Investigation on fluctuating forces on horizontal axis wind turbines due to tower shadow effect

Abstract

In order to assess aerodynamic performance of wind turbines an in house Blade Element Momentum (BEM) code is developed in Python programming language. Blade element momentum theory is a powerful tool to predict aerodynamic performance of wind turbines and it requires relatively low computational time compared to other aerodynamic performance analysis tools. Therefore, it is frequently used by wind turbine manufacturers especially, at the initial design phase. In this method, wind turbine blade is divided into multiple stations and it is assumed that there are no aerodynamic interactions between these stations. Blade element computations are performed for a given wind speed, rotational speed, blade radius, number of blades, airfoil profiles, twist angle and chord length along the blade span. Aerodynamic data, related to airfoils are taken from experimental studies in the literature. Later, airfoil data were updated by integrating National Renewable Energy Laboratory (NREL) airfoilprep.py tool to in house BEM code. Airfoilprep.py contains stall delay model and Viterna extrapolation. Stall delay model refers to correction of 2D airfoil data to account 3D effects caused by rotation of blades. Viterna extrapolation is used to extend airfoil foil data obtained from experiments or computational tools to 360o angle of attack range since wind turbines often operate at high angles of attack values. Finally, interaction of rotor and tower to power production is implemented in BEM code. Effect of tower presence is modelled by applying potential flow to non-rotating cylinder. Lastly, results obtained from BEM simulations are compared with the data obtained from NREL's Phase VI unsteady experimental study.

Rüzgar türbini kanatlarının aerodinamik performans analizlerini gerçekleştirmek için Pal Elemanı Yöntemi ile Python programlama dili kullanılarak bir tasarım aracı geliştirilmiştir. Pal Elemanı Metodu, diğer analiz yöntemlerine kıyasla zamandan tasarruf etmesi bakımından ve doğru sonuçlar vermesi sebebi ile rüzgar türbini üreticileri tarafından -halen- ilk tasarım aşamalarında kullanılmaktadır. Pal Elemanı Metodu'nda, türbin kanadı birbirleri ile aerodinamik etkileşimleri bulunmayan elemanlara bölünmektedir. Türbin kanadının aerodinamik performans analizleri, girdi olarak verilen rüzgar hızı, dönme hızı, kanat yarıçapı, kanat sayısı, kanat profili özellikleri (airfoil), veter uzunluğu ve burkulma açıları baz alınarak yapılmaktadır. Kanat profillerinin aerodinamik özellikleri literatürde bulunan deneysel verilerden elde edilmiştir. Daha sonraki aşamada, kanat profillerinin aerodinamik özellikleri National Renewable Energy Laboratory (NREL)'ın airfoilprep.py tasarım aracı kullanılarak güncellenmiştir. NREL'in airfoilprep.py tasarım aracı, Tutunma Kaybının Gecikmesi (Stall Delay) ve Viterna Ekstrapolasyon modellerini içermektedir. Tutunma Kaybının Gecikmesi modeli, türbin kanadının dönmesinin sonucu olarak; tutunma kaybının (stol) gecikmesini ve buna bağlı olarak kaldırma ve sürüklenme katsayılarının iki boyuttaki (2B) statik ölçümlere göre farklılık göstermesini ifade etmektedir. Viterna Ekstrapolasyon modeli ise kanat profillerinin aerodinamik katsayılarının daha yüksek atak açıları için ekstrapolasyonunu açıklamaktadır. Bunlara ek olarak, analizlerde Prandtl'in Pal Ucu Kaybı Fonksiyonu ve Glauert'in emprik düzeltmesi kullanılmıştır. Son olarak, türbin kanadı ve kule etkileşiminin güç üretimine olan etkisi incelenmiştir. Kule-kanat etkileşimi, silindir etrafındaki potansiyel akım ile modellenmiştir. Pal elemanı modeli kullanılarak elde edilen kule-kanat etkileşiminin sonuçları deneysel verilerle karşılaştırılmıştır.