Ветроэнергетические установки на будущей ВЭС, расположенной на песчаной отмели Догг.р-Банке в Северном море, являются самыми большими в мире — диаметры их роторов составляют внушительные 220 м. Но «большой», «больше», «наибольший» — не всегда значит «лучший», когда речь заходит о ВЭУ.

Исследователи из двух университетов — Орхусского (Дания) и Даремского (Великобритания) — в настоящее время моделируют гидродинамику многороторных ветрогенераторов с помощью цифрового моделирования высокого разрешения, и выясняется, что ВЭУ с четырьмя роторами на одном фундаменте имеют ряд преимуществ.

Ветроустановка собирает энергию с поступающего ветра, и когда ветер проходит через лопасти ВЭУ, создаётся область с более низкой скоростью ветра и более высокой турбулентностью, называемая «следом за ветроколесом» (Wind Turbine Wake). Эта турбулентность влияет на следующую ветроустановку, далее по течению воздушного потока, в нескольких отношениях. Во-первых, та производит меньше энергии, а во-вторых, увеличивается нагрузка на конструкцию.

«В ходе исследовании мы обнаружили, что турбулентность и токи, возникающие после ветроколеса, восстанавливаются до первоначального состояния намного быстрее при использовании многороторных ВЭУ. Это означает, что при использовании нескольких роторов следующая ВЭУ далее по течению будет производить больше энергии и подвергаться меньшим нагрузкам и внешнему воздействию, поскольку и турбулентность будет соответственно меньше», — поделился Махди Абкар, доцент кафедры машиностроения Орхусского университета и специалист по гидроаэродинамике и турбулентности.

Меньше затрат, меньше хлопот, больше энергии

Ветроустановка с более чем одним ротором создаёт меньше турбулентности, а ветер «восстанавливается» быстрее, что означает более высокие показатели объёмов вырабатываемой энергии. И это особенно важно, когда ВЭУ становятся более масштабными в плане габаритов и, следовательно, в плане затрат.

«Всегда можно увеличить выработку энергии, увеличив диаметр лопастей ротора, но при строительстве таких массивных конструкций диаметром более 150 метров возникают серьёзные конструкционные проблемы. Потребности в материалах растут, транспортировка конструкций является трудоёмкой и обходится совсем недёшево, плюс обслуживание ветрогенераторов становится всё более дорогостоящим», — заявляет Махди Абкар.

ВЭУ с четырьмя роторами стоит примерно на 15% меньше, чем ветряк с одним, даже если ометаемая площадь лопастей примерно одинакова. В то же время конструкция с четырьмя роторами намного более лёгкая по своим массогабаритным характеристикам, поэтому она проще в транспортировке. И если один из роторов перестанет работать, остальная часть ветряка всё равно будет вырабатывать энергию, в отличие от классических ветрогенераторов.

Кроме того, исследователи определили, что отдельные многороторные ВЭУ на деле вырабатывают даже немного больше энергии, чем однороторные: примерно на 2%.

«При изучении ряда различных конфигураций и динамики многороторных ВЭУ мы обнаружили, что оптимальной конструкцией является ветрогенератор с четырьмя роторами, расположенными как можно дальше друг от друга. Последнее приводит к уменьшению турбулентности далее по течению воздушного потока и более быстрой стабилизации «следа» за ветроустановками», — делится доцент Махди Абкар.