بهبود عملکرد توربین باد محور عمودی با مقیاس واقعی با به‌کارگیری عملگر پلاسمایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد ، ایران

2 دانشگاه یزد

چکیده

هدف از این تحقیق شبیه‌سازی سه بعدی جریان حول توربین باد عمود محور در ابعاد واقعی تحت تأثیر نیروهای حجمی حاصل از عملگر پلاسمایی می‌باشد. بدین منظور، ابتدا عملگر پلاسمایی بر روی یک صفحه تخت که در شرایط هوای ساکن قرار دارد، شبیه‌سازی شده و نتایج با مدلِ مرجع اعتبارسنجی گردید. سپس به منظور کاربرد عملگر بر روی توربین باد و به دلیل حساسیت جریان و تاثیر نامطلوب حضور عملگر بر روی سطح پره‌ها، ایده‌ی  اعمال آن درونِ سطحِ پره‌های توربین اولین بار در این پژوهش به‌کار گرفته شد. بدین منظور ابتدا توربین باد ابعادِ واقعی G 530 بصورت دو بعدی و سه بعدی شبیه‌سازی و با نتایج تجربی اعتبارسنجی گردید. در آخر، عملگر پلاسما درونِ سطح پره‌های توربین عمود محور و بر روی تمام سطح آن‌ها بصورت متوالی و همزمان اعمال شد. نتایج نشان داد اعمال عملگر با این شرایط خاص، سبب تغییر الگوی جریان بر روی پره‌ی توربین بادِ واقعی شده و در نتیجه توان خروجی به میزان 3 درصد افزایش می‌یابد. نکته حائز اهمیت این است که توان در یک توربین بادی محور عمودی مقیاس واقعی با استفاده از تکنولوژی عملگر پلاسما می‌تواند افزایش یابد. همچنین اعمال عملگر درونِ سطح پره‌ها تاثیر در کارایی عملگر نخواهد داشت.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Power Improvement of a Commercial Large Scale Vertical-Axis Wind Turbine Using Plasma Actuators

نویسندگان [English]

  • Hamidreza Yazdani 1
  • Mohammad Sefid 2
1 Mechanical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
2 mechanical engineering yazd university yazd
چکیده [English]

The present study numerically investigates the feasibility of using multiple dielectric barrier discharge plasma actuators inside the surface of geometry as a novel approach for active flow control over a large vertical axis wind turbine. For this reason, the plasma actuator is modeled based on Suzen model and the results are validated. Then, a computational study is carried out on a commercial large scale vertical -axis wind turbine to examine the effect of the presence of the plasma actuator. The 530 G vertical-axis wind turbine is used as the baseline case. The plasma actuator was applied inside the surface of the blades of turbine and on all their surfaces in a sequential and simultaneous way. It is revealed that the use of multiple dielectric barrier discharge actuators could enhance the induced velocity; this affects the pressure distribution and increases the aerodynamic torque. Consequently, an averaged power increase of 3 % was achieved. Possibility of increase in wind turbine power even in a commercial scale large turbine has been proved by flow separation control using the plasma actuation technology. In addition, the application of the plasma inside the surface of the blades will not effect on its performance.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • active control
  • Plasma actuator
  • Commercial large-scale wind turbine
  • Vertical Axis Wind Turbine
[1] W. Europe, The European offshore wind industry—Key trends and statistics 2016, Wind Europe: Brussels, Belgium,  (2017) 37.
[2] C. Van Dam, D.E. Berg, S.J. Johnson, Active load control techniques for wind turbines, Sandia National Laboratories, University of California, USA, (2008).
[3] S.J. Johnson, J.P. Baker, C. VanDam, D. Berg, An overview of active load control techniques for wind turbines with an emphasis on microtabs, Wind Energy: An International Journal for Progress and Applications in Wind Power Conversion Technology, 13(2‐3) (2010) 239-253.
[4] A. Ebrahimi, M. Movahhedi, Wind turbine power improvement utilizing passive flow control with microtab, Energy (elsevier), 150 (2018) 575-582.
[5] M. Malik, L. Weinstein, M. Hussaini, Ion wind drag reduction, in:  21st Aerospace Sciences Meeting, Reno,NV,U.S.A., )1983( 231.
[6] S. Grundmann, S. Klumpp, C. Tropea, Experimental and numerical investigations of boundary-layer influence using plasma-actuators, Active Flow Control, Springer, )2007( 56-68.
[7] D. Orlov, T. Apker, C. He, H. Othman, T. Corke, Modeling and experiment of leading edge separation control using SDBD plasma actuators, in:  45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno,NV,U.S.A., )2007) 877.
[8] R. Sosa, G. Artana, E. Moreau, G. Touchard, Stall control at high angle of attack with plasma sheet actuators, Exp Fluids, 42(1) (2007) 143-167.
[9] R. Nelson, T. Corke, H. Othman, M. Patel, S. Vasudevan, T. Ng, A smart wind turbine blade using distributed plasma actuators for improved performance, in:  46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno,NV,U.S.A., )2008( 1312.
[10] D. Greenblatt, M. Schulman, A. Ben-Harav, Vertical axis wind turbine performance enhancement using plasma actuators, Renewable Energy, Elsevier, 37(1) (2012) 345-354.
[11] M. Kotsonis, R. Pul, L.L. Veldhuis, Experimental study on airfoil circulation control using plasma actuators, in:  31st AIAA Applied Aerodynamics Conference, San Diego, CA, )2013) 3164.
[12] H. Aono, T. Nonomura, M. Sato, A. Yakeno, K. Okada, Y. Abe, K. Fujii, Flow control using a DBD plasma actuator for horizontal-axis wind turbine blades of simple experimental model, in:  The 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI). Paper Ref, (2014).
[13] J.A. Cooney, C. Szlatenyi, N.E. Fine, The development and demonstration of a plasma flow control system on a 20 kW wind turbine, in:  54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, San Diego, California, USA, )2016( 1302.
[14] H. Matsuda, M. Tanaka, T. Osako, K. Yamazaki, N. Shimura, M. Asayama, Y. Oryu, Plasma Actuation Effect on a MW class Wind Turbine, International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems, 9(1) (2017).
[15] S. Naghib Zadeh,  Mesh Requirement Investigation for 2D and 3D Aerodynamic Simulation of Vertical Axis Wind Turbines, M.Sc. Thesis, Concordia University, )2013(.
[16] S. Lemire, H.D. Vo, M.W. Benner, Performance improvement of axial compressors and fans with plasma actuation, International Journal of Rotating Machinery, 2009 (2009).
[17] W. Shyy, B. Jayaraman, A. Andersson, Modeling of glow discharge-induced fluid dynamics, Journal of applied physics, 92(11) (2002) 6434-6443.
[18] D. Orlov, T. Corke, M. Patel, Electric circuit model for aerodynamic plasma actuator, in:  44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, (2006) 1206.
[19] Y. Suzen, G. Huang, J. Jacob, D. Ashpis, Numerical simulations of plasma based flow control applications, in:  35th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, Toronto, Ontario, Canada, (2005) 4633.
[20] S. Leonov, V. Bityurin, N. Savischenko, A. Yuriev, V. Gromov, Influence of surface electrical discharge on friction of plate in subsonic and transonic airflow, in:  39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno,NV,U.S.A., (2001) 640.
[21] J. Jacob, R. Rivir, C. Carter, J. Estevadeordal, Boundary layer flow control using AC discharge plasma actuators, in:  2nd AIAA Flow Control Conference, Portland, Oregon, (2004) 2128.
[22] M. Forte, J. Jolibois, J. Pons, E. Moreau, G. Touchard, M. Cazalens, Optimization of a dielectric barrier discharge actuator by stationary and non-stationary measurements of the induced flow velocity: application to airflow control. Exp Fluids, (2007) 917-28.