عملکرد توربین باد محور افقی مقیاس بزرگ در لایه مرزی اتمسفری و آشفتگی باد

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی هوافضا دانشگاه صنعتی شریف

2 دانشگاه شریف

چکیده

در این مقاله، عملکرد آیرودینامیکی یک توربین باد محور افقی مرجع و مقیاس بزرگ تحت اثر تغییرات باد ورودی به صفحه‌ روتور ناشی از لایه‌ مرزی اتمسفری و آشفتگی جریان باد ارزیابی شده است. مدل‌سازی جریان برشی باد به روش اختلاط طولی و برای تحلیل آشفتگی باد از محاسبه‌ سری‌های مبتنی بر فرکانس گردابه و سرعت میانگین جریان استفاده شده‌ است. نیروهای آیرودینامیکی روتور با روش اصلاح‌شده‌ ممنتوم-المان پره‌ ناپایا در شرایط نامی توربین محاسبه و اعتبارسنجی روش با نتایج توربین باد مرجع 5 مگاواتی NREL انجام شده است. پروفیل سرعت‌های ورودی به صفحه روتور با مقادیر ضرایب زبری سطح 01/0 تا 5/0 و آشفتگی در زبری 5/0 با شدت یک تا 15 درصد بررسی شده‌اند. نتایج نشان داد، مقدار میانگین توان در حالت بیشینه زبری، 160 کیلووات کاهش‌یافته‌ است. افزایش شدت آشفتگی موجب غیریکنواختی در منحنی تراست و گشتاور شده و در شدت آشفتگی 15 درصد، مقدار بیشینه‌ نیروی تراست، 50 کیلونیوتن و مقدار کمینه‌ آن 25 کیلونیوتن افزوده ‌شده ‌است. همچنین به بیشینه‌ و کمینه‌ گشتاور، به‌ترتیب مقدار 750 و 250 کیلونیوتن متر اضافه شده ‌است.

کلیدواژه‌ها


  1. Arrambide, I., Zubia, I., and Madariaga, A. “Critical Review of Offshore Wind Turbine Energy Production and Site Potential Assessment”, Electr. Pow. Syst. Res., Vol. 167, no. 2, pp. 39-47, 2019.##
  2. Elsner, P. “Continental-scale Assessment of the African Offshore Wind Energy Potential: Spatial Analysis of an Under-appreciated Renewable Energy Resource”, Renew. Sust. Energ. Rev, Vol. 104, no. 6, pp. 394-407, 2019.##
  3. Ray, M. L., Rogers, A. L., and McGowan, J. G. “Analysis of Wind Shear Models and Trends in Different Terrains”, proc. Int. Conf. AWEA Wind Power, University of Massachusetts Amherst, USA, 2005.##
  4. Wagner, R., Courtney, M., Larsen, T. J., and Paulsen, U. S. “Simulation of Shear and turbulence Impact on Wind Turbine Performance”, Information Service Department Risø National Laboratory for Sustainable Energy Technical University of Denmark, 2010.##
  5. Hiester, T. R. and Pennell, W. T. “The Meteorological Aspects of Siting Large Wind Turbines”, PNL-2522, Pacific Northwest Lab. Richland, Washingt., USA, Vol. 99352, 1981.##
  6. Grasso, F., “Ground and Wind Shear Effects in Aerodynamic Calculations”, Technical report ECN-E–10-016, Energy research center of the Netherlands (ECN), 2010.##
  7. Sezer-Uzol, N. and Uzol, O. “Effect of Steady and Transient Wind Shear on the Wake Structure and Performance of a Horizontal Axis Wind Turbine Rotor”, Wind Energy, Vol. 16, no. 1, pp. 1-17, 2013.##
  8. Ebrahimi, A. and Nozari, M. “Wind Shear Flow Effects on the Horizontal Axis Wind Turbine Performance Based on Three-dimensional Actuator Disk Model”, Accepted for publication in J. Fluid Mech. & Aerospace, Vol. 8, no. 1, pp. 1-14, 2019.##
  9. Hermann, G. “Airplane Propellers”, In Aerodynamic Theory, Springer, Berlin, Heidelberg, pp. 169-360, 1935.##
  10. Rogério, J., Vaz, P., Tavares, J., Luiz, A., and Mesquita, A. “An Extension of BEM Method Applied to Horizontal-axis Wind Turbine Design”, Renew. Energy, Vol. 36, no. 6, pp. 1734–1740, 2011.##
  11. Hansen, M. H. “Improved Modal Dynamics of Wind Vibrations to Avoid Stall‐induced Vibrations”, Wind Energy, Vol. 6, no. 2, pp. 179-195, 2003.##
 

 Manwell, J. F., McGowan, J. G., and Rogers, A. L. “Wind Energy Explained: Theory, Design and Application”, John Wiley & Sons, Ltd. New York, pp. 118–119, 2009.

  1. Shen, W. Z., Mikkelsen, R., and Sørensen, J. N. “Tip Loss Corrections for Wind Turbine Computations, Wind Energy”, International Journal for Progress and Applications in Wind Power Conversion Technology, Vol. 8, no. 4, pp. 457–475, 2005.##
  2. Abedi, H. “Development of Vortex Filament Method for Aerodynamic Loads on Rotor Blades”, Technical report, Department of Applied Mechanics, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2013.##
  3. Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W., and Scott, G. “Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development, NREL/TP-500-38060”, National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2009.##
  4. Jeong, M. S., Kim, S. W., Lee, I., and Yoo, S. J. “Wake Impacts on Aerodynamic and aeroelastic Behaviors of a Horizontal Axis Wind Turbine Blade for Sheared and Turbulent Flow Conditions”, J. Fluids Struct., Vol. 50, pp. 66–78, 2014.##
  5. Van Der Tempel, J. “Design of Support Structures for Offshore Wind Turbines”, PhD Thesis Faculty of Civil Engineering and Geosciences, Delft University of Technology, TUDelft, Netherlands, 2006.##
  6. Wortman, A. J. “Introduction to Wind Turbine Engineering”, NASA STI/Recon Technical Report A 84, 1983.##
  7. Hansen, M. O. L. “Aerodynamics of Wind Turbines, Routledge press, Technical University of Denmark, 2015.##
Veers, Paul S. “Three-dimensional Wind Simulation. SAND-88-0152C; CONF-890102-9, Sandia National Labs., Department of Energy NM, USA, 1988.