MIT: cum să scoți mai multă putere din turbinele eoliene deja instalate, testat într-un tunel de vânt presurizat până la 240 de atmosfere — zeci de mii de dolari în plus, pe turbină, pe an, fără echipament nou

📄 Articolul original, tradus integral

„Pressurized experiments could help wind farms generate more power” — MIT News · Zach Winn, MIT News · 28 septembrie 2026. Titlul în română: „Experimente într-un tunel presurizat ar putea ajuta parcurile eoliene să genereze mai multă putere”. Subtitlul original: „O nouă metodă de a simula turbine eoliene pe teren arată cum ajustarea funcționării turbinei ar putea debloca zeci de mii de dolari pe turbină, în fiecare an.” Originalul, în engleză →

Lumea are nevoie de mai multă energie eoliană. Dar oricine proiectează turbine eoliene noi sau încearcă să scoată mai multă putere din cele existente se lovește de o provocare serioasă când vrea să testeze abordări noi. Motivul: atmosfera e un loc dificil pentru un experiment controlat.

Unii cercetători folosesc tuneluri de vânt pentru teste, dar turbinele eoliene miniaturizate din tunelurile de vânt tradiționale pot fi foarte diferite de condițiile din teren. (Turbinele eoliene sunt cele mai mari mașini rotative construite vreodată.) Problema nu afectează doar dezvoltarea unor turbine mai bune, ci și înțelegerea unor întrebări de bază, cum ar fi la câtă putere să te aștepți de la o turbină atunci când vântul își schimbă direcția.

Într-o lucrare nouă, cu acces liber, publicată în PNAS Nexus, cercetătorii au închis distanța dintre experimentele din teren și cele de laborator, folosind un tunel de vânt cu presurizare ridicată, ca să simuleze fizica fluxului din atmosferă. Cu această abordare, cercetătorii au determinat cum influențează alinierea turbinei și viteza vârfului palei, relativ la vânt, puterea pe care o generează, oferind perspective noi asupra modului de a obține mai multă putere din parcurile eoliene existente.

Au folosit abordarea și pentru a valida un model computațional ușor, pe care inginerii îl pot folosi ca să testeze diverse proiecte de turbine și strategii de control ale parcurilor eoliene.

Împreună, cercetătorii estimează că optimizarea alinierii turbinei față de vânt, a unghiurilor de pas ale palelor — care controlează unghiul de atac al profilului aerodinamic — și a vitezei vârfului palei relativ la vânt ar putea aduce, potențial, zeci de mii de dolari pe turbină, în fiecare an, în venituri suplimentare.

„Impactul imediat al acestui studiu e că am îmbunătățit și am validat modele care intră în protocoalele de control ale turbinelor eoliene pentru parcurile existente”, spune Michael Howland, „Jeffrey Cheah Career Development Professor” la MIT. „Impactul mai mare, pe termen mediu, cu un potențial mult mai ridicat, e această nouă paradigmă experimentală de a prototipa rapid, a valida modele de simulare și a testa ipoteze despre proiecte și strategii de control mai bune, mult mai repede decât a fost posibil până acum.”

Alături de Howland, pe lucrare, sunt autorul principal John Kurelek, profesor asistent la Queen's University; doctoranzii MIT Ilan Upfal și Kirby Heck; postdoctorandul de la Queen's University Supun Pieris; cercetătorul de la Penn State University Alexander Piqué; și profesorul de la Princeton University Marcus Hultmark.

RĂSPUNSURI ÎN VÂNT. Howland a petrecut ani întregi dezvoltând modele pentru a simula performanța parcurilor eoliene și dezvoltând tehnici noi pentru a le crește puterea produsă. În 2022, a arătat că luarea în calcul a siajului fiecărei turbine în parte, la controlul întregului parc eolian, poate crește semnificativ puterea produsă.

Dar acea lucrare a cerut mai întâi echipei sale de cercetare să desfășoare un experiment de teren îndelungat, care a redus temporar puterea produsă de un parc eolian real, dezaliniind intenționat turbinele față de vânt timp de luni de zile, ca să înțeleagă mai bine performanța lor în dezaliniere.

„Energia eoliană e o problemă unic de dificilă de studiat experimental”, spune Howland. „Vrem să testăm efectul unei anumite schimbări, izolat, dar parcurile eoliene funcționează în medii haotice, turbulente, unde vremea evoluează constant. Turbinele eoliene trebuie să reacționeze la condiții meteo pe care nu le controlăm, iar asta introduce complexități în identificarea impactului schimbării pe care o studiem. Domeniul se află exact la această intersecție unică dintre fluxul de mediu, mecanică, aerodinamică și meteorologie.”

Dificultatea de a rula experimente pe parcuri eoliene reale i-a lăsat pe cercetători și ingineri nesiguri asupra modului în care schimbările din alinierea dintre vânt și turbină, sau factori precum viteza vârfului palei relativ la vânt, schimbă puterea produsă.

De fapt, spun cercetătorii, multe dintre modelele predictive folosite azi pornesc de la premisa că turbinele sunt mereu perfect perpendiculare pe vânt. Asta e rareori cazul în lumea reală, chiar și la turbinele moderne, care își ajustează treptat unghiul ca răspuns la schimbările rapide de direcție ale vântului.

„Lumea a tot dezbătut care modele sunt cele mai bune pentru înțelegerea puterii produse de aceste parcuri eoliene, dar dacă n-ai nimic cu care să le compari, e foarte greu să avansezi domeniul”, spune Hultmark. „Lucrarea asta încearcă să facă amândouă.”

Laboratorul lui Hultmark de la Princeton a fost pionier în studiul turbinelor eoliene miniaturizate în tuneluri de vânt presurizate, care, așa cum au arătat studii anterioare, reproduc mai bine turbinele de scară mare din atmosferă, fiindcă presiunea face aerul mai dens, rezultând mai multă inerție în mediul de laborator miniaturizat. Pentru noul studiu, cercetătorii au folosit o turbină de 15 centimetri diametru, la presiuni variind până la 240 de atmosfere.

„Presurizând camera, testăm o turbină care, cu toate celelalte lucruri egale, are 15 până la 20 de metri diametru, cu posibilitatea de a ajunge până la 35 de metri diametru”, explică autorul principal Kurelek. „Asta pentru că mărim densitatea de 100 până la 220 de ori.”

Kurelek i-a trimis lui Howland dimensiunile tunelului de vânt și ale montajului turbinei, iar acesta le-a folosit ca să calculeze aerodinamica, forțele și producția de putere, folosind un model unificat de turbină eoliană, dezvoltat recent, care se bazează pe o lucrare anterioară ce a dezvoltat o teorie aerodinamică mai generală pentru turbinele eoliene. Noul model le permite cercetătorilor să simuleze performanța turbinei eoliene în diverse condiții de funcționare, fără să se bazeze pe corecții empirice folosite istoric în modelele de putere eoliană.

Cercetătorii au rulat apoi o serie de experimente în tunel, pe parcursul mai multor săptămâni, testând performanța turbinei la diverse alinieri față de vânt și cu diverse strategii de control, ca să izoleze cum afectează fiecare factor performanța.

Au descoperit că puterea produsă poate crește semnificativ prin ajustarea vitezei vârfului palei în funcție de unghiul de dezaliniere față de vânt — o strategie de control rar folosită azi în parcurile eoliene, dar care ar putea oferi o cale de a crește performanța cu costuri suplimentare minime.

„Rezultatul principal al experimentelor a arătat clar că se pot atinge noi maxime de putere atunci când turbina devine dezaliniată față de vânt doar prin schimbări ale vitezei vârfului palei”, spune Kurelek.

EXTINDEREA ABORDĂRII. Studiul a servit drept validare pentru modelul lui Howland, care e suficient de rapid încât să poată fi rulat de ingineri care proiectează și operează turbine eoliene în toată lumea, pe calculatoare laptop obișnuite.

„Ce vrem cu adevărat să știm e dacă turbinele funcționează mereu într-un anumit grad de dezaliniere față de vânt, cum ar trebui să controlăm turbina ca să obținem producția maximă de putere realizabilă?”, explică Howland. „Modelul nostru unificat de moment a putut face predicții despre cum să facem acest control, cu câțiva ani în urmă, iar acum e prima dată când am putut valida experimental acel model.”

Howland spune că validarea modelelor e doar o parte din impactul potențial al lucrării.

„Acest studiu arată și oportunitatea uriașă de a efectua aceste experimente controlate, de mare capacitate, în facilitățile presurizate cu care lucrează Marcus și John, permițându-ne să obținem fizica corectă, dar într-o manieră eficientă din punct de vedere al timpului și cu costuri reduse”, spune Howland. „Chiar acum, există o distanță uriașă între modelele teoretice și de simulare idealizate și testarea la scară completă, în medii de teren extrem de complicate. Nimic nu umple acel gol, în afară de aceste experimente presurizate. Sper că asta poate fi un instrument pentru a investiga o gamă enormă de întrebări nerezolvate despre energia eoliană, în medii controlate.”

Lucrarea a fost susținută parțial de Consiliul de Cercetare în Științe Naturale și Inginerie al Canadei; de National Science Foundation; și de Alianța MIT-GE Vernova.

Reprinted with permission of MIT News (http://news.mit.edu/). Traducerea în limba română aparține redacției Fără Baliverne.