عملكرد توربين باد محور افقي مقياس بزرگ در لايه مرزي اتمسفري و آشفتگي باد

Performance Analysis of a Large-Scale Wind Turbine in Wind Shear and Inflow Turbulence Conditions

در اين مقاله، عملكرد آيروديناميكي يك توربين باد محور افقي مرجع و مقياس بزرگ تحت اثر تغييرات باد ورودي به صفحه روتور ناشي از لايه مرزي اتمسفري و آشفتگي جريان باد ارزيابي شده است. مدل سازي جريان برشي باد به روش اختلاط طولي و براي تحليل آشفتگي باد از محاسبه سري هاي مبتني بر فركانس گردابه و سرعت ميانگين جريان استفاده شده است. نيروهاي آيروديناميكي روتور با روش اصلاح شده ممنتوم-المان پره ناپايا در شرايط نامي توربين محاسبه و اعتبارسنجي روش با نتايج توربين باد مرجع 5 مگاواتي NREL انجام شده است. پروفيل سرعت هاي ورودي به صفحه روتور با مقادير ضرايب زبري سطح 0/01 تا0/5 و آشفتگي در زبري 0/5با شدت يك تا 15 درصد بررسي شده اند. نتايج نشان داد، مقدار ميانگين توان در حالت بيشينه زبري، 160 كيلووات كاهش يافته است. افزايش شدت آشفتگي موجب غيريكنواختي در منحني تراست و گشتاور شده و در شدت آشفتگي 15 درصد، مقدار بيشينه نيروي تراست، 50 كيلونيوتن و مقدار كمينه آن 25 كيلونيوتن افزوده شده است. همچنين به بيشينه و كمينه گشتاور، به ترتيب مقدار 750 و 250 كيلونيوتن متر اضافه شده است.

In this paper, the effects of the atmospheric boundary layer as well as the inflow turbulence on the performance of a large-scale wind turbine are investigated. The reference wind turbine is the NREL 5 megawatts with a rotor diameter of 126 meters. Wind shear modeling is carried out using the mixing length theory. Due to the importance of turbulence analysis, the Sandia method is applied. According to the reference level, the roughness coefficients of 0.01, 0.2 and 0.5 and disturbances in the roughness of 0.5 with the intensity of 1, 5 and 15 percent are studied. The aerodynamic forces of the rotor are calculated based on the modified blade element momentum theory. The results show that in the case of maximum roughness the averaged output power is reduced to 160 kW. Moreover, at 15% turbulence intensity, 50 kN and 25 kN are added to the maximum/minimum thrust force value, respectively.