Инновационные «бипланные» лопасти могут стать основой следующего поколения ветрогенераторов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2019

UCLA Samueli Newsroom

Новая форма может позволить сделать лопасти более легкими, большими и эффективными

Бипланы – самолеты с двумя крыльями, расположенными одно над другим, – сегодня можно увидеть в основном в музеях авиации, в фильмах о Первой мировой войне и на черно-белых фотографиях. Но благодаря инновационному решению, разработанному инженерами Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), эта двукрылая конструкция вскоре может быть использована для создания ветряных турбин, способных собирать энергию более эффективно.

В современных гигантских ветряных турбинах обычно используются три лопасти, каждая из которых может иметь длину футбольного поля и весить как Boeing 737. Предложенная UCLA новая конструкция имеет лопасти, разделенные надвое рядом с ротором, но сходящиеся в одну лопасть примерно на полпути к внешнему концу каждой лопасти.

В чем же преимущество? Такая форма увеличивает конструктивную прочность этих чудовищных деталей, что может позволить создать лопасти, которые будут примерно на 45% легче, чем обычные монопланные лопасти такой же длины, сделанные из таких же материалов. Исследование эффективности конструкции было опубликовано в журнале Renewable Energy.

«В целом, это может изменить наш подход к проектированию больших ветряных турбин и еще больше повысить привлекательность экологичной ветроэнергетики, позволяющей нам отказаться от ископаемого топлива», – сказал Ричард Вирц (Richard Wirz), профессор механического и аэрокосмического машиностроения школы инженерии Генри Сэмуели в UCLA.

Профессор Ричард Вирц.

Идея бипланных лопастей ветряной турбины родилась у Вирца еще в 2008 году, когда он поступил на факультет UCLA, и с тех пор он работает над этой идеей в своей лаборатории энергетических инноваций. Новая конструкция была отмечена патентом США в 2017 году.

Вместе с двумя бывшими аспирантами UCLA, Филипом Чиу (Phillip Chiu) и Перри Рот-Джонсоном (Perry Roth-Johnson), Вирц создал компьютерную модель конструкции, которая продемонстрировала ее аэродинамические преимущества по сравнению с обычными лопастями. Они также построили 3-футовую секцию новой лопасти и проверили ее в аэродинамической трубе, чтобы подтвердить результаты моделирования.

Кроме того, исследования показали, что конструкция может захватывать немного больше энергии, чем вариант с одиночными лопастями такой же длины. Лопасти современных ветряных турбин настолько огромны – часто более 100 метров в длину и весом свыше 60 тонн, – потому что для того, чтобы быть эффективными, они должны собирать как можно больше энергии ветра.

Но по мере того, как лопасти турбины становились больше, увеличивались и затраты на их изготовление и транспортировку, а также стоимость строительства турбинных башен и их фундаментов.

Основная идея бипланной схемы состоит в том, чтобы уменьшить массу лопастей и, следовательно, нагрузку на всю конструкцию турбины, – сказал Вирц. – Концептуально это похоже на то, почему мы используем двутавровый профиль балки для стальных каркасов больших зданий: это идеальная форма, выдерживающая тяжелые нагрузки».

Для изготовления более легких лопастей потребовалось бы меньше материалов, что могло бы снизить стоимость производства ветряных турбин. Это также может позволить производителям строить более высокие ветряные турбины, эффективность которых тем больше, чем выше они подняты над уровнем земли.

По словам Вирца, такие усовершенствования, как новая конструкция лопасти, могут сделать ветроэнергетику более дешевой и увеличить ее долю в общем объеме возобновляемых источников энергии во всем мире. По данным Управления энергетической информации США, в 2018 году с помощью ветра было получено 272 тераватт-часа, или менее 7% энергии, вырабатываемой на объектах сетевой электроэнергетики Соединенных Штатов.

«Следующим шагом будет изготовление прототипа лопасти и демонстрация того, что можно сделать, заменив лопасти на существующей турбине, – сказал Вирц. – После успешной демонстрации производители получат детальный план-концепцию для разработки следующего поколения более легких и больших лопастей».