета. В отличие от традиционных установок, новая турбина изначально задумывалась как гибридная аэродинамическая конструкция: она использует подъемную силу, характерную для пропеллерных ветряных систем, и силу сопротивления, характерную для конструкций Пелтона. Этот гибрид особенно хорошо подходит для городских условий и районов со сложным рельефом, где ветер нестабилен, часто меняет направление и редко достигает скорости, оптимальной для больших горизонтальных турбин.
Традиционные конструкции вертикальных ветряных турбин исторически развивались в двух направлениях, каждое из которых имело свои ограничения. Турбины Савониуса отличаются высокой надёжностью и могут запускаться даже при слабом ветре, но у них низкий КПД, что приводит к значительным потерям энергии потока. Турбины Дарье, напротив, могут работать с более высоким КПД, но у них плохие характеристики самозапуска, и они требуют более сильного ветра. С самого начала концепция RoDaVi была направлена на то, чтобы объединить эти преимущества: обеспечить надежный запуск при низкой скорости ветра и повысить эффективность в рабочем диапазоне без усложнения конструкции дополнительными роторами или вспомогательными системами.
Чтобы проверить эту концепцию, исследователи построили масштабную модель турбины и провели серию испытаний в аэродинамической трубе. Экспериментальная программа была разработана таким образом, чтобы оценить не только конечные энергетические показатели, но и физические причины их колебаний. С одной стороны, учёные измеряли механическую и электрическую мощность, крутящий момент и скорость вращения ротора. С другой стороны, они использовали метод визуализации потока частиц (PIV), современный метод оптической визуализации потока, чтобы зафиксировать поле скоростей воздуха вблизи вращающейся турбины и проанализировать структуру её следа. Такой подход позволил им установить прямую связь между аэродинамическими характеристиками турбины и её энергоэффективностью.
Результаты эксперимента показали, что ключевым параметром для RoDaVi является угол наклона оси вращения относительно набегающего потока. Турбина демонстрирует наилучшие показатели в диапазоне наклона от 30°C до 40°C. В этих условиях коэффициент мощности (основной показатель эффективности ветряной турбины) достигает значения около 0,34, что примерно на 25 % выше, чем у эталонной турбины Savonius, испытанной в тех же условиях. Кроме того, его полезный рабочий диапазон оказался значительно шире: RoDaVi сохраняет эффективность при скорости вращения, почти в 2,5 раза превышающей ту, что характерна для классических роторов Пелтона. Примечательно, что начальная скорость ветра для новой конструкции на 20 % ниже, что делает её более подходящей для реальных условий эксплуатации, когда скорость ветра большую часть времени остаётся близкой к минимальным рабочим значениям.
Анализ воздушного потока за турбиной показал, как достигается этот эффект. При оптимальном наклоне оси RoDaVi не только отклоняет поток, но и более эффективно улавливает его импульс, преобразуя его во вращение ротора и сокращая количество энергии, теряемой из-за бесполезных вихрей и турбулентности. В результате новая геометрия работает как единый трёхмерный аэродинамический объект, а не как набор отдельных лопастей или сегментов.
Исследователи считают, что новые турбины могут дать мощный толчок развитию малой и распределённой ветроэнергетики, где стабильность работы и способность адаптироваться к сложным ветровым условиям зачастую важнее рекордных показателей мощности, которые достижимы только в идеальных условиях.
Источник: Ассоциация «Глобальная энергия»