Η αεροδυναμική ανακάλυψη του MIT αυξάνει την απόδοση των ανεμογεννητριών χωρίς αλλαγές στην κατασκευή τους

Σύνοψη

• Νέα μέθοδος ελέγχου από το MIT και συνεργαζόμενα πανεπιστήμια αυξάνει την παραγωγή ενέργειας των υφιστάμενων ανεμογεννητριών χωρίς απολύτως καμία φυσική τροποποίηση.
• Η δυναμική προσαρμογή του λόγου ταχύτητας άκρου (tip speed ratio) κατά τη διάρκεια λανθασμένης ευθυγράμμισης με τον άνεμο αποδίδει νέα μέγιστα σημεία παραγωγής.
• Οι αεροδυναμικές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε υπερβαρική σήραγγα υψηλής πίεσης (έως 240 ατμόσφαιρες), επιτρέποντας σε ένα μικρό μοντέλο 15 εκατοστών να προσομοιώσει ρότορες μεγέθους 35 μέτρων.
• Ο αλγόριθμος ελέγχου λειτουργεί με ελάχιστη επεξεργαστική ισχύ σε συμβατικούς φορητούς υπολογιστές, αποφέροντας πιθανότατα δεκάδες χιλιάδες δολάρια επιπλέον κέρδους ανά τουρμπίνα ετησίως.

Η μετάβαση σε ένα αμιγώς ανανεώσιμο ενεργειακό μείγμα απαιτεί συχνά τεράστιες επενδύσεις σε νέες, ολοένα και μεγαλύτερες υποδομές, καταλαμβάνοντας αχανείς εκτάσεις γης και απαιτώντας πρωτοφανείς ποσότητες πρώτων υλών για την κατασκευή κολοσσιαίων ανεμογεννητριών. 

Μια νέα διεπιστημονική έρευνα με τη συμμετοχή του MIT, του Queen's University, του Princeton και του Penn State έρχεται να ανατρέψει αυτή την ατέρμονη αναγκαιότητα μεγέθυνσης, αποδεικνύοντας πρακτικά ότι η βελτιστοποίηση του λογισμικού διαχείρισης και της αεροδυναμικής συμπεριφοράς μπορεί να αποδώσει εξαιρετικά υψηλότερα ποσοστά παραγωγής ενέργειας από τις ήδη εγκατεστημένες υποδομές. 

Η καρδιά του προβλήματος βρίσκεται στον τρόπο με τον οποίο τα αιολικά πάρκα διαχειρίζονται τις μεταβολές στην κατεύθυνση των αέριων ρευμάτων, καθώς σπάνια η ροή του ανέμου προσεγγίζει τους ρότορες σε τέλεια κάθετη ευθυγράμμιση. Όταν μια τουρμπίνα δεν είναι πλήρως ευθυγραμμισμένη με το ρεύμα αέρα, η απόδοση της μειώνεται δραματικά με βάση τα υπάρχοντα πρωτόκολλα ελέγχου που χρησιμοποιεί η βιομηχανία, τα οποία παραμένουν ουσιαστικά στάσιμα εδώ και αρκετά χρόνια δίνοντας έμφαση αποκλειστικά στην ασφάλεια των υλικών.

Η καινοτομία των ερευνητών βασίζεται στην εκμετάλλευση ενός αεροδυναμικού δείκτη που μέχρι πρότινος παρέμενε ανεκμετάλλευτος κατά τη διάρκεια των φαινομένων κακής ευθυγράμμισης, ο οποίος ονομάζεται λόγος ταχύτητας άκρου (tip speed ratio) και εκφράζει την αναλογία μεταξύ της ταχύτητας με την οποία κινούνται τα άκρα των πτερυγίων και της ταχύτητας του εισερχόμενου ανέμου. Αντί το σύστημα ελέγχου να διατηρεί μια σταθερή και προκαθορισμένη συμπεριφορά όταν ο άνεμος αλλάζει κατεύθυνση, ο νέος μαθηματικός σχεδιασμός επιτρέπει τη δυναμική αυξομείωση αυτής της σχέσης προκειμένου να δημιουργηθούν νέα αεροδυναμικά σημεία μέγιστης απόδοσης σε πραγματικό χρόνο. 

Η ρύθμιση της ταχύτητας περιστροφής σε άμεση συνάρτηση με τη λανθασμένη γωνία πρόσπτωσης του αέρα οδηγεί σε μια εξαιρετικά αποδοτική διαδικασία συλλογής κινητικής ενέργειας η οποία προηγουμένως χανόταν στην ατμόσφαιρα. Ο συνδυασμός αυτού του εξελιγμένου ελέγχου με την υπάρχουσα δυνατότητα αλλαγής της κλίσης των πτερυγίων δημιουργεί ένα δυναμικό περιβάλλον συνεχούς προσαρμογής που μεγιστοποιεί την παραγωγή κάτω από οποιεσδήποτε μετεωρολογικές συνθήκες.

Για να επιβεβαιώσουν την ανατρεπτική τους θεωρία, οι επιστήμονες έπρεπε να ξεπεράσουν ένα θεμελιώδες πρόβλημα της αεροδυναμικής έρευνας, το οποίο έγκειται στην αδυναμία των μικρών μοντέλων υπό κλίμακα να αναπαράγουν με ακρίβεια τη συμπεριφορά των ρευστών που παρατηρείται σε εγκαταστάσεις πραγματικού μεγέθους. Η χρήση μιας κοινής αεροδυναμικής σήραγγας με μια τουρμπίνα σε μέγεθος μινιατούρας δεν προσφέρει αξιόπιστα δεδομένα εξαιτίας της τεράστιας διαφοράς στους αριθμούς Reynolds, οι οποίοι καθορίζουν απόλυτα τον τρόπο που ο αέρας ρέει γύρω από τις επιφάνειες των πτερυγίων. 

Προκειμένου να παρακάμψουν αυτό το τεχνικό εμπόδιο, οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα μοντέλο με διάμετρο μόλις 15 εκατοστών και το τοποθέτησαν σε μια ειδικά σχεδιασμένη υπερβαρική αεροδυναμική σήραγγα ικανή να συμπιέσει τον αέρα φτάνοντας μέχρι και τις 240 ατμόσφαιρες, καθιστώντας τον σχεδόν 220 φορές πιο πυκνό από τον φυσιολογικό. Αυτή η ακραία τεχνητή συμπίεση επέτρεψε στο ρευστό να συμπεριφερθεί ακριβώς όπως θα συμπεριφερόταν γύρω από έναν ρότορα μήκους 15 έως 20 μέτρων, ενώ υπό ορισμένες συνθήκες το πείραμα προσομοίασε με απόλυτη επιτυχία αεροδυναμικές δυνάμεις που ασκούνται σε πτερύγια βιομηχανικού μεγέθους 35 μέτρων. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν πλήρως τα θεωρητικά μαθηματικά μοντέλα, αποδεικνύοντας πρακτικά ότι η ευέλικτη τροποποίηση του λόγου ταχύτητας άκρου μπορεί να αυξήσει θεαματικά την αποδοτικότητα.

Το ίσως σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτής της επιστημονικής ανακάλυψης εντοπίζεται στην τεράστια ευκολία υλοποίησης και στις εξαιρετικά χαμηλές απαιτήσεις σε υπολογιστική ισχύ, καθώς τα πολύπλοκα συστήματα μηχανικής μάθησης απαιτούν συχνά δαπανηρό εξοπλισμό που ακυρώνει την οικονομική βιωσιμότητα μιας τέτοιας αναβάθμισης. Το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της έρευνας αποδείχθηκε τόσο ελαφρύ και άριστα βελτιστοποιημένο ώστε μπορεί να εκτελεστεί απρόσκοπτα σε ένα εντελώς κοινό laptop του εμπορίου χωρίς να παρουσιάζει απολύτως καμία καθυστέρηση στον υπολογισμό των παραμέτρων. Αυτή η ευελιξία ανοίγει το δρόμο για την άμεση ενσωμάτωση του νέου λογισμικού στους ήδη υπάρχοντες ελεγκτές των αιολικών πάρκων ανά τον κόσμο, προσφέροντας τη δυνατότητα προσομοίωσης και εφαρμογής νέων στρατηγικών λειτουργίας απευθείας στο πεδίο χωρίς πολύπλοκες παρεμβάσεις στο hardware. 

Μέσω αυτής της πρακτικής εφαρμογής υπολογίζεται επισήμως πως η ενεργειακή βιομηχανία μπορεί να εξασφαλίσει δεκάδες χιλιάδες δολάρια πρόσθετων εσόδων ανά ανεμογεννήτρια σε ετήσια βάση, μετατρέποντας τις μέχρι σήμερα χαμένες αεροδυναμικές ευκαιρίες σε καθαρή, άμεσα εκμεταλλεύσιμη ηλεκτρική ενέργεια.

Η συμβολή της εφαρμοσμένης αεροδυναμικής βελτιστοποίησης στην προκειμένη περίπτωση ξεπερνά την απλή αύξηση της κερδοφορίας και προσφέρει ένα χειροπιαστό εργαλείο για τον ορθολογικότερο σχεδιασμό των ενεργειακών υποδομών. Η αδυναμία διαρκούς ευθυγράμμισης των τεράστιων ρότορων με τις ακαριαίες ριπές του ανέμου, ιδιαίτερα σε περιοχές με πολύπλοκο γεωγραφικό ανάγλυφο όπου οι αέριες μάζες δημιουργούν έντονους στροβιλισμούς, αποτελούσε πάντοτε μια ανυπέρβλητη πηγή απώλειας για τις εταιρείες διαχείρισης. Ο νέος αλγόριθμος επαναπροσδιορίζει τη λειτουργική λογική του συστήματος απόκρισης, καθώς σταματά να αντιμετωπίζει τη μη ιδανική γωνία του αέρα ως τεχνικό εμπόδιο και τη μετατρέπει σε μια νέα μεταβλητή παραγωγής μέσω της στιγμιαίας μεταβολής της ταχύτητας στο ακραίο τμήμα του πτερυγίου. Με αυτόν τον τρόπο εξομαλύνονται αισθητά οι απότομες διακυμάνσεις στην παραγωγή που παραδοσιακά ταλαιπωρούν τα δίκτυα μεταφοράς, επιτρέποντας εξαιρετικά καλύτερο προγραμματισμό και σταθερότερη ροή καθαρής ενέργειας.