Forskare har modellerat vätskedynamiken i vindkraftverk med flera rotorer, och hur de interagerar i vindkraftparker. Forskningen visar en klar fördel för en turbinmodell med fyra rotorer.

Med sin 220 meters diameter, vindkraftverken på den framtida Dogger Bank vindpark i Nordsjön är världens största. Men stort, större, största är inte nödvändigtvis det bästa när det gäller vindkraftverk.

Forskare från Aarhus University och Durham University i U.K. har nu modellerat flödesdynamiken i vindkraftverk med flera rotorer via numeriska simuleringar med hög upplösning, och det visar sig att vindkraftverk med fyra rotorer på en grund har ett antal fördelar.

Ett vindkraftverk skördar energi från den inkommande vinden, men när vinden passerar genom turbinens blad, en region med lägre vindhastigheter och högre turbulens skapas som kallas vindkraftverk. Ett andra vindkraftverk nedströms påverkas av denna turbulens på flera sätt. För det första, det producerar mindre energi, och för det andra, den strukturella belastningen ökas.

"I studien, vi fann att turbulens och strömmar i turbinernas kölvatten återhämtar sig mycket snabbare med turbiner med flera rotorer. Detta innebär att, med multirotorer, en andra turbin nedströms kommer att producera mer energi och kommer att utsättas för mindre belastning och stress, eftersom turbulensen är motsvarande mindre, "säger Mahdi Abkar, biträdande professor vid Institutionen för teknik, Aarhus universitet och en expert på flödesfysik och turbulens.

Mindre kostnad, mindre krångel, mer energi

Ett vindkraftverk med mer än en rotor skapar mindre turbulens, och vinden "återställs" snabbare, vilket innebär en högre energiproduktion. Och detta är viktig kunskap i en tid då vindkraftverk blir allt större, och därmed också allt dyrare.

"Du kan alltid öka din energiproduktion genom att öka diametern på rotorbladen, men det finns stora strukturella utmaningar att bygga dessa massiva konstruktioner med diametrar över 150 meter. Materialkraven ökar, transporten av strukturerna är besvärlig och dyr, och det blir dyrare att underhålla vindkraftverken, säger Mahdi Abkar.

En turbin med fyra rotorer kostar ca. 15% mindre att bygga än en turbin med en rotor, även om kniven täcker samma område totalt. På samma gång, en konstruktion med fyra rotorer är mycket lättare och därför lättare att transportera. Och om en av rotorerna slutar fungera, resten av turbinen kommer fortfarande att producera energi, till skillnad från vanliga vindkraftverk.

Dessutom, forskarna har funnit att enskilda turbiner med flera rotorer faktiskt producerar något mer energi än turbiner med en rotor:ca. 2 till.

"Vi har utforskat flera olika geometrier och dynamik i turbiner med flera rotorer och har funnit att den optimala konstruktionen är en turbin med fyra rotorer så långt ifrån varandra. Det senare resulterar i mindre turbulens i nedströms och en snabbare stabilisering av kölvattnet bakom vindturbiner, "säger biträdande professor Mahdi Abkar.