Крылья насекомых как ветротурбины: мощный источник экологически чистой энергии
Повышение эффективности работы турбины заключается не просто в вопросе о том, как заставить роторы вращаться быстрее. Это не сложно, но механизм, во-первых, изнашивается куда быстрее, а во-вторых, на больших скоростях турбины, как ни парадоксально, становятся менее эффективны, блокируя стремительно вращающимися лопастями поток ветра как стена из стали. Коммерческое продвижение этого проекта может сделать один из самых экологически чистых способов добычи энергии в разы более востребованным, что положительно скажется в первую очередь на общем состоянии планеты. Об этом рассказывает профессор Государственного университета Сан-Диего Асфау Бейне, не принимавший участия в исследовании.
Оптимальное количество энергии можно получить при промежуточных скоростях вращения, отмечает автор исследования Винсент Когнет, физик из Парижского университета Сорбонны. Все дело в том, что для того, чтобы эффективно производить энергию, ветер должен попадать на лопасти под определенным углом наклона, сообщая генератору необходимое количество крутящего момента. У крыльев насекомых такой проблемы нет. Из-за гибкости конструкции, крылья стрекоз и пчел способны направить аэродинамическую нагрузку по направлению полета, увеличивая таким образом мощность. Если случится так, что насекомое попадет в воздушный поток, его крылья сводят лобовое сопротивление к минимуму, что позволяет избегать травм.
Чтобы узнать, увеличат ли гибкие лопасти эффективность ветряков, Когнет и его команда построили небольшие прототипы с тремя различными стилями исполнения роторного механизма. Один был совершенно жестким, другой очень гибким, а третий представлял собой промежуточный вариант. Гибкие турбины были изготовлены из полиэтилентерефталата, а жесткая — из синтетических смол. Результаты испытаний в аэродинамической трубе показали, что самые гибкие лопасти были чересчур вялыми, а потом проигрывали в эффективности жесткой турбине. Однако промежуточный вариант оказался попаданием в яблочко, больше чем на треть увеличив мощность, а также позволив лопастям работать в более широком диапазоне ветровых условий. Об этом ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the Royal Society A: Mathematical and Physical Sciences.
Испытания также показали, что улучшение происходит в результате изменения угла тангажа: по мере того, как лопасти изгибались вперед и назад под действием силы ветра, угол наклона слегка менялся. Острый угол наклона (при которых турбина визуально более «открыта) эффективен при низких скоростях ветра, в то время как широкий угол лучше подходит для высокоскоростного воздушного потока. В самом деле, быстрый ветер увеличивает скорость вращения, из-за чего лопасти ротора изгибаются вперед и слегка меняют угол наклона, что помогает генерировать больше энергии.
Следующей задачей, по словам Когнета, является масштабирование технологии от прототипа до полноразмерной турбины. «Мы должны найти материал, обладающий достаточной, но не чрезмерной гибкостью, а также прочностью», говорит ученый. Профессор Асфау Бейне, в свою очередь, тоже работает над прототипом аналогичной конструкции, так что в будущем это может оказать существенную помощь как мировой экономике, так и решению экологического кризиса на Земле.