Eksperiment poljskih inženjera pokazao je da postavljanje aerodinamičkog difuzora sa proširenim obodom oko rotora može drastično promijeniti strujanje vazduha i izvući maksimum struje čak i pri slabom vjetru.
Vjetroelektrane se obično projektuju na osnovu jedne jednostavne ideje: postaviti elise tamo gdje je vjetar najjači i pustiti rotor da izvuče što je više moguće energije.
Međutim, inženjeri sa Politehničkog univerziteta u Lođu u Poljskoj ispitali su drugačiji pristup. Umjesto da rotor ostave nezaštićen, okružili su ga difuzorom specijalnog oblika koji se završava proširenim obodom.
Prema studiji objavljenoj u naučnom časopisu "International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow", vjetroturbina sa difuzorom (DAWT) testirana je u aerodinamičkom tunelu i proizvela je i do 70-75 odsto više energije u odnosu na isti rotor bez usmjerivača pod identičnim uslovima testiranja.
Ovaj rezultat ne znači da bi prosto dodavanje velikog prstena na bilo koju vjetroturbinu automatski donijelo tri četvrtine više električne energije.
Eksperiment je obuhvatio mali model u kontrolisanim uslovima aerodinamičkog tunela, ali je pokazao kako pažljivo oblikovan protok vazduha potencijalno može učiniti kompaktne turbine efikasnijim, posebno u područjima sa relativno niskim brzinama vjetra.
Ideja iza neobičnog usmjerivača
Cilj inženjera bio je da povećaju količinu vazduha koji prolazi kroz radnu zonu turbine. Da bi to postigli, rotor je postavljen unutar difuzora koji je, u suštini, formirao kratak aerodinamički kanal oko elisa.
Kanal se širio ka zadnjem dijelu i završavao se obodom, odnosno prirubnicom, što je bila ključna karakteristika ovog dizajna. Kako je vazduh prolazio kroz difuzor, stvarala se zona niskog pritiska iza rotora.
Prema studiji objavljenoj u časopisu "Renewable Energy", istraživači su uporedili performanse samog rotora sa performansama istog rotora opremljenog difuzorom sa obodom, mjereći faktore kao što su brzina rotacije, obrtni moment i opterećenje elisa.
Eksperimenti su pokazali da je difuzor izmijenio protok vazduha koji dopire do rotora i uticao na ponašanje samih elisa.
Ovaj koncept nije bio u potpunosti nov - japanski istraživači su ranije razvili slične dizajne takozvanih "vjetrenih sočiva" (wind-lens) kako bi povećali protok vazduha kroz turbinu. Tokom testiranja vjetroturbine sa difuzorom snage 3 kW, istraživači su ispitivali ponašanje elisa pri brzini vjetra od 6,9 do 11,6 metara u sekundi.
Šta se dogodilo u aerodinamičkom tunelu?
Testiranje je obavljeno u malom podzvučnom aerodinamičkom tunelu na Institutu za turbomašine Politehničkog univerziteta u Lođu. Tokom ispitivanja, rotor je analiziran u konfiguraciji sa usmjerivačem i bez njega, a koeficijent snage je prikazan u odnosu na brzinu vrhova elisa.
Povećanje snage pripisano je većem protoku vazduha kroz difuzor, dok su mjerenja pokazala kako polje pritiska i brzine u blizini proširenog difuzora utiče na cjelokupan sistem.
Druga istraživanja od tada su ispitivala kako geometrija oboda utiče na ovaj efekat. Studija iz 2017. godine, objavljena u časopisu "Alexandria Engineering Journal", koristila je računarsku dinamiku fluida za istraživanje različitih uglova oboda.
Istraživači su otkrili da vrtlozi koji se formiraju iza oboda mogu stvoriti zonu još nižeg pritiska iza difuzora, što pomaže u usisavanju veće količine vazduha kroz uređaj.
Simulacije su pokazale da promjena geometrije oboda direktno mijenja protok vazduha kroz oblast difuzora i rotora. Nalazi su ukazali na to da prstenasti usmjerivač radi mnogo više od proste zaštite rotora - njegov oblik aktivno utiče na okolni vazduh i povećava količinu vjetra koja prolazi kroz elise.
Obećavajuća ideja sa praktičnim ograničenjima
Naučni rad istraživao je i primjenu ovog koncepta na malim vjetroturbinama. U to vrijeme, na institutu se razvijala vjetroturbina sa difuzorom snage 3 kW, namijenjena za rad u uslovima niskih brzina vjetra. Takva turbina mogla bi biti izuzetno korisna u područjima gdje su konvencionalne turbine manje efikasne u izvlačenju energije iz slabog vjetra.
Stvaranjem razlike u pritisku oko usmjerivača, difuzor uspijeva da pojača protok vazduha ka rotoru, pa bi u pravim uslovima čak i mali rotor mogao da generiše značajnu energiju.
Međutim, ovaj dizajn ima i svoje nedostatke. Prstenasti usmjerivač značajno povećava težinu turbine, kao i njene ukupne dimenzije. Takođe, zbog svog proširenog oblika trpi veće aerodinamičke sile i opterećenja vjetra.
Turbine u realnim uslovima moraju da se nose sa promjenjivim smjerovima vjetra, turbulencijama i strukturnim opterećenjima koja se ne mogu u potpunosti replicirati u laboratorijskim uslovima. Uprkos tome, test je ukazao na zanimljivu priliku: umjesto prostog povećanja dimenzija elisa ili brzine rotacije, inženjeri mogu aktivno oblikovati protok vazduha oko samog rotora.
Laboratorijski eksperiment pokazao je da prošireni prstenasti usmjerivač može drastično da poveća protok vazduha i unaprijedi proizvodnju energije.
(Mondo)
