Verimli Rüzgar Enerji Üretimi Sistemleri Tasarımında Dinamik Phenomena
Rüzgar enerjisi, küresel geçişin temel taşı haline geldi, enerji üretimlerinin hareketini ve enerji akışının sabit analizini uygulayarak, yüksek verimlilik ve kütle taşıma tasarımcılarının yüksek verimlilikle elektrike dönüştürülmesi, mühendisler toplu taşıma fenomenleri olarak bilinen fiziksel ilkelerin bir setini geliştirmeli.Bu makale, temel teoriden gerçek dünyaya doğru ulaşım sistemlerinin mühendisliklerini nasıl yönlendirdiğini ve kütleli taşıma sistemlerini, temel teoriden gerçek dünyaya doğru bir şekilde inceler.
Transport Phenomena'nın Temelleri
Ulaşım fenomenleri üç temel disiplini içerir: sıvı dinamikleri, ısı transferi ve kütle transferi. rüzgar enerji sistemlerinde, bu disiplinler her ölçekte bir arada birbirine bağlı olarak – tüm rüzgar çiftliğini bir bıçak önde gelen kenarın mikroskobik erozyonuna etkiler.
Akışkanlar ve Hava Akış Davranışları
Akışkanlar dinamikleri, hava akışlarının ve rotor düzlemi aracılığıyla nasıl aktığını açıklar. Anahtar kavramlar, kütle, momentum ve enerji korumanın, Navier-Stokes denklemleri aracılığıyla ifade edilir. Pratikte, rüzgar türbini bıçakların davranışı, kenar katmanının davranışından dolayı kinetik enerji çıkarmak için tasarlanmıştır - bıçaklama, ayırma ve olay düzeltme oranı.
Modern hesaplama sıvı dinamikleri (CFD) mühendislere dönen bıçakların etrafında karmaşık üç boyutlu akışı simüle etmesine izin verir.Bu simülasyonlar, vortices, uyanma etkileşimleri ve atmosferik olmayan bir ortam koşulları. Örneğin, OpenIDE (LES) gibi büyük ölçekli simülasyonlar, tümleşik türleme tasarımı sağlayan öngörüler sağlar.
Jeneratör ve kapı bileşenleri
Heat transfer, rüzgar türbinlerinin güvenilirliği ve verimliliğinde hayati bir rol oynar. Jeneratör, şanzıman ve güç elektroniği tüm operasyon sırasında önemli termal yükler üretir.Spetrol olmadan, sıcaklıklar yukarıdaki maddi sınırlardan yükselebilir, aşınma ve yaşam süresini azaltır. Heat transferleri sağlam bileşenlerle birlikte gerçekleşir, yüzeylerden çevreye kadar konveksiyon yapılır.
Mühendisler, beklenen ısı yüklerini çeşitli rüzgar koşullarında eşleştirir. dişli türbinler için, petrol dolaşım sistemleri dişli ağ arayüzlerinden ısı çıkarır; doğrudan sürücü türbinleri için, geniş hava boşlukları ve pasif soğutma finleri yaygındır. Termal yönetim özellikle zorlu bir deniz ortamı haline gelir, tuz-laden hava değiştiricileri.
Mass Transfer: Blade Erosion'dan Icing
Rüzgar enerji sistemlerindeki kitlesel transfer, partiküllerin, nemlerin ve kimyasal türlerin taşınmasını içerir. Rain droplets, toz, tuz ve böcekler zamanla bıçakların önde gelen kenarlarını yukarı doğrular, yüzey kabalığını artırır ve aerodinamik verimliliği azaltır. Bu işlem, önde gelen kenar erozyonu olarak bilinen, yıllık enerji üretimini birkaç sentle azaltabilir. Benzer şekilde, soğuk iklimlerdeki bıçak profilinde ccretion, kilo verir ve tehlikeli buz atmasına neden olabilir.
erozyon oranı, partikül büyüklüğü, hız, etki açısı ve malzeme özellikleri bağlıdır. Mühendisler, ayak hasarını ve zamanlama bakımını tahmin etmek için erozyon fiziği ile birkaç sıvı dinamiği kullanır.For offshore türbinleri için, yüksek nem ve tuz spreyi korozyonu hızlandırır, kule ve alt yapı bileşenleri için sağlam kaplamalar ve katodik koruma gerektirir.
Blade Design için Gelişmiş Akışkanlar Dinamikleri
Bir rüzgar türbini bıçağının performansı, asansör, sürüklenme ve saldırı açısı tarafından yönetilir. Tasarımcılar, bıçak kesiti (havafoil) şekillendirir ve her radial istasyonda bir sürü havafoils kullanmayı geciktirirken, uzay ölçümleri ve rüzgar tünel testleri için merkezin yakınında doğrulanır.
Sınır Katman Kontrolü ve Vortex Jeneratörleri
Bıçak yüzeyinin üzerinde eklenmiş akışı korumak için, özellikle de kortek uzunluğunın büyük olduğu köke yakın, mühendisler genellikle vortex jeneratörlerini eklerler. Bu küçük fin-like cihazlar sınır katmanına doğru yerleştirilen, akış ve gecikmeli ayrılıklar.Mevcut türbin tasarımı hassas bir dengedir: çok büyük ve parasitik sürüklenmeler yaratırlar; çok küçük ve sınır tabakasını yeniden enerjilendirmeye başarısız olurlar.
Başka bir yaklaşım, düşük rüzgar hızlarında dağıtan sentetik jetler veya mikrotablar gibi aktif sınır katmanı kontrolü kullanımıdır. Bu teknolojiler hala araştırma aşamasındadır, ancak dinamik olarak akış koşullarını değiştirmek için bıçak aerodinamik durumu ile daha fazla kazanç vaat etmektedir.
Wake Effects and Wind Farm Layoutout
Türbinler birbirine yakınlaştığında, akkbinden gelen uyanmak rüzgar hızını azaltır ve alt birimlerin sabitliklerini arttırır.Bu etki, uyanma müdahalesi olarak bilinen, toplam çiftlik çıktısını spacing, arazi ve rüzgar yönüne bağlı olarak azaltılabilir. Transport events (örneğin, Jensen, Frandsen veya Gaussian modelleri) her tür bir tür yoğunluğu ve yoğunlukların gerisinde tahmin etmek için bir çiftliğe entegre edilir.
Gelişmiş kontrol stratejileri, uyanma direksiyonu gibi, kasten uyanmak için yüksek akış türbinini geri almak için. Field testleri inurFLT:0)wind güç mühendisliği) tesisleri, koordineli ya da kontrol kullanarak genel çiftlikteki% 1-3'ün potansiyel kazançlarını göstermiştir.Bu yaklaşım, ses sensörleri ve hızlı kontrol döngülerinden itibaren gerçek zamanlı verilere dayanıyor.
Heat Transfer Challenges and Solutions
Türbin derecelendirmeleri arttıkça - yeni deniz modelleri 15 MW'ı aşıyor - jeneratörler ve güç dönüştürücüleri üzerindeki termal yükler daha yoğun hale gelir. Direkt sürücü kalıcı mıknatıs jeneratörleri, hala bakır kayıplarından önemli ısı üretirken, demir kayıplar ve eddy akımları araştırır. Araştırmacılar, doğrudan petrol soğutmalarını da dahil olmak üzere, nacelle yapısını ısınmış ısı jeneratörleri olarak kullanırlar.
Güç Elektroniki
Güç dönüştürücü, tipik olarak nacelle veya kule üssünde bulunan, yüksek frekanslarda geçiş yapan bipolar transistörler (IGBTs) içerir. Bu cihazlar ısıyı önlemek için verimli bir şekilde kaldırılmalıdır. Sıvı soğutma döngüleri ile birlikte, soğuk plakalar ile ısıtılır.
Sıcak iklimlerde, hava sıcaklıkları 0.10C'yi aşabilir, hava soğutmalı radyatörlerin etkinliğini azaltabilir veya ısıtıcı ısı yükleri absorbe eden faz değiştirme malzemeleri içerebilir. Soğuk iklimler için, ısıtma elemanları kapanma sırasında soğuktan kaçınmak için gerekli olabilir.
Kompozit Bıçaklarda Termal Stresler
Bıçaklarda kullanılan kompozit malzemeler -tipik olarak camlar veya karbon fiber epoxy reçinesinde gömülü - metalik eklemelerden ve yıldırım koruma sistemlerinden farklı kat katlar. Sıcaklık gradients in the shower or cold fronts, caused by solar radyasyon or cold fronts, the sound analysis using finite elements methods components provides the intense functionalitylar. Sıcaklık gradyans. Sıcaklık gradyansiyonları ek olarak, beyaz veya yansıtıcı kaplamalar, güneş ışığından ısınarak ısınabilir, yüzeyinin ısınmasını azaltır.
Uzun Süreli Performans Üzerine Kitle Transferi Etkileri
Mass transfer erozyon ve icing ile sınırlı değildir. Ayrıca, nemlerin mikrokök veya bağ hattı kusurları aracılığıyla içilmesini içerir.Bir kez içeride, su dondurabilir, genişletilebilir ve daha fazla hasara neden olabilir. Vapor diffüzyon bıçakları ile nemlendirme oranlarını tahmin etmek ve etkili venting sistemleri tasarlamak gerekir. Bazı üreticiler şimdi sıvı su girişi önlemek için ne kadar tuzağa iner ne zaman.
Lider Edge Erosion ve Koruyucu Kaplamalar
Bıçak önde gelen kenarın Erosion, rüzgar çiftlikleri için en pahalı bakım sorunlarından biridir. Rain droplets 80 m /s üzerindeki bıçak ipucunu etkiler, yüzeydeki yüksek basınçlı şok dalgaları üretir.Bu erodes the Thur and elastomers, the underent Composite. Research atFLT:0)IRENA), erozyondan gelen yıllık enerji kayıplarının sert iklimlerde dönüşümler için% 5'e ulaşmasına işaret eder.
Icing: Fizik ve Mession
Türbin bıçakları üzerinde durgunken, süper soğuk su damlacıkları temasta donuyor. Buz şekli ağır bir şekilde havadan veya buzdan (ya dakırık buzdan) oluşan buz tabakasının her biri, deride gömülü olan elektrik ısıtmalı su damlacıklarını etkiler, sıcak hava kirliliğini azaltır ve buzulmasını azaltırken, buz tabakasının bu yüksek oranda azaltımının 15 mını azaltan buz tabakalarını azaltabilir.
Tasarım Implikasyonları ve Pratik Uygulamaları
Ulaşım fenomenleri doğrudan her büyük türbinin tasarımını etkiler. Blade tasarımcılar, monopiller etrafında scour için gerekli olan bir pompa taşıma fenomeni için gerekli olan güç eğrisi elde edilene kadar havafoil seçimine dikkat etmelidir. Tower tasarımcıları vortex shedding ve rüzgar yüklemesini düşünüyor, ki bu da akışkan-yapı etkileşimleri problemlerini kullanmalıdır.
Çiftlik Optimizasyonu Wake Modellerini Kullanmayı Değerlendirme
Uyanış modelleri ile geliştiriciler enerji kayıplarının en aza indirgenmesi için atlayabilirler.Yerel paketleme (toplayıcı kullanım alanları verimli) ve aydınlatma etkisini azaltan birçok ticari araç, ulusal laboratuvarlarda lisanslı taşıma modellerini araştırmak için kullanılır.
Yaw, Saha ve Tork Kontrol
Bir türbin kontrol sistemi bıçak atışını ve jeneratörü güvenle sınırlı yüklerken en üst düzeye çıkarmak için ayarlar. Düşük rüzgarda, bıçaklar aerodinamik teoriden elde edilen en uygun açılardan elde edilir; yüksek rüzgarda, eğimli akış, yüksek hızdan elde edilen aerodinamik kuvvetlerle çiftleşir.
Yenilikçi teknolojiler, Transport Phenomena tarafından şekillendirildi
Rüzgar enerjisi teknolojileri, mevcut sınırların ötesine geçmek için daha derin bir ulaşım fenomenlerini anlamak için daha derin bir anlayışa sahiptir. Akıllı bıçaklar sensörleri ile gömülür ve eylemciler yerel akış koşullarına yanıt olarak şeklini ayarlayabilirler. CFD veriler üzerinde eğitilmiş makine öğrenme algoritmaları, bilinmeyen akış senaryoları için en uygun kontrol ayarlarını tahmin edebilir. Lidar-equipped türbinlerin rüzgar alanını önizlemesi ve kontrollerini gusts vurmadan önce ayarlayabilir, yorgunluk yüklerini azaltır.
Yüzen Offshore Rüzgar Türbinleri
Yüzen platformlar rüzgar, dalgalar, akımlar ve yüzücü yapı arasındaki karmaşık akışkan etkileşimleri içerir. Tüm ulaşım etkileşim problemlerini bir araya getiren akışkan-yapım etkileşimi.Ayrıca, platformun hareketi, türbinlerin verimliliğini azaltan rotor üzerinde nonsteady aerodinamik etkiler sunar. Araştırma grupları şimdi çift aero-hidro-elastic simülatörü geliştiriyor.
Dikey Axis Rüzgar Türbinleri (VAWTs)
Yatay eksenli türbinlerden daha az yaygın olmasına rağmen, VAWT'ler, rüzgarın sık sık değiştiği şehir çatıları veya uzak konumlarda, Darrieus veya H-rotor VAWT'nin aerodinamikleri, farklı rüzgarlar yoluyla dönen her bıçak üzerinde dinamik bir tezgah içerir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Ulaşım fenomenleri, verimli rüzgar enerji hasat sistemlerinin tasarımı için bilimsel temel sağlar. Hava, termal enerji ve kütle hareketi ile mühendisler, güç dönüşüm bileşenlerinde ısıyı optimize edebilir ve çevresel bozulmadan bıçakları korurlar. Bu ilkeler, bir rüzgar çiftliğinin mikroskopu ile önde gelen bir kaplamanın mikroskobik dokusuna rehberlik eder.