טורבינות רוח בקנה מידה מיקרו, המוגדרות בדרך כלל כטורבינות עם קוטר רוטר מתחת 10 מטרים וקיבולת פחות מ 10 קילוואט, צוברות אמצעי אנרגיה מבוזרים הן בסביבות עירוניות והן כפריות. הגודל הקומפקטי שלהן ופוטנציאל של ההתקנה הספציפית של האתר, הופכים אותם אטרקטיביים עבור משקי בית, עסקים קטנים ויישומים מרוחקים.עם זאת, יעילותם של טורבינות אלה - מחוזק כמו שבריר של אנרגיית הרוח הזמינה שהומרת לכדי כוח חשמלי - לעתים קרובות מאחורי פער מרכזי של תפקוד אווירי שטח גבוה יותר של מערכת אווירי, כלומר, כלומר, לא רק של תפקוד אווירי, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לא פחות גבוה יותר של תפקוד אווירי, כלומר, הוא רק של מערכות אווירי, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לא פחות גבוה יותר, כלומר, הוא רק של תפקוד גבוה יותר של תפקוד אווירי, כלומר, כלומר, לא פחות, כלומר, כלומר, לא רק של תפקוד אווירי, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הוא רק של תפקוד גבוה יותר של מערכות אבטחה גבוהה יותר של מערכת אבטחה גבוהה יותר של תפקוד אוויר רחב יותר של מערכות אבטחה, עם זאת, עם זאת, הוא רק של תפקוד אוויר רחב יותר של תפקוד אוויר רחב יותר של תפקוד אוויר רחב יותר של

המונחים: Boundary Layer Behavior

שכבת הגבול היא האזור של זרימת האוויר ליד משטח מוצק שבו המעבר במהירות הנוזלית מאפס על פני השטח (מצב ללא-Slip) למהירות זרם חופשי בקצה החיצוני.עבור להבים טורבינות רוח, שכבה זו יכולה להיות רק כמה מ"מבים עבה עדיין מפעילה השפעה עמוקה על הכוחות האירודינמיים של להרים וגרור.

Laminar vs. Turbulent Boundary Layers

בשכבה גבולית של לרנולדס, חלקיקים נוזליים נעים בתוך שכבות חלקות, מקבילות עם תערובת מינימלית.משטר זה מייצר חיכוך עור נמוך גרר אבל הוא לא יציב מטבעו; הפרעות קטנות יכולות לגרום מעבר להפרעות. שכבת טרמפנטית, לעומת זאת, מאופיינת על ידי כאבי עור עדינים כאוטיים ותערובת חזקה, אשר מגבירה את התנופה ליד פני השטח.

מספר ריינולדס ותפקידו

מספר ריינולדס (Re) הוא כמות שאינה ממדית המשווה כוחות פנימיים לכוחות מולקווס, המוגדרת כ- Re = ( ⁇ V L) / μ, שבו ⁇ הוא צפיפות אוויר, V הוא מהירות, L הוא אורך אופייני (אורך רגיל עבור להב), ו- μ הוא גם דינמי מול טורבינות רוח מיקרו-סול, כלומר, מספרים המבוססים על ריינולדס בדרך כלל בטווח של 10,000 עד מרחק נמוך יותר מ- 000 000 עדינים (reten) עד ל- 1 000), אך הם נתקלוריד (retens פחות מ- 000) אבל יותר מ- 000 000 000) ל- 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ל-retraa פחות מ-retraatra) 000) 000 000) יותר ל-retenretraatraatraatraatraatraatraatraatras יותר ל-hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh

כיצד שכבת ה-Boundary Layer Dynamics משפיעה על ביצועי מיקרו-Scale Wind Turbine

האינטראקציה בין התנהגות שכבת גבול וביצוע טורבינות באה לידי ביטוי באמצעות מספר מנגנונים קשורים: גרור, להרים, זרימת הפרדה, וגילוי היווצרות.כל אחד מהם משפיע על יעילות הכוח (Cp) ולכידת האנרגיה הכוללת של טורבינת.

שינויים בדרגות ו- Lift Modifications

דרג על להב טורבינה מורכב מצוואר חיכוך עור (קשור ישירות לשכבת גבול הלחץ של סנטימטר) ולחץ (בנוגע לזרימת הפרדה) בתנאים נמוכים-Re, שכבת גבול laminar עשויה להניב חיכוך עור נמוך, אך לחץ גדול גורר אם ההפרדה מתרחשת מוקדם.conversely, זרם של לחץ חיצוני יכול לשפר לחלוטין את הגבול עם לחץ גבוה יותר, אך יכול לעכב את הפחתת ההשפעה נטו על גבי ה- C על גבי זרם האנרגיה הרגיל (לצמצם) באופן קבוע יותר ל-לצמצם באופן קבוע (קליד) באופן קבוע יותר, אפילו ל- 10C) באופן קבוע, אפילו יותר, לחץ גבוה יותר, לחץ גבוה יותר, לחץ גבוה יותר, כלומר, לחץ גבוה יותר, לחץ גבוה יותר, לחץ גבוה יותר, לחץ על ידי לחץ גבוה יותר, לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה יותר, לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה יותר, לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה יותר, לחץ על ידי לחץ גבוה יותר, לחץ גבוה יותר, לחץ על ידי גלימה, לחץ על ידי גלימה (קלבקרובירבקרוביר חום לחץ על ידי לחץ גבוה יותר, לחץ גבוה יותר, לחץ על ידי גלימה לחץ גבוה יותר, לחץ

הפרדה ו Stall

הפרדה זרימה מתרחשת כאשר שכבת הגבול לא יכולה להתגבר על לחץ שלילי על הצד הבעיטה של הלהב.בטורבינה בקנה מידה מיקרו-scale, זה קורה לעתים קרובות בזווית נמוכה יותר של התקפה מאשר על להבים גדולים יותר בשל הסביבה הנמוכה של Rection טפסים a Wake אשר מפחיתה את המעלית ומגדילה - תופעה ידועה בשם ייצוב יכול להיות סטטי (הפעלת בזווית גבוהה של התקפה) או דינמיט, כי הוא עלול לגרום לעיכובים של שינוי דרמטי של תפקוד גופנים, במיוחד.

אפקטים ו Turbine Array Efficiency

במתקנים עירוניים או מבוזרים, טורבינות בקנה מידה מיקרו מסודרים לעתים קרובות בערכים קטנים על גגות או בחוות רוח.ההתנהגות של שכבת הגבול של כל להב ניזונים לתוך ההתעוררות הקרובה - האזור מיד במורד הזרם של הרוטור - ואת הרחוק להתעורר רחוק יותר למטה הרוח. A טורבינות שפועלת עם זרם מחובר לחלוטין, יעיל מייצרת גבול צר יותר, פחות סוער, אשר מועיל עבור מטהר של דינמיקה משמעותית, ולכן ירידה של רוחב, ולכן מופחתת, ירידה במערך רחב של שטף.

אתגרים ספציפיים עבור Micro-Scale Turbines

מעבר לעקרונות האירודינמיקה הכלליים, טורבינות רוח בקנה מידה מיקרו מתמודדות עם מגבלות ייחודיות המגבירות את החשיבות של התנהגות שכבת גבול:

  • [01:0]Low Reynolds: 1 כפי שצוין, Re בטווח של 104-105 יוצר משטר שבו בועות הפרדה מלנדר נפוצים ואורך שכבת הגבול הוא רגיש מאוד לחוספס פני השטח ולטרפוחיות זרם חופשי.
  • (FLT:0) עוצמת הזעזוע הגבוהה: FLT:1 עירונית סביבות לייצר רוחות סוערות עם שינויים מהירים במהירות ובכיוון.ההפרעה הנכנסת הזו עלולה לגרום לשינוי מוקדם או לגרום להפרדה מוקדמת, מה שהופך הנחות מצב קבועות לא יסולא.
  • (FLT:0Size ומגבלות הייצור:FLT:1 להבים קטנים מיוצרים לעתים קרובות באמצעות שיטות בעלות נמוכה (למשל, הזרקת עובש, הדפסה 3D) אשר תוצאה של פגמים פני השטח.אפילו גסות קטנה - על סדר של 50 מיקרומטר - יכול להזיז את שכבת הגבול כדי להתנגשות, שינוי ביצועים בדרכים קשות לחיזוי ללא ניתוח מפורט.
  • (FLT:0)Yaw misalignment:FLT:1 טורבינות מיקרו בקנה מידה לעתים קרובות חסר מערכות yaw פעיל, המוביל לזרימת מחוץ ל-Axis. זה יוצר שכבת גבול מזוקק שיכול לגרום דוכנים חלקיים ולהגדיל את הרטט.

אסטרטגיות ל-Boundary Layer control

מהנדסים פיתחו שיטות פאסיביות ופעילות כדי להתאים את התנהגות שכבת הגבולות על להבים טורבינות בקנה מידה מיקרו.הבחירה ביניהם תלויה בעלות, מורכבות, והסביבה התפעולית הספציפית.

טכניקות פאסיביות

שיטות פאסיביות משנות את פני הלהב או הגיאומטריה מבלי לדרוש קלט אנרגיה חיצוני.

  • (FLT:0) אלמנטים של גסות:FLT:1 באופן לא מודע להוסיף גסות (למשל, רצועות דמוי חול, פצעונים, או grooves) ליד הקצה המוביל יכול לזרז את שכבת הגבול מן laminar כדי להתנגש במיקום מבוקר כראוי.
  • (FLT:0) משקעים מתקדמים (bourcles):FLT:1 בהשראת דחפורים לווייתנים חמפיים, אלה פרוטורים הסינוסאידים לייצר מערבות זרמיות אשר ממריץ את שכבת הגבול, מעכב דוכנים ושיפור ביצועים לאחר stall. מחקרים על להבים טורבינות רוח קטנות הראו עלייה של 5 עד 10% במעלה גבוהה של התקפי התקפה.
  • (FLT:0 (Dimples and vortex גנרטורים:BuildFLT) 1 Shallow dimples (כמו אלה על כדור גולף) או גנרטורים קטנים מסוג וניל ניתן להציב על פני השטח ההתאבדות כדי לערבב אוויר חופשי גבוה-מומנטום לתוך שכבת הגבול.זה מגביר התנגדות להפרדה ללא עונש של זרימה סוערת לחלוטין.
  • <חזק>Blade shape Optimization: חלקי Airfoil שתוכננו במיוחד עבור ר נמוך (למשל, ה-S-series מ-NREL או סדרת DU מ- TU Delft) יש התפלגות לחץ המפחיתה ⁇ שלילי ולעודד זרימה מחוברת. Thinner סומבבבומי אוויר לעתים קרובות ביצועים טובים יותר מאשר חלקים עבים מסורתיים ב- Re < 100,000.
  • (FLT:0)Laminar זרימה שליטה באמצעות קוטורינג: אנדרל 1 (Gateph:1) Gradually accelerating את הזרם בחלק הקדמי של הלהב - חנון על ידי עיצוב זהיר של הקצה המוביל - יכול לשמור על זרימת laminar ולהפחית את החיכוך העור.עם זאת, על פני השטח חייב להיות חלק מאוד, אשר עשוי להיות מאתגר עבור ייצור זול.

טכניקות יעילות

בקרת זרימה פעילה משתמשת באנרגיה חיצונית כדי לתמרן את שכבת הגבול בזמן אמת, המציעה גמישות אך הוספת מורכבות ועלויות.דוגמאות רלוונטיות לטורבינות בקנה מידה מיקרו כוללים:

  • (FLT:0) מטוסים ניינטיים: FLT:1 Zero-net-mass-flux Actuators כי oscillate adiaphragm כדי לייצר מטוס פולד של אוויר דרך אור קטן או גדול.מטוסים אלה יכולים להזריק מומנטום לתוך שכבת הגבול, לחדש אותו ולמנוע הפרדה.
  • (FLT:0)Plasma Actuators: FLT:1 ; דיאלקטריק הפרשות פלזמה דיאלקטרי (DBD) פלזמה פועלי פלזמה מייצרים קיר-ג'ט של אוויר מוקרן אשר גורם כוח גוף על זרימת הדם.הם יכולים להיות מופעלים במהירות כדי לשלוט במעבר והפרדה.
  • (FLT:0) ענישה או מפוצץ: 1FLT (הסירה של נוזל נמוך-מומנטום משכבת הגבול דרך משטחים ⁇ (עונש) או הזרקת נוזל גבוה (החליפה) יכול לשמור על השכבה המצורפת.עונש הכוח הפרסיטי של המשאבה חייב להיחשב, אך עבור טורבינות קטנות, הרווח הנקי יכול להיות חיובי ברוח בלתי יציבה.
  • (FLT:0 ו-Vortex גנרטורים (VG): ibph:1 בעוד לעתים קרובות פסיבי, כמה עיצובים משתמשים קטן ונהנים פורסים או micro-flaps שניתן להתאים על בסיס מהירות רוח או זווית של התקפה. Active VGs יכול להיות מכוון למצב זרימה מיידית, פוטנציאל שיפור ביצועים בטווח רחב יותר.

תפקידה של Blade Materials and Surface Texture

הבחירה של חומר עבור להב טורבינות בקנה מידה מיקרו משפיע ישירות על שכבת הגבול דרך גסות פני השטח ואת היכולת לשמור על צורות אווירודינמיות מדויקות.

  • (ב) ⁇ :0) סיבים קארבון מורכב: FLT:1ve מציעים נוקשות גבוהה וסיום משטח חלק, אידיאלי עבור זרימת laminar.
  • (FLT:0)Fiberglass-reinforced פלסטיקs:03FLT) 1 איזון טוב של עלות וביצועים, אבל משטח מעיל ג'ל יכול להידרדר לאורך זמן, עלייה במגרעות.
  • (FLT:0)Polypropylene או ABS:FreaLT:1; Affordable וקל לעצב, אבל לעתים קרובות יש מרקם משטח טבועה בתהליך ההזרקה שעשויה להזיז את שכבת הגבול.
  • (ב) ⁇ :0 (במבוק) או במבוק: 1FLT) בשימוש במיקרו-טורפות מסוגים של די-זה; גרגר טבעי יכול ליצור גסות בלתי צפויה ודורש חולות זהירים.
  • (FLT:0) ,3D-printed פולימרים:FearLT:1 ייצור שכבתי חכם יוצר גסות על סדר 100-200 מיקרומטר, אשר יכול לשמש כטיול גס קבוע. Post-מעבד (vapor חלקה, חול) יכול לשפר את איכות פני השטח אבל מוסיף זמן ועלות.

מרקם פני השטח מתפתח גם על החיים של טורבינה בשל שחיקה מאבק, גשם, וחרקים מצטברים.זה מוביל למגבלה מוגברת, מעבר מוקדם יותר, והשפלה בביצועים. ציפויים קבועים לניקוי והגנה (למשל, סרטים פוליאורטיים) יכול להפחית את זה, אבל הנטל התחזוקה הנוסף עשוי להרתיע פריסה.

מודלים וניסויים

התנהגות שכבת גבול חיזוי של טורבינות רוח בקנה מידה מיקרו-ממדית היא מאתגרת בשל האינטראקציה המורכבת של ריבאט נמוך, זעזוע וגיאומטריה. דינמיקה של נוזל Computational נוזלי (CFD) היא הכלי העיקרי, אבל זה דורש התקנה קפדנית. RANS (הגירולינג-Avered Navered-Stokes) כמו k- ⁇ (Shear Transport) או מעבר רגיש יותר לשיטות גדולות יותר, לעתים קרובות מדי, אך משמשות יותר מדי, בעיקר לחיקוי גבוה יותר מדי, אך לעתים קרובות יותר מדי, אך ורק לדגמיון (Ricial) מודלים של פורמט של פורמט של ⁇ d NTRAD) של דיוק גבוה יותר, אך לעתים קרובות יותר, בעיקר עבור שיטות מורכבות יותר, בעיקר עבור עיצוב רגיל יותר, לעתים קרובות יותר, בעיקר עבור עיצוב רגיל יותר מדי, לעתים קרובות יותר מדי, כלומר, לעתים קרובות יותר מדי, לעתים קרובות יותר מדי, לעתים קרובות יותר, לעתים קרובות יותר מדי, עבור מודלים של ⁇ d).

בדיקת מנהרות הרוח נותרה חיונית לאימות.מחקרים רבים משתמשים במודלים בקנה מידה במנהרות בעלות הפרעות נמוכות, מדידת התפלגות לחץ על פני השטח, לעורר פרופילים, והנתונים על איזון כוח.עם זאת, תוך העתקת עוצמת הזעזוע הגבוה של סביבות עירוניות במנהרת רוח קשה; כמה חוקרים מעסיקים רשתות פעיל או ejectors כדי ליצור בדיקות שדה מציאותיות על גבי טורבינות מיקרו-אזוריות בפועל עוד יותר את המודלים אך נשלטים פחות.

(ההתפתחויות האחרונות כוללות סימולציה גבוהה של ג'ממות רטור מלא עם מומנטום אלמנט להב (BEM) הפיכה, המאפשר למעצבים לחזות תופעות שכבת גבול לאורך טווח הלהבים.הכולים המקוונים כמו FLT:0NREL של Airfoil DatabaseFLT:1 ו-FLT:2QBladeFLT 3 מספקים פלטפורמות נגישות לניתוח ראשוני לחשיפה נמוכה יותר ל-ADIFLT5B).

כיוונים עתידיים למחקר וטכנולוגיות מתפתחות

החיפוש אחר יעילות טורבינות גבוהה יותר מיקרו בקנה מידה הוא נהיגה חדשנות בניהול שכבת גבולות. אזורי מחקר מרכזיים כוללים:

  • (FLT:0) למידה של מחשב לשליטה בזמן אמת: ההרחבה Active Flow Systems המתאמת את סמך משוב חיישן (לחץ, הרהר, או הדמיה זרימה) מפותחת.רשתות ניליות יכולות ללמוד את האסטרטגיה האופטימלית של שינוי תנאי רוח שונים, פוטנציאל שיפור תשואה אנרגיה שנתית של 5-15%.
  • (FLT:0) משטחים ביומטיים:FreaLT:1 ; כריש-skin riblets, ציפור-אבי-עור השראה מיקרו-צמחובים, ומבנים בקנה מידה פרפר נבדקים כדי להפחית את המעבר לגרור ולעכב.
  • (FLT:0 Morphing blades:FLT:1 Blades שיכול לשנות צורה (למשל, באמצעות סגסוגת זיכרון בצורת או חלקים מנפחים) יכול להתאים את הסימון או לסובבים כדי לשמור על מצב שכבת גבול אופטימלי בטווח רחב של יחסי טיפ במהירות.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם בניית אווירודינמיקה: איור 1:1 עבור מתקנים עירוניים, שכבת הגבול על להב טורבינות אינטראקציה עם שכבת הגבול של הבניין עצמו להתעורר.מחקר מתמקד בקביעת טורבינות על גגות או בין מבנים שבהם הרוח מואצת, אבל את הזעזוע עדיין ניתן לנהל באמצעות עיצובים מתקדמים.
  • (FLT:0) חומרים מתקדמים עם חומרים מתפתלים: אנדרל 1 (שלב מערכות מיקרו-אלקטרוניקה-אלקטרוניקה (MEMS) או סיבים Bragg הגרים לתוך פני הלהב יכול לספק נתונים מבוזרים על מצב שכבת גבול, המאפשר שליטה סגורה-פרלופ ללא חיישנים חיצוניים.

בנוסף, (FLT:0) המשאב המקיף של אלשיו על זרימת גבולות שכבת זרימה של שכבת גבולות 1 מספק בסיס מוצק עבור חוקרים נכנסים לתחום זה.עבור מתרגלים המבקשים הנחיות עיצוב מעשי, FLT:2MDPI סקירת אנרגיה על טורבינות רוח קטנה טורבינות אווירודינמיקה FLT 3: הוא נקודת התחלה מצוינת.

מסקנה

התנהגות שכבתית Boundary אינה פרט היקפי בעיצוב טורבינות רוח בקנה מידה מיקרו-ממדי - היא מרכזית לכל החלטה אווירודינמית, מבחירת אוויר-פוי לטיפול על פני השטח.משטר מספר ה-Reynolds-Reynolds-inolds-Crexi-Crexi-indows-eratives-Reynolds-fluines-upal-inations-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-