풍력 터빈 블레이드의 리프트 및 드래그에 표면 질감의 영향

리프트 및 드래그 성능에 대한 영향

표면 질감의 순 효력은 운영 점에 달려 있습니다. 공격 (날씨를 직면하는 바람)의 낮은 각에, 매끄러운 표면은 마찰 끌기 dominates 때문에 제일 L/D를 산출할지도 모릅니다. 각 증가로, 붙어 있는 교류를 유지하는 짜임새 표면은 분리되는 매끄러운 것을 극단합니다. 현대 변하기 쉬운 피치 터빈을 위해, 이것은 지상 질감이 가장 빈번한 풍속을 위해 낙관될 수 있다는 것을 의미합니다, 다만 최고봉 조건.

리프트 및 드래그의 양화 변화

풍력 터널 측정 및 계산 유체 동적 (CFD) 시뮬레이션은 상세한 데이터를 제공했습니다. 예를 들어, 2019는 DU 96-W-180 공기 역학 (대형 터빈에서 사용 가능)에 대한 연구가 부드럽고, 무수한 표면과 단순 표면과 비교했습니다. 단순 표면은 1.45에서 1.62까지의 최대 리프트 계수를 증가시키고 3°의 섀도 각도를 폭 넓게 넓혔습니다. 늑골 표면은 0.0015의 최소 드래그 계수를 감소시키고, 이는 L/D의 변화가 증가하는 터빈의 변화가 증가하는 데 도움이되는 것입니다.

블레이드 제조에 대한 실용적 고려

블레이드 디자인에 표면 질감은 여러 거래 오프를 포함합니다.

물자와 코팅 선택권

텍스처링 표면은 다음과 같이 달성 될 수 있습니다: (a) 복합재의 성형 질감, (b) 접착제 필름 또는 테이프의 응용, (c) 인쇄 또는 살포 코팅, 또는 (d) 레이저 조각 포스트 생산. 각 방법에는 비용, 내구성, 무게 침식이 있습니다. 해상 터빈에 대 한 코팅 소금물 부식 및 UV 분해에 저항 해야 합니다. 실리콘 기반 리브 릿 필름은 약속, 테스트 필드에서 5~7 년 지속.

납땜 Edge의 충격

시간이 지남에 따라 비, 해일 및 모래는 주요한 가장자리를, 수시로 의도적으로 적용되는 짜임새를 삭제합니다. 이 degrades 공기 역학 성과는 eroded 잎이 연례 에너지 산출의 20%를 잃을 수 있다는 것을 나타냅니다. 그러므로, 표면 짜임새는 폴리우레탄 코팅 또는 희생적인 층과 같은 튼튼한 부식 보호로, 쌍이어야 합니다.

소음 감소

표면 질감은 또한 공기 역학 소음에 영향을 미칩니다. 늑골과 serrated trailing 가장자리는 포화된 지역 근처의 해안 터빈을 위해 중요한 turbulence 생성된 소음을 감소시킵니다. 최적화된 표면 질감이 희생적인 성과 없이 2–4 dBA에 의하여 소음 수준을 낮출 수 있다는 것을 발견한 국가 재생 에너지 실험실 (NREL)에 의하여 학문.

사례 연구 및 분야 데이터

몇몇 진짜 세계 임명은 짜임새 잎의 이점을 검증했습니다.

예 1: LM 풍력 및 리브레트 필름

3M과 파트너십에서 LM 풍력은 덴마크에서 2 MW 터빈의 블레이드에 늑골 필름을 적용했습니다. 12 개월 이상, 터빈은 표준 부드러운 블레이드와 기본 터빈과 비교하여 연간 에너지 생산의 4.7% 증가를 보여주었습니다. 영화는 블레이드 길이의 외부 60 %에 적용되었으며 표면 적층이 가장 높습니다.

예 2 : 맨체스터의 대학 Dimple 연구

연구자들은 500 W 작은 풍력 터빈 블레이드에 희미한 패턴을 적용하고 제어 된 풍력 터널에서 테스트했습니다. 10 m / s 풍속에서, 부드러운 버전보다 12% 더 많은 힘을 생산하는 간결 블레이드. 그러나, 표면 질감이 사이트의 바람에 맞게되어야한다는 것을 제안하는 매우 낮은 풍속에서 이익을 감소했습니다.

표면 질감 최적화에 따른 Approaches

현대 터빈 디자인은 최적화 알고리즘을 사용하여 CFD를 사용하여 이상적인 질감 매개 변수를 깊이, 폭, 간격, 배열을 찾습니다. 늑골, 강저 높이 및 간격은 일반적으로 Reynolds 번호에 따라 20 ~ 200 μm의 범위에서 있습니다. 단순 직경과 깊이는 일반적으로 chord의 1 ~ 5 %의 순서에 있습니다. 멀티 베어링 최적화는 리프트, 드래그, 소음 및 제조 비용을 균형 잡을 수 있습니다.

Renewable Energy는 5 MW 참고 터빈에 대한 마이크로 리브 패턴을 최적화하는 유전자 알고리즘을 사용합니다. 최적화된 질감은 정격 풍속에서 2.3%에 의해 L/D를 개선하고 표면의 fouling에 민감도를 감소시킵니다. 이러한 계산 도구는 블레이드 디자인 사이클에서 표준이됩니다.

미래 지향과 Ongoing 연구

Surface texture는 연구의 활동 분야입니다. Emerging 동향은 다음을 포함합니다:

Bio-inspired 텍스트

상어 골목을 넘어 연구자들은 복부 잎 표면을 탐험하고 있습니다 (자세한 세척 및 드래그 감소) 및 나비 가늠자 본 (흐름 분리 제어 용). 이 질감은 생물막성 코팅을 사용하여 복제 할 수 있습니다.

활동 표면 Textures

모양 기억 합금 또는 압전 액추에이터는 낮은 바람을 위한 바람 상태에 응답에 있는 그들의 지상 짜임새를 바꾸기 위하여 잎을 허용할 수 있었습니다, 그러나 높은 바람을 위해 여드름. 현재 실험적인, 초기 시제품은 잠재력을 보여줍니다.

기계 학습 통합

인공 지능은 표면 매개 변수 ( 임베디드 액추에이터를 통해) 또는 차세대 블레이드 금형을 최적화하는 데 실시간으로 조정을 권장하기 위해 운영 데이터의 테라 바이트를 분석 할 수 있습니다.

관련 기사

풍력 터빈 블레이드의 표면 질감은 미성년자이지만, 공기역학 효율성을 개선하기위한 강력한 레버가 아닙니다. 늑골 또는 여드름과 같은 신중하게 선택 및 엔지니어링 질감으로 디자이너는 리프트를 증가시키고 드래그를 줄이고, 풍력 농장에서 스케일을 갖는 비trivial 이득을 여러 비율로 에너지 캡처를 높일 수 있습니다. 제조 기술 발전 및 computational 모델이 더 정확하고 표면 질감 최적화는 블레이드 디자인의 표준 부분이 될 것이며, 풍력 및 지속 가능한 미래의 더 낮은 비용으로 기여합니다.

더 읽기를 위해 NREL 풍력 에너지 연구 페이지], ]3M 바람에 대한 산업 코팅, 그리고 Renewable Energy journal]]] 블레이드 공기역학에 대한 피어 - 리뷰 연구에 대한.