पवन टरबाइन ब्लेड में लिफ्ट और ड्रैग पर भूतल बनावट का प्रभाव

पवन टरबाइन ब्लेड में लिफ्ट और ड्रैग पर भूतल बनावट का प्रभाव

पवन टरबाइन अक्षय ऊर्जा उत्पादन का एक मुख्य आधार बन गया है, फिर भी उनकी समग्र दक्षता सुधार के लिए एक महत्वपूर्ण क्षेत्र बनी हुई है। जबकि ब्लेड आकार और कोण का व्यापक रूप से अध्ययन किया जाता है, वायुगतिकीय प्रदर्शन पर सतह की बनावट का प्रभाव अक्सर कम हो जाता है। यह लेख विस्तार करता है कि कैसे सतह की बनावट सीधे लिफ्ट और ड्रैग को प्रभावित करती है - दो शासी शक्तियां जो यह निर्धारित करती हैं कि ब्लेड हवा को घूर्णन ऊर्जा में कैसे परिवर्तित करता है।

वायुगतिकीय फंडामेंटल: लिफ्ट और खींचें

लिफ्ट आने वाली हवा की दिशा में लंबवत वायुगतिकीय बल है, जो ऊपरी और निचले ब्लेड सतहों के बीच दबाव अंतर द्वारा उत्पन्न होता है। ड्रैग प्रवाह के समानांतर कार्य करता है, ब्लेड की गति का प्रतिरोध करता है। पवन टरबाइन ब्लेड में, लिफ्ट ड्राइव रोटेशन, जबकि ड्रैग ऊर्जा का उपभोग करता है और उत्पादन को कम करता है। लिफ्ट-टू-ड्रैग अनुपात (एल / डी) इसलिए एक महत्वपूर्ण मीट्रिक है: उच्च एल / डी का मतलब बेहतर प्रदर्शन है।

ब्लेड वायुगतिकी सीमा परत व्यवहार के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं - सतह के निकट हवा का पतला क्षेत्र। एक चिकनी, laminar सीमा परत त्वचा घर्षण को कम कर देती है लेकिन यह पीछे की बढ़त के पास अलगाव की संभावना है, जिससे लिफ्ट में अचानक गिरावट आती है। एक अशांत सीमा परत, हालांकि त्वचा घर्षण में अधिक, लंबे समय तक संलग्न रह सकती है, स्टाल में देरी कर सकती है और हमले के उच्च कोणों पर लिफ्ट को बनाए रख सकती है। यह व्यापार बंद वह जगह है जहां सतह की बनावट एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

कैसे सतह बनावट सीमा को प्रभावित करता है

सतह की बनावट सीमा परत के विकास को बदल देती है। राइब्ट्स, डिंपल्स, ग्रूव्स और अन्य सूक्ष्म- या मैक्रो-टेक्स्चर्स एक नियंत्रित स्थान पर लमिनार से turbulent तक के प्रवाह की यात्रा कर सकते हैं। ऐसा करके, वे समय से पहले अलगाव को रोक सकते हैं और लिफ्ट को बढ़ा सकते हैं, खासकर परिवर्तनीय हवा की स्थिति में।

Laminar बनाम Turbulent फ्लो मैनेजमेंट

आदर्श परिस्थितियों में, एक पूरी तरह से चिकनी ब्लेड ड्रैग को कम करेगा। हालांकि, वास्तविक दुनिया के आपरेशन में धूल, बारिश और कीट संचय शामिल है जो चिकनीपन को बाधित करता है। अत्यधिक घर्षण को रोकने के बिना जानबूझकर सतह बनावट को लाभप्रद अशांति बनाने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, शार्क-प्रेरित पसलियों (प्रवाह के साथ गठबंधन) पार-स्ट्रीम गति विनिमय को सीमित करके 10% तक अशांत त्वचा घर्षण को कम करता है। इसके विपरीत, डिंपल्स - जैसे गोल्फ बॉल पर उन - एक पतली अशांत सीमा परत बनाते हैं जो सतह पर लंबे समय तक चिपक जाती है, जिससे हमले के उच्च कोणों पर लिफ्ट बढ़ जाती है।

राइब्ट प्रौद्योगिकी

राइब्ट्स अनुदैर्ध्य खांचे हैं, अक्सर वी-आकार या स्कैलप्ड होते हैं, जो ब्लेड स्पैन के साथ चलते हैं। वे विमानन और समुद्री अनुप्रयोगों के लिए बड़े पैमाने पर शोध किए गए हैं। पवन टरबाइन के लिए, रिफ्लेट फिल्मों को मौजूदा ब्लेड के लिए retroactive रूप से लागू किया जा सकता है। अध्ययन में प्रकाशित अक्षय और सतत ऊर्जा के जर्नल] ने दिखाया है कि रिफ्लैट-कवर ब्लेड साइट पवन स्थितियों के आधार पर 3% से 6% तक वार्षिक ऊर्जा उत्पादन में सुधार कर सकते हैं। तंत्र यह है कि राइफल्स निकट-दीवार के वार्टिस को संशोधित करते हैं, ड्रैग को कम करते हुए लिफ्ट को काफी प्रभावित नहीं करते हुए।

डिंपल

डिंपल पैटर्न एक सतह बनाते हैं जो सीमा परत संक्रमण को प्रभावित करते हैं। अवसाद छोटे vortices उत्पन्न करते हैं जो सीमा परत को ऊर्जा प्रदान करते हैं, इसे लंबे समय तक संलग्न रखते हैं। यह देरी स्टाल को बढ़ाती है और अधिकतम लिफ्ट गुणांक को बढ़ाती है। परिपत्र डिंपल्स (चर्ड का गहराई से 0.5%) के साथ ब्लेड अनुभागों पर प्रयोग ने 8% तक की लिफ्ट वृद्धि और हमले के मध्यम कोण पर लगभग 12% की ड्रैग कमी को प्रदर्शित किया, जैसा कि Wind एनर्जी साइंस ]] में रिपोर्ट किया गया।

लिफ्ट और खींचें प्रदर्शन पर प्रभाव

सतह बनावट का शुद्ध प्रभाव ऑपरेटिंग बिंदु पर निर्भर करता है। हमले के निचले कोणों (विजेता सीधे ब्लेड का सामना करना पड़ता है) पर, एक चिकनी सतह सबसे अच्छा एल / डी उत्पन्न कर सकती है क्योंकि घर्षण ड्रैग हावी है। चूंकि कोण बढ़ता है, एक बनावट वाली सतह जो संलग्न प्रवाह को बनाए रखती है, एक चिकनी सतह को दूर कर सकती है जो अलग हो जाती है। आधुनिक परिवर्तनीय-पिच टर्बाइनों के लिए, इसका मतलब यह है कि सतह की बनावट को सबसे अधिक लगातार हवा की गति के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, न कि सिर्फ चोटी की स्थिति।

लिफ्ट और खींचें में परिवर्तन को क्वांटिफाइड करना

पवन सुरंग माप और कम्प्यूटेशनल तरल गतिशीलता (CFD) सिमुलेशन ने विस्तृत डेटा प्रदान किया है। उदाहरण के लिए, एक DU 96-W-180 एयरफोइल (आम तौर पर बड़े टर्बाइनों में इस्तेमाल) पर अध्ययन किया गया था, जिसमें चिकनी, रिफ्लैट और डिम्पलेड सतहों की तुलना की गई थी। dimpled सतह ने 1.45 से 1.62 तक अधिकतम लिफ्ट गुणांक को बढ़ाया और 3 ° तक स्टाल कोण को चौड़ा किया। रिफ्लैट सतह ने न्यूनतम ड्रैग गुणांक को 0.0015 तक घटा दिया, जो मोटे तौर पर 8% की सापेक्ष ड्रैग कमी का अनुवाद करती है। दोनों संशोधनों ने उच्च कोणों की ओर L/D चोटी को स्थानांतरित कर दिया, जो टर्बाइनों के लिए फायदेमंद है।

ब्लेड विनिर्माण के लिए प्रैक्टिकल विचार

ब्लेड डिजाइन में सतह की बनावट को शामिल करने में कई व्यापार-बंद शामिल हैं।

सामग्री और कोटिंग विकल्प

बनावट सतहों के माध्यम से हासिल किया जा सकता है: (a) मिश्रित layup के दौरान ढाला बनावट, चिपकने वाली फिल्मों या टेपों (c) मुद्रित या छिड़काव कोटिंग, या (d) लेजर उत्कीर्णन बाद उत्पादन. प्रत्येक विधि में लागत, स्थायित्व और वजन प्रभाव होता है। अपतटीय टरबाइन के लिए, कोटिंग्स को नमक के पानी के जंग और यूवी गिरावट का विरोध करना चाहिए। सिलिकॉन आधारित रिफ्लैट फिल्मों ने वादा दिखाया है, जो फील्ड परीक्षणों में 5-7 साल तक चल रहा है।

लीडिंग-एज इरोज़न का प्रभाव

समय के साथ, बारिश, हवाला देते हैं और रेत अग्रणी किनारे को नष्ट कर देते हैं, अक्सर जानबूझकर लागू बनावट को नुकसान पहुंचाते हैं। यह वायुगतिकीय प्रदर्शन को कम करता है-छात्रों का संकेत है कि कटा हुआ ब्लेड वार्षिक ऊर्जा उत्पादन का 20% खो सकते हैं। इसलिए, सतह की बनावट को मजबूत कटाव संरक्षण के साथ जोड़ा जाना चाहिए, जैसे कि पॉलीयूरेथेन कोटिंग या sacrificial परतें।

शोर में कमी

सतह की बनावट भी वायुगतिकीय शोर को प्रभावित करती है। राइब्ट्स और दाँतेदार ट्रेलिंग किनारों को उग्रता उत्पन्न शोर को कम कर देता है, जो जनसंख्या वाले क्षेत्रों के निकट तटवर्ती टरबाइनों के लिए महत्वपूर्ण है। राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा प्रयोगशाला (NREL) द्वारा एक अध्ययन में पाया गया कि अनुकूलित सतह बनावट प्रदर्शन के बिना 2-4 डीबीए द्वारा शोर के स्तर को कम कर सकती है।

केस स्टडीज और फील्ड डेटा

कई वास्तविक दुनिया की स्थापनाओं ने बनावट वाले ब्लेड के लाभों को मान्य किया है।

उदाहरण 1: एलएम विंड पावर और राइलेट फिल्म

3M के साथ साझेदारी में, LM विंड पावर ने डेनमार्क में 2 मेगावाट टरबाइन के ब्लेड पर पसलियों की फिल्म लागू की। 12 महीने से अधिक, टरबाइन ने मानक चिकनी ब्लेड के साथ बेसलाइन टरबाइन की तुलना में वार्षिक ऊर्जा उत्पादन में 4.7% की वृद्धि देखी। फिल्म को ब्लेड की लंबाई के बाहरी 60% पर लागू किया गया, जहां सतह की वेग उच्चतम है।

उदाहरण 2: मैनचेस्टर डिंपल स्टडी विश्वविद्यालय

शोधकर्ताओं ने एक 500 डब्ल्यू छोटे पवन टरबाइन ब्लेड के लिए डिंपल पैटर्न लागू किया और इसे नियंत्रित पवन सुरंग में परीक्षण किया। 10 मीटर / एस हवा की गति पर, dimpled ब्लेड ने चिकनी संस्करण की तुलना में 12% अधिक शक्ति का उत्पादन किया। हालांकि, लाभ बहुत कम हवा की गति पर कम हो गया, यह सुझाव दिया कि सतह की बनावट को साइट की हवा के गुलाब के अनुरूप होना चाहिए।

भूतल बनावट को अनुकूलित करने के लिए कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण

आधुनिक टरबाइन डिजाइन, अनुकूलन एल्गोरिदम के साथ मिलकर, आदर्श बनावट मापदंडों को खोजने के लिए CFD का उपयोग करता है - गहराई, चौड़ाई, रिक्ति, व्यवस्था। पसलियों के लिए, नाली की ऊंचाई और रिक्ति आम तौर पर 20-200 μm की सीमा में होती है, जो रेनॉल्ड्स संख्या पर निर्भर करती है। डिंपल व्यास और गहराई आमतौर पर 1–5% chord के आदेश पर होती है। मल्टी-ऑब्जेक्टिव ऑप्टिमाइज़ेशन लिफ्ट, ड्रैग, शोर और विनिर्माण लागत को संतुलित कर सकते हैं।

2022 में अध्ययन Raviary Energy[ में एक 5 मेगावाट संदर्भ टरबाइन के लिए एक माइक्रो-रिब पैटर्न को अनुकूलित करने के लिए आनुवंशिक एल्गोरिदम का इस्तेमाल किया। अनुकूलित बनावट ने रेटेड हवा की गति पर 2.3% तक एल / डी में सुधार किया और सतह के दूषण के लिए संवेदनशीलता को कम किया। इस तरह के कम्प्यूटेशनल उपकरण ब्लेड डिजाइन चक्र में मानक बन रहे हैं।

भविष्य निर्देशन और चल अनुसंधान

भूतल बनावट अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है। उभरते रुझानों में शामिल हैं:

जैव प्रेरित बनावट

इसके अलावा, शोधकर्ता कमल पत्ती की सतहों (स्वयं सफाई और ड्रैग कमी के लिए) और तितली पैमाने के पैटर्न (प्रवाह अलगाव नियंत्रण के लिए) की खोज कर रहे हैं। इन बनावटों को जैव-आनुवांशिक कोटिंग का उपयोग करके दोहराया जा सकता है।

सक्रिय सतह बनावट

आकार-मेमोरी मिश्र धातु या पीज़ोइलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर ब्लेड को हवा की स्थिति के जवाब में अपनी सतह की बनावट को बदलने की अनुमति दे सकते हैं - कम हवा के लिए चिकनी, उच्च हवा के लिए dimpled। हालांकि वर्तमान में प्रयोगात्मक, प्रारंभिक प्रोटोटाइप संभावित दिखाते हैं।

मशीन लर्निंग एकीकरण

कृत्रिम बुद्धिमत्ता परिचालन डेटा के terabytes का विश्लेषण कर सकती है ताकि सतह के मापदंडों (इंबेद किए गए actuators के माध्यम से) को वास्तविक समय समायोजन की सिफारिश की जा सके या अगली पीढ़ी के ब्लेड मोल्डों को अनुकूलित किया जा सके।

निष्कर्ष

पवन टरबाइन ब्लेड की सतह बनावट एक मामूली विस्तार नहीं है बल्कि वायुगतिकीय दक्षता में सुधार के लिए एक शक्तिशाली लीवर है। सावधानी से चयन और इंजीनियरिंग बनावट जैसे कि राइफल्स या डिंपल्स द्वारा, डिजाइनर लिफ्ट को बढ़ा सकते हैं, ड्रैग को कम कर सकते हैं और कई प्रतिशत बिंदुओं से ऊर्जा कैप्चर को बढ़ा सकते हैं - पवन खेत में स्केल किए जाने पर एक गैर-त्रिभोज लाभ। विनिर्माण तकनीकों के विकास और कम्प्यूटेशनल मॉडल अधिक सटीक हो जाते हैं, सतह की बनावट अनुकूलन ब्लेड डिजाइन का एक मानक हिस्सा बन जाएगा, जो पवन ऊर्जा की कम लागत और अधिक टिकाऊ भविष्य में योगदान देगा।

आगे पढ़ने के लिए, ]NREL पवन ऊर्जा अनुसंधान पृष्ठ , 3M औद्योगिक कोटिंग्स के लिए पवन , और R अक्षय ऊर्जा पत्रिका ] ब्लेड वायुगतिकी पर सहकर्मी से समीक्षा अध्ययन के लिए।