Машинное обучение обеспечивает жизнеспособность ветряных турбин с вертикальной осью

Экспериментальный аппарат и методы.Кредит: Природная связь (2024).Doi: 10.1038/s41467-024-46988-0

Если вы представляете промышленную ветряную турбину, вы, вероятно, представляете дизайн ветряной мельницы, технически известной как ветряная турбина горизонтальной оси (HAWT).Но самые первые ветряные турбины, которые были разработаны на Ближнем Востоке около 8-го века для измельчения зерна, были ветряными турбинами с оси с вертикальной осью, что означает, что они вращались перпендикулярно ветрам, а не параллельно.

Из-за их более медленной скорости вращения Vawts менее шумно, чем ястребы, и достигают большей плотности энергии ветра, что означает, что им нужно меньше места для одной и той же мощности как на и офф-берегах.Лезвия также более благоприятны для дикой природы: поскольку они вращаются сбоку, а не нарезаются сверху, их легче избегать птиц.

С этими преимуществами, почему VAWT в основном отсутствуют на сегодняшнем рынке ветроэнергетики?Как, как объясняет (разворачиваться), исследователь в лаборатории диагностики инженерного инженерного потока ((разворачивается), это сводится к инженерной проблеме - контролю над потоком - что, по его мнению, может быть решено с помощью комбинации сенсорной технологии и машинного обучения.

В статье, опубликованной в Nature Communications, Le Fouest и развернутая глава Карен Малленеры описывают два оптимальных профиля шага для лезвий VAWT, которые достигают 200% повышения эффективности турбины и снижение вибраций, угрожающих структурой на 200%.

«Наше исследование, насколько нам известно, представляет собой первое экспериментальное применение генетического алгоритма обучения, чтобы определить лучший шаг для лезвия Vawt», - говорит Ле Фуэст.

Превратить ахиллесовую пятку в преимущество

Le Fouest объясняет, что в то время как в Европе установленная энергетическая мощность ветра растет на 19 гигаватт в год, эта цифра должна быть ближе к 30 ГВт, чтобы соответствовать целям ООН по 2050 годам для выбросов углерода.

«Барьеры для достижения этого не являются финансовыми, а социальными и законодательными - существует очень низкое публичное принятие ветряных турбин из -за их размера и шумности», - говорит он.

Несмотря на их преимущества в этом отношении, Vawts страдают от серьезного недостатка: они хорошо функционируют только с умеренным, непрерывным воздушным потоком.Вертикальная ось вращения означает, что лопасти постоянно меняют ориентацию по отношению к ветру.

Сильный порыв увеличивает угол между воздушным потоком и лезвием, образуя вихрь в явлении, называемом динамическим прилавком.Эти вихри создают переходные структурные нагрузки, которые лезвия не могут противостоять.

Чтобы справиться с этим отсутствием устойчивости к порывам, исследователи установили датчики на стержень приступающего лезвия, чтобы измерить воздушные силы, действующие на него.Подавая лезвие взад -вперед под разными углами, скоростями и амплитудами, они генерировали серию «профилей шага».Затем они использовали компьютер для запуска генетического алгоритма, который выполнил более 3500 экспериментальных итераций.Подобно эволюционному процессу, алгоритм, выбранный для наиболее эффективных и надежных профилей шага, и перечислял их черты, чтобы генерировать новые и улучшенные «потомство».

Этот подход позволил исследователям не только идентифицировать две серии профиля высоты тона, которые способствуют значительно повышенной эффективности и надежности турбины, но и превратить самую большую слабость Vawts в силу.

«Динамический киоск - тот же явление, которое разрушает ветряные турбины - в меньшем масштабе может фактически продвигать лезвие вперед. Здесь мы действительно используем динамический киоск в нашу пользу, перенаправляя шаг лезвия вперед, чтобы произвести силу», - объясняет Ле -Фуэст.

“Большая часть ветряных турбин углаживает силу, генерируемую лезвиями вверх, что не помогает вращению. Изменение этого угла не только образует меньший вихрь - он одновременно отталкивает его в точно в то время, что приводит ко второй области производства мощностипо ветру ”.”

Документ представляет докторскую степень Ле Фуэста.Работа в лаборатории развернута.Теперь он планирует построить проверку концепции Vawt.Цель состоит в том, чтобы установить его на открытом воздухе, чтобы его можно было протестировать, так как он реагирует в режиме реального времени на реальные условия.

«Мы надеемся, что этот метод управления воздушным потоком сможет привести к зрелости эффективной и надежной технологии VAWT, чтобы он наконец был сделан в продаже», - говорит Le Fouest.

Больше информации: Sébastien Le Fouest et al., Оптимальное управление шагом лезвия для улучшенной вертикальной оси ветряной турбины, природная связь (2024).Doi: 10.1038/s41467-024-46988-0