風力タービンブレードのリフトとドラッグの面テクスチャの影響

リフトとドラッグパフォーマンスへの影響

表面テクスチャの純効果は、動作点によって異なります。攻撃の低角度(直接刃に直面している)では、摩擦が引き分けされるため、滑らかな表面は最高のL / Dをもたらすかもしれません。 角度が上がるにつれて、添付フローを維持したテクスチャード面は、分離する滑らかなものを得ることができます。 現代の可変ピッチタービンでは、表面テクスチャーが最も頻繁に風速のために最適化される可能性があることを意味し、それは単にピーク条件ではありません。

リフトとドラッグの定量変更

風洞測定と計算式流体力学(CFD)シミュレーションは、詳細なデータを提供しました。例えば、DU 96-W-180エアフォイルに関する2019の研究(大タービンで一般的に使用される)は、滑らかで、破砕された表面と比較していました。 膨張した表面は、最大上昇を1.45から1.62に増加し、また、3°による固定角度を広くしました。 肋骨係数は、最小ドラッグ0.0015で低減され、それは変動する変動の低下に大きく変化します。

刃物加工の実践的検討

刃の設計に表面テクスチャを組み込むことで、複数のトレードオフが伴います。

素材・コーティングのオプション

テクスチャー表面は、複合材の敷設中に(a)成形されたテクスチャー、(b)粘着フィルムやテープの塗布、(c)印刷またはスプレーコーティング、または(d)レーザー彫刻ポストプロダクションによって達成することができます。各方法は、コスト、耐久性、および重量の含浸を持っています。オフショアタービンでは、コーティングは塩水およびUV分解に抵抗しなければなりません。シリコーンベースのリブレットフィルムは、約束を示し、5〜7年フィールドを持続させます。

リードエッジ浸食の影響

時間が経つにつれて、雨、雹、砂がリードエッジを経ち、意図的に適用されるテクスチャを傷つけることがよくあります。この劣化は、空気力学的性能を低下させる - スタディは、侵食されたブレードが毎年のエネルギー出力の20%を失う可能性があることを示しています。したがって、表面テクスチャはポリウレタンコーティングや犠牲的な層などの強力な侵食保護と組み合わせなければなりません。

騒音低減

表面テクスチャは、空力騒音にも影響します。 ライツとサーベイトされたトレースエッジは、流域周辺のオンショアタービンにとって重要なターブレンス生成ノイズを削減します。 最適化された表面テクスチャが、犠牲にすることなく2–4 dBAによって騒音レベルを低下させることができることがわかりました。

ケーススタディとフィールドデータ

複数の実世界の取付けは風化した刃の利点を検証しました。

例1:LM風力とRibletフィルム

3MのLMの風力はデンマークの2 MWタービンの刃に肋骨のフィルムを加えました。12か月以上、タービンは標準的な滑らかな刃が付いているベースライン タービンと比較される年次エネルギー生産の4.7%の増加を示しました。フィルムは刃の長さの60%に、表面velocitiesが最も高い加えられました。

例2:マンチェスター・ディンプル・スタディ大学

研究者は500 Wの小さな風力タービンブレードにディンプルパターンを適用し、制御された風洞でそれをテストしました。 10 m /秒の風速で、希釈されたブレードは、滑らかなバージョンよりも12%の電力を生産しました。 しかし、非常に低い風速で利益が減少し、表面テクスチャはサイトの風速に調整する必要があります。

表面テクスチャを最適化するための計算的アプローチ

現代のタービン設計は、最適化アルゴリズムと組み合わせたCFDを使用して、理想的なテクスチャパラメータ、幅、間隔、配置。リブレットの場合、溝高さと間隔は、通常、レイノルズ番号に応じて20〜200μmの範囲で、あります。ディンプル径と深さは通常、コードの1〜5%の順序で。多岐にわたる最適化は、リフト、ドラッグ、騒音、製造コストのバランスをとることができます。

[]で2022の研究で再生可能なエネルギー[は5 MW参照タービンのためのマイクロリブパターンを最適化するために遺伝子アルゴリズムを使用しました。 最適化されたテクスチャは、定格風速で2.3%によってL / Dを改善し、表面への加硫に対する感度を低下させました。 このような計算ツールは、ブレードの設計サイクルで標準になっています。

今後の方向性・先見研究

表面テクスチャは、研究の有効領域です。 新興傾向は次のとおりです。

バイオインスパイアされたテクスチャ

シャークスキンを超えて、研究者は蓮葉面(自洗浄・ドラッグダウン)と蝶スケールパターン(フロー分離制御用)を探索しています。これらのテクスチャは、バイオミメティックコーティングを使用して再現することができます。

アクティブ・サーフェスのテクスチャ

形状記憶合金や圧電気アクチュエータは、ブレードが風条件に反応して表面テクスチャを変更できるようにすることができました。低風のため、高風のために薄くなります。現在実験的ですが、初期のプロトタイプは潜在的を示しています。

マシン学習の統合

人工知能は、運用データのテラバイトを分析し、表面パラメータ(埋め込みアクチュエータ)へのリアルタイム調整を推奨したり、次世代のブレード金型を最適化したりすることができます。

コンテンツ

風力タービンブレードの表面の質感は、わずかな詳細ではなく、空力効率を向上させるための強力なレバーです。 慎重にリブレットやディンプルなどのテクスチャを選択およびエンジニアリングすることにより、デザイナーはリフトを増加させ、ドラッグを削減し、いくつかのパーセンテージポイントによるエネルギーのキャプチャを増加させることができます。風力のある農場をスケールアウトするとき、非trivialゲイン。 製造技術が進歩し、計算されたモデルがより正確になるように、表面テクスチャの最適化はブレード設計の標準的な部分になり、風力エネルギーのコストを削減し、将来の持続可能な未来に貢献します。

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