Ученые из Университета Ла Сапиенца в Риме совместно с французской инженерной компанией Aircrafted разработали и экспериментально проверили новую конструкцию вертикальной ветровой турбины. Ротор получил название RoDaVi – сокращение от Rotor Da Vinci, поскольку его форма вдохновлена «воздушным винтом» Леонардо да Винчи, который изобретатель рассматривал как прообраз современного вертолета. В отличие от классических решений, новая турбина изначально проектировалась как гибридная по своей аэродинамике: она одновременно использует подъемную силу, характерную для лопастных ветряных систем пропеллерного типа, и силу сопротивления потоку, на которой работают так называемые ковшовые конструкции. Этот гибрид особенно актуален для городской среды и районов со сложным рельефом, где ветер нестабилен, часто меняет направление и редко достигает скоростей, оптимальных для крупных горизонтальных турбин.
Классические вертикальные ветряные установки исторически развивались в двух направлениях, каждое из которых имеет свои ограничения. Турбины типа Савониуса отличаются высокой надежностью и способностью запускаться даже при слабом ветре, но их эффективность невелика – значительная часть энергии потока теряется. Турбины типа Дарьеуса, напротив, способны работать с более высоким КПД, но плохо самозапускаются и требуют более жестких ветровых условий. Концепция RoDaVi была изначально ориентирована на объединение этих преимуществ: обеспечить уверенный запуск при малых скоростях ветра и одновременно повысить эффективность в рабочем диапазоне без усложнения конструкции дополнительными роторами или вспомогательными системами.
Для проверки этой идеи исследователи изготовили масштабированную модель турбины и провели серию испытаний в аэродинамической трубе. Экспериментальная программа была выстроена таким образом, чтобы оценить не только итоговые энергетические показатели, но и физические причины их изменения. С одной стороны, измерялись механическая и электрическая мощность, крутящий момент и скорость вращения ротора. С другой – применялся современный оптический метод визуализации потоков Particle Image Velocimetry (PIV), позволяющий регистрировать поле скоростей воздуха вблизи вращающейся турбины и анализировать структуру ее следа. Такой подход дал возможность напрямую связать аэродинамическое поведение установки с ее энергетической эффективностью.
Результаты экспериментов показали, что ключевым параметром для RoDaVi является угол наклона оси вращения относительно набегающего потока. В диапазоне наклонов от 30 до 40°C турбина демонстрирует наилучшие характеристики. В этих условиях коэффициент мощности (основной показатель эффективности ветряной установки) достигает значения около 0,34, что примерно на 25% выше, чем у эталонной турбины Савониуса, испытанной в тех же условиях. Кроме того, полезный диапазон рабочих режимов оказался значительно шире: RoDaVi сохраняет эффективность при скоростях вращения, почти в 2,5 раза превышающих характерные для классических ковшовых роторов. Немаловажно и то, что пусковая скорость ветра у новой конструкции на 20% ниже, что делает ее более пригодной для реальных условий эксплуатации, где большую часть времени ветер находится вблизи минимальных рабочих значений.
Анализ потоков воздуха за турбиной показал, за счет чего достигается этот эффект. При оптимальном наклоне оси RoDaVi не просто отклоняет поток, а более эффективно отбирает у него импульс и преобразует его во вращение ротора, уменьшая долю энергии, уходящей в бесполезные вихри и турбулентность. В результате новая геометрия работает как единый трехмерный аэродинамический объект, а не как набор отдельных лопастей или ковшей.
По мнению исследователей, новые установки способны дать серьезный импульс развитию малой и распределенной ветроэнергетики, где устойчивость работы и адаптация к сложным ветровым условиям зачастую важнее рекордных значений мощности, достижимых лишь в идеальной обстановке.
