A1.1 - Realizarea studiului privind stadiul actual în domeniul controlului curgerii în turbinele eoliene (1 lună):
REZUMATUL ACTIVITĂŢII
În cadrul acestui proiect inovaţia constă în creşterea performanţelor unei turbine eoliene cu ax vertical de tip Darrieus cu ajutorul metodelor de control pasiv al curgerii. Pentru această optimizare va fi folosit flapsul Gurney pentru creşterea momentului aerodinamic al palelor turbinei. Astfel se urmăreste obţinerea unei turbine eoliene ce va avea o eficienţă cu peste 5% faţă de soluţiile existente pe piaţă. Metodele numerice utilizate în acest proiect au la bază rezolvarea sistemului de ecuaţii ale mişcării ce defineşte curgerea în jurul turbinei eoliene. Pentru evidenţierea aportului la cresterea eficienţei vor fi realizate analize numerice nestaţionare cu ajutorul softului comercial de CFD Ansys Fluent. Domeniul computaţional va fi împărţit în două subdomenii. Primul domeniu va fi declarat rotitor şi va conţine palele turbinei şi axul acesteia iar cel de al doilea va fi staţionar şi va reprezenta mediul din jurul turbinei. Rezultatele acestui studiu vor avea la baza variaţia coeficientului de moment pentru diferite turaţii ale turbinei la diferite viteze ale curentului. Deasemenea se vor reprezenta zonele de recirculare şi influenţa lor în randamentul turbinei.
Această activitate cuprinde un studiu privind situaţia actuală a turbinelor eoliene şi utilizarea metodelor de control al curgerii pentru creştere eficienţei unei turbine eoliene. În realizarea acestui studiu s-a urmărit lucrările ştiinţifice publicate de către cercetători în reviste şi jurnale ştiinţifice de specialitate. Accentul a fost pus pe metoda de control al curgerii şi influenţa sa în performanţele turbinei.
DESCRIEREA ŞTIINŢIFICĂ ŞI TEHNICĂ
În momentul de faţă, conversia energiei eoliene în energie electrică înregistrează o creştere rapidă şi semnificativă, aceasta reprezentând o sursa de energie inepuizabilă. Există două categorii de turbine eoliene: turbinele eoliene cu ax vertical şi turbinele eoliene cu ax orizontal.
Figura 1. Tipuri de turbine eoliene
Deşi turbinele eoliene cu ax vertical au coeficienţi de performanţă mai reduşi comparativ cu turbinele eoliene cu ax orizontal, acestea au diverse avantaje: produc energie in conditii de vant redus sau caracter turbulent, zgomot redus, costuri reduse de instalare si constructie, utilizare de tip casnic sau industrial, pornesc la viteze mai mici ale vantului si nu sunt dependente de directia/ turbulentele acestora, ocupa mai putin spatiu /suprafata de teren si se pot monta la sol sau pe cladiri. In acest studiu, s-a urmarit proiectarea unei turbine care sa produca electricitate la un pret cat mai mic posibil pe unitatea de energie. Pentru imbunatatirea performantelor acestor turbine inca din faze incipiente si contracararea dezavantajelor, se folosesc diverse metode de comanda si control pasiv (fara adaos de energie) activ (elemente extra si modificarea geometriei) ale curgerii fluidului[1]. In momentul de fata se folosesc urmatoarele dizpozitive pentru obtinerea de solutii optime ale acestor turbine: flaps-uri traditionale al bordului de fuga (traditional trailing edge flaps), flaps-uri netraditionale al bordului de fuga (nontraditional trailing edge flaps) ,trimere/placute (microtabs), effectors ale bordului de fuga in miniatura (miniature trailing edge effectors MiTEs), microflaps-uri/benzi active aerodinamice (active stall strips), generatoare de varteje (vortex generators), suflaj si suctiune/aspiratie (blowing and suction), dispozitiv de control al circulatiei (circulation control), motoare de comanda/dispozitiv e de actionare tip plasma (plasma actuators), jeturi generatoare de vartej (vortex generator jets), jeturi sintetice (synthetic jets), perete active flexibil, ( active flexible wall), profil aerodinamic cu geometrie schimbata ( shape change airfoil).
Ionescu et al. [2] a analizat diverse solutii de implementare a turbinelor cu ax vertical aplicate in domeniul naval, prezentand ca obiectiv minimizarea vibratiilor si incarcaturilor. Autorul a folosit urmatoarele solutii de control al curgerii: pasive (flaps-uri, fante, voleti de bord de atac)(flaps, slots and slats) si active (generatoare de vartej, fante fixe, flaps-ri Gurney si pale flexibile) (vortex generators, fixed slots, Gurney flap and flexible blades). Dupa analiza rezultatelor fiecarei solutii, varianta optima gasita a fost o combinatie intre flaps si fante.
Pechlivanoglou et al. [3] a propus si studiat diferite elemente de control al curgerii pentru a obtine o performanta ridicata a turbinei. Ulterior, a selectat dispozitivul optim de control al curgerii - Gurney flap si a cercetat numeric si experimental performanta acestei turbine.
Seifert et al. [4] a testat performanta turbinei eoliene cu ax vertical folosind diverse metode de control pasiv al curgerii. Printre acestea au fost utilizate jeturi instabile/ nestationare (unsteady jets) respectiv gauri forate pentru a permite jeturile sa fie create la comprimarea interiorului palelor. Iar Dumitrache et al. [5] a condus o analiza numerica folosind metoda de control al circulatiei (circulation control) curgerii bazata pe jet de suctiune (blowing jet). S-au studiat performanta dar si limitarile acestei metode si s-au propus diverse directii de cercetare.
Malael et al. [6] a cercetat eficienta turbinei eoliene cu ax vertical echipat cu flap Gurney dublu. S-a ajuns la concluzia ca aceast dispozitiv mareste performanta unei turbine doar pentru valori mari ale vitezei rotative a varfului palei ( TSR).
O alta lucrare de referinta apartine lui Frunzulica et al. [7] care a realizat o analiza numerica pentru patru metode de control al curgerii unei turbine cu ax vertical: doua pasive (Gurney flap si fanta) (Gurney flap si slot) si doua active (jet de suflaj al bordului de fuga "rotunjit" si jet sintetic activat periodic ) (blowing jet on the rounded trailing edge si synthetic jet periodically activated) folosind modelul SST. In acest studiu toate cele 4 dispozitive au potential de a creste eficienta turbinelor eoliene la valori scazute TSR. Configuratiile cu fanta si jet de sulfaj (slot si blowing jet) asigura o crestere a coeficientului de portanta.
Gurney flap functioneaza eficient in faza ascendenta. O combinatie ale acestor metode poate controla/ accentua fenomenul de dynamic stall in faza de start a turbinei, si folosirea configuratiei optime la o viteza rotative a varfului palei (TSR) mica poate creste performanta acestor turbine eoliene cu ax vertical.
În acest lucrare stiintifica, va fi testat doar un singur dispozitiv de control pasiv al curgerii, respectiv dispozitivul Gurney Flaps, prin folosirea modelelor matematice cu ajutorul software-ului ANSYS (ICEM CFD pentru generarea grilei de calcul si ANSYS Fluent pentru rezolvarea sistemului de ecuatii ce defineste curgerea) pentru a reduce rezistenta la inaintare, a creste portanta si a reduce zgomotul produs de curgere. GF-ul este un microtab atasat profilului aproape de bordul de fuga si a fost pentru prima data folosit de Dan Gurney la o masina de curse. Liebeck a fost primul cercetator care a aplicat primele experimente ale acestui flap intr-un tunel aerodinamic[8].
Figura 2. Profil aerodinamic cu si fara flapsul Gurney
Referinte:
[1] L. Rusu, T. Catarig, " Studiu experimental asupra turbinelor eoliene cu ax vertical echipate cu rotoare cu un singur etaj", Martie 2012
[2] R.D. Ionescu, I. Szava, S. Vlase, M. Ivanoiu, R. Munteanu, " Innovative solutions for portable wind turbines, used on ships", 8th International Conference Interdisciplinary in Engineering, INTER-EBG 2014, 9-10 October, Tirgu-Mures, Romania
[3] G. Pechlivanoglou, C.N. Nayeri, C.O. Paschereit, "Performance optimization of wind turbine rotors with active flow control", June 6-10, Vancouver, British Columbia, Canada
[4] A. Seifert, O. Stalnov, V. Troshin, M. H. Avnaim, "On the application of active flow control to wind turbines", July 2014, School of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Tel Aviv University, Israel
[5] A. Dumitrache, F. Frunzulica, H. Dumitrescu, V. Cardos, "Blowing jets as a circulation flow control to enhancement the lift of wing or generated power of wind turbine, February 2014
[6] I. Malael, R. Bogateanu, H. Dumitrescu, " Theoretical performance of double Gurney Flap equipped the VAWTs", 2012
[7] F. Frunzulica, H. Dumitrache, A. Dumitrache, " Numerical Investigation of Dynamic Stall Control", 2014
[8] S. Jain, N. Sitaram, S. Krishnaswamy, "Computational investigations on the effects of Gurney flap on airfoil aerodynamics", 2014
A1.2 - Stabilirea parametrilor de functionare(1 lună)
REZUMATUL ACTIVITĂŢII
Activitatea are la baza analiza pietei pe care o are beneficiarul serviciilor decontate prin cecul de inovare. Astfel se vor defini parametri ca putere, viteza nominală a vantului, numarul de pale, tipul profilelor aerodinamice utilizate pentru definirea palelor, etc. Pentru stabilirea acestor parametri se va tine cont de teoria din literatura de specialitate unde coeficientul de putere nu poate sa depaseasca valoare de 0.593 (limita lui Betz). Deasemenea se va analiza si dimensiunea flapsului Gurney ce va fi utilizat pentru controlul curgerii pe palele turbinei eoliene.
DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA
Pentru dezvoltarea turbinei cu Gurney Flap se stabilesc parametrii de functionare ale acesteia conform produsului industrial conceput de beneficiar, care este adaptat specificului Romaniei. Aceasta turbina eoliana este cu ax vertical si este de tip Lenz, bazata pe forta de rezistenta la inaintare. In figura 3 este prezentata aceasta turbina.
Figura 3. Turbina eoliana de tip Lenz (sursa: SC ROLIX IMPEX SERIES SRL)
Limita lui Betz este stabilita la maxim 59% din energia vantului (Cpmax teoretic). Pentru studiul actual, Cp este cel mult 0,3. Pentru o viteza nominala a vantului de 12m/s.
Coeficientul de putere (de performanta) Cp este determinat din puterea vantului la arborele turbinei. Ecuatia 1 reprezinta formula de estimare a puterii unei turbine eoliene.
unde, P
t este puterea vantului, ρ≈1.225 kg/m
3este densitatea aerului, S [m
2] este suprafata de referinta, V
∞ este viteza vantului si C
p este coeficientul de putere.
Tabelul 1. Parametrii de functionare pentru turbina eoliana cu ax vertical
Gurney Flap este un dispozitiv de control al curgerii pentru profile aerodinamice, folosit pentru a creste portanta sau rezistenta la inaintare. Acest dispozitiv consta intr-o placuta, pozitionata perpendicular pe bordul de fuga al profilului.
Aceasta lucrare stiintifica reprezinta o analiza numerica 2-D pentru a analiza efectul flap-ului Gurney asupra profilului aerodinamic folosing modelul SST. In mod normal dimensiunea GF-ului este 1-5% din coarda palei.
A1.3 - Generarea grilei de calcul si setarea conditiilor la limita(1 lună):
REZUMATUL ACTIVITĂŢII
Activitatea cuprinde procesul de generare a grilei de calcul pentru cele doua subdomenii, cel rotitor reprezentat de pale si ce statoric reprezentat de catre mediul din jurul turbinei. Pentru realizarea acestei discretizari va fi utilizat softul comercial Ansys Meshing pentru generearea grile nestrucurate cu elemente de tip patrulater si tri. In realizarea acestei grile se va tine cont de valoare lui Y+ la perete si rata de crestere a elementelor.
DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA
Domeniul si grila de calcul sunt create in Ansys Meshing. Cu ajutorul simularilor CFD (Computational Fluid Dynamics), se pot determina coeficientul de moment ce va fi folosit pentru determinarea coeficientului de putere. Ecuatiile sunt rezolvate cu ajutorul codului comercial Fluent. In figura 4 este prezentata grila de calcul pentru acest studiu.
Figura 4. Grila de calcul realizata cu Ansys Meshing
Pentru analiza GF-ului la un numar Reynolds de 1e06 se foloseste modelul de turbulenta SST (Menter's Shear Stress Transport) pentru a efectua simulari tranzitorii. Acest model consista in 2 ecuatii de transport, care fac parte din formularea clasica k-omega.
Ecuatia de transport pentru energia cinetica turbulenta k:
Ecuatia de transport pentru disipatia specifica ω:
A1.4 - Rezolvarea sistemului de ecuatii ce defineste curgere(2 luni):
REZUMATUL ACTIVITĂŢII
Aceasta activitate consta in utilizarea softului comercial de CFD pentru rezolvarea ecuatiilor de continuitate, impuls si energie ce definesc miscare in jurul turbinei eoliene. Pentru ca sistemul de ecuatii sa poata fi rezolvat se va utiliza modelul de turbulenta SST (Shear Stress Transport).
DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA
Un prim pas in setarea cazului in softul de CFD Ansys Fluent este reprezentat de importul grilei de calcul, verificarea calitatii si setarea tipului de analiza(stationara sau nestationara).
Primul model de turbulentă complet a fost introdus de Kolmogorov în 1941 - k-?. Unde ? este rata specifică de disipare a energiei cinetice turbulente. Forma în care este definit elimină functiile la perete folosite pentru calcularea parametrilor ce guvernează curgerea în vecinătatea peretilor. Acest model presupune utilizarea unei grile de calcul mai eficientă în zona stratului limită. Modelul este extrem de sensibil la variatia conditiilor initiale astfel variatii mici ale ? în sectiunea de intrare influenteaza drastic rezultatele finale. F.R. Menter a construit în 1999 modelul k-? SST (Shear Stress Transport). Acesta fiind o combinatie între modelul k-e standard si modelul k-?, folosind k-e pentru zona curgerii libere considerată total turbulentă si modelul k-? pentru stratul limită. Trecerea de la un model la celalalt este asigurată prin utilizarea unor functii de racordar care activează formularea k-e sau k-? în functie de zonă si prin introducerea unui termen difuziv în ecuatia de transport a lui ?.
Setarile cazului in Ansys Fluent sunt prezentate mai jos in tabelul 2.
Tabel 2. Setări caz în solverul ANSYS-Fluent
Ultimul pas consta in setarea pasului de timp si a numarului de subiteratii pentru care consideram ca solutia este convearsa. O solutie este convearsa atunci cand sunt atinse valorile pentru rezidurile ecuatiei de continuitate, viteza, energie si rata de disipatie setate in capitolul setarea rezidurilor.
Figura 5. Evolutia rezidurilor
Figura 6. Variatia coeficientului de moment
A1.5 - Post procesarea datelor numerice(1 lună):
REZUMATUL ACTIVITĂŢII
Aceasta etapa va cuprinde etapele de post procesare a datelor numerice obtinute in urma analizelor din activitate A1.4. Se vor analiza zonele de recirculare si influenta lor asuprea performantelor turbinei eoliene. Deasemenea va fi urmarita variatia coeficientului de moment pentru diferite valori ale vitezei vantului. In urma acestei activitati se va realiza caracteristica de functionare a turbinei care va consta in reprezentarea grafica a variatiei coeficientului de putere functie de TSR (tip speed ratio, raportul vitezelor la varful palei).
DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA
În lucru...
