اثر عملگر كنترل جريان پلاسما در بهبود عملكرد آيروديناميكي روتور توربين باد مگاواتي

Power improvement of a large horizontal-axis wind turbine by DBD plasma actuator

در اين پژوهش، امكان استفاده از عملگر پلاسما به‌عنوان ابزاري براي كنترل جريان روي پره‌ي روتور توربين باد محور افقي مگاواتي و افزايش توان خروجي آن بررسي شده است. براي اين‌كار، روتور توربين باد 5 مگاواتي مرجعِ ان.آر.اي.ال. انتخاب و عملگر پلاسماي دي‌.بي‌.دي. خطي در چند حالت مختلف، در نزديكي ريشه و نوك پره، قرارداده شده‌است. توربين باد موردنظر، از روش كنترل گام پره در سرعت‌هاي بادِ بالاتر از سرعت نامي توربين براي ثابت نگه‌داشتن توان خروجي استفاده مي‌كند و در سرعت‌هاي باد پايين‌تر، اين سامانه غيرفعال است. در اين پژوهش شرايط عملكردي بررسي‌شده براي توربين در سرعتي كمتر از سرعت نامي است كه سامانه كنترل گام پره غيرفعال است. عملگر پلاسماي دي‌.بي‌.دي از دو الكترود و ماده دي‌الكتريك مابين آنها تشكيل شده كه با اعمال ولتاژي به اندازه كافي بزرگ به الكترودها، ميدان الكتريكي در اطراف عملگر شكل مي‌گيرد و با يونيزه‌كردن هواي اطراف، جتِ جرياني در نزديك ديواره در اثر ميدان الكتريكي القا مي‌كند. اعتبارسنجي براي شبيه‌سازي اثر عملگر پلاسما و جريان روي پره روتور انجام‌شده و با نتايج مراجع مقايسه شده‌است. نتايج نشان مي‌دهد در تمامي حالت‌هاي مختلف قراردادن عملگر پلاسما روي پره، الگوي جريان در قسمت كنترل‌شده بهبود يافته كه منجربه بهبود توزيع فشار و درنتيجه افزايش گشتاور آيروديناميكي و توان خروجي توربين ‌شده‌است. بيشترين ميزان افزايش توان خروجي در حالتي رخ‌داده است كه عملگر در راستاي دهانه پره در نزديكي ريشه و در راستاي وتر پره قبل از ناحيه كم‌سرعت روي سطح بالايي مقطع پره نصب شده‌ است.

In this paper, boundary layer control technique is investigated on the NREL-5MW offshore baseline wind turbine blade with numerical simulation of linear DBD plasma actuator in a three-dimensional manner. This wind turbine uses pitch control system to adjust its generated power above its rated speed; but below that the controller is inactive. In the current study, operating condition is set such that the control system is off. Plasma actuator consists of two electrode and dielectric materials. One of these electrodes is connected with the air and another one is encapsulated with the dielectric material. When the necessary high-level AC voltage is applied to electrodes, electric field forms around the actuator and an induced wall jet forms with the ionization of the air around the actuator. Electrostatic model is applied to simulate the effects of plasma actuator and the resulted body force is inserted into flow momentum equations. In the present study, three different control cases are studied. Results show that in all cases, using this actuator leads to improvement of the velocity profile in controlled section, which influences on pressure distribution and results in rotor torque increment. Finally, increasing in torque leads to growth in produced power of the wind turbine. The highest increment in output power occurs when the actuator is installed near the root of the blade in the spanwise direction and before low-speed region in the chordwise direction.