مطالعه اثرات اغتشاش دورانی سکوی شناور بر عملکرد آیرودینامیکی توربین باد فراساحلی در حضور سیستم کنترل زاویه گام

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 هیات علمی گروه هوافضا دانشکده مکانیک دانشگاه تربیت مدرس

2 گروه هوافضا دانشکده مکانیک دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

در این تحقیق، به بررسی اثرات دوران سکوی توربین باد فراساحلی شناور 5 مگاواتی بر روی عملکرد آیرودینامیکی آن در حضور سیستم کنترل زاویه گام پرداخته می‌شود. برای مدل‌سازی آیرودینامیکی از روش مومنتوم المان پره ناپایا استفاده شده است. ابتدا این مدل آیرودینامیکی بر اساس داده‌های مرجع توربین باد نمونه اعتبارسنجی شده و نتایج مطلوب حاصل شده است. در ادامه به منظور اعمال سیستم کنترل تثبیت توان، مقدار زاویه گام بعنوان پارامتر کنترلی بر اساس یک کنترل کننده تناسبی انتگرال‌گیر استخراج گردیده است. حرکت اغتشاشی وارد به توربین باد شناور در سه جهت پیچ، رول و یاو مطالعه شده که این جابجایی‌های دورانی با استفاده از تابع سینوسی تقریب زده شده است. نتایج نشان می‌دهد که از میان سه حرکت مورد بررسی، حرکت پیچ بیشترین اثر را بر روی پارامترهای عملکردی توربین باد شناور دارد. این حرکت باعث می‌شود تا مقدار ضریب توان میانگین نسبت به حالت مبنا یا توربین باد ثابت در نسبت‌های سرعت نوک پره کمتر از 7 کاهش یابد و در نسبت‌های سرعت نوک پره بیشتر از 7 افزایش ضریب توان نتیجه شود. این روند برای حرکت‌های رول و یاو بصورت خفیف‌تر دیده می‌شود. علاوه بر این مقدار زاویه گام میانگین همواره در حالت شناور افزایش می‌یابد که به معنای تلاش بیشتر سیستم کنترلی برای تثبیت توان می‌باشد. از این بستر با توجه به قابلیت تحلیل ناپایا می‌توان در مطالعه پارامتری و نیز در بهینه سازی توربین‌های بادی شناور استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Study of the Effect of Floating Platform Rotational Disturbance on theAerodynamic Performance of Offshore Wind Turbine in the Presence of Pitch Control System

نویسندگان [English]

  • Saeed Karimian Aliabadi 1
  • sepehr Rasekh 2
1 Tarbiat modares univ./assistant prof.
2 Aerospace group, mechanical Faculty, Tarbiat modares university, Tehran, Iran
چکیده [English]

The aerodynamic performance of an offshore floating wind turbine is more complicated than onshore wind turbines because of the motions of the floating platform. In this paper, the effects of a floating platform rotational motion on the performance of an offshore wind turbine are investigated. For this sake, the unsteady blade element momentum method is used as the aerodynamic modeling tool. The proposed model has been validated based on data available for the reference turbine in the ground or fixed platform. To estimate the pitch angle as the control parameter in the power adjusting system, the proportional integral controller has been utilized. This control system is utilized to maintain the rated power of the wind turbine and also to approach a closer model of the wind turbine. The rotation of floating platform including three main angular motion as pitch, roll, and yaw have been studied which are approximated by a sinusoidal function. Results showed that among rotational motions, the effect  of pitch motion is more considerable than roll and yaw motions. In the case of pitching motion input, reduction of mean power coefficient for tip speed ratios less than 7 is expected. For high tip speed ratios more than a critical ratio, the trend is reversed with respect to the fixed-platform case. The magnitude of change in the power coefficient, however, depends on several parameters which are explained more in the paper. The same but degraded trend also occurs in the case of roll and yaw disturbances. Moreover, the mean value of blade pitch angle which is an index of control effort is being increased.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Offshore wind turbine
  • Floating platform
  • Pitch control system
  • Blade element momentum method
  • Tip speed ratio

مراجع

[1]  X. Sun, D. Huang, G. Wu, The current state of offshore wind energy technology development, Energy, 41(1) (2012) 298-312.
[2]  W. Europe, Wind in Power: 2016 European Statistics, Wind Europe: Brussels, Belgium, (2016).
[3]  A. Ho, A. Mbistrova, The European offshore wind industry-key trends and statistics 1st half 2015, A report by the European Wind Energy Association, (2015).
[4]  M. Jeon, S. Lee, S. Lee, Unsteady aerodynamics of offshore floating wind turbines in platform pitching motion using vortex lattice method, Renewable Energy, 65 (2014) 207-212.
[5]  T.-T. Tran, D.-H. Kim, The platform pitching motion of floating offshore wind turbine: a preliminary unsteady aerodynamic analysis, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 142 (2015) 65-81.
[6]  R. Farrugia, T. Sant, D. Micallef, Investigating the aerodynamic performance of a model offshore floating wind turbine, Renewable Energy, 70 (2014) 24-30.
[7]  J.d. Vaal, M. Hansen, T. Moan, Effect of wind turbine surge motion on rotor thrust and induced velocity, Wind Energy, 17(1) (2014) 105-121.
[8]  M. Khosravi, P. Sarkar, H. Hu, An Experimental Investigation on the Performance and the Wake Characteristics of a Wind Turbine Subjected to Surge Motion, in: 33rd Wind Energy Symposi, (2015) 1-18.
[9]  H. Namik, K. Stol, Performance analysis of individual blade pitch control of offshore wind turbines on two floating platforms, Mechatronics, 21(4) (2011) 691-703.
[10] H. Namik, K. Stol, Individual blade pitch control of floating offshore wind turbines, Wind energy, 13(1)(2010) 74-85.
[11] J. Jonkman, S. Butterfield, W. Musial, G. Scott, Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development, National Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, CO., (2009)
[12] M.O. Hansen, Aerodynamics of wind turbines, Routledge, (2015)
[13] H. Glauert, Airplane propellers, in: Aerodynamic theory, Springer, (1935) 169-360
[14]  D.A. Spera, Wind turbine technology, (1994).
 [15] J. Schepers, H. Snel, G. van Bussel, Dynamic inflow: yawed conditions and partial span pitch control, Netherlands Energy Research Foundation ECN, (1995).
[16]K. Gharali, D.A. Johnson,  Numerical  modeling  of an S809 airfoil under dynamic stall, erosion and high reduced frequencies, Applied Energy, 93 (2012) 45-52.
[17]J.G. Leishman, T. Beddoes, A Semi-Empirical Model for Dynamic Stall, Journal of the American Helicopter society, 34(3) (1989) 3-17.
[18]R. Reuss Ramsay, M. Hoffman, G. Gregorek, Effects of grit roughness and pitch oscillations on the S815 airfoil, National Renewable Energy Lab., Golden, CO (United States); Ohio State Univ., Columbus, OH (United States), 1996.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 4
تیر 1399
صفحه 769-784

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار