Table of Contents

Вплив поверхневого текстури на підйом і перетягування в вітрових турбінних лезах

Вітрові турбіни стали основноюздатністю генерації відновлюваної енергії, проте загальна ефективність їх залишається ключовою зоною для поліпшення. Під час обробки леза і кута широко вивчені, вплив текстури поверхні на аеродинамічну продуктивність часто недооцінюється. Ця стаття розширюється на те, як текстура поверхні безпосередньо впливає на ліфт і перетягування - два керівні сили, які визначають, як ефективно леза перетворює вітер в обертальна енергія.

Аеродинамічні фонди: фт і драфт

Ліфт - аеродинамічна сила, що передається на вхідний напрямок вітру, що утворюється різницею тиску між верхнім і нижнім лезами поверхонь. Перетягнути діє паралельно потоку, що протиставляє рух леза. У вітротурбінних лезах, обертанні підйомних приводів, при цьому перетяг споживає енергію і зменшує вихід. Коефіцієнт ліфта (L / D) є критичним метричним: вище L / D означає кращу продуктивність.

Блуда аеродинаміка є дуже чутливою до граничної поведінки шару - тонкої області повітря, що прилягає до поверхні. Плавний, променевий крайовий шар знижує тертя шкіри, але схильний до поділу поблизу краю причепа, що веде до раптової краплі в підйомнику. Потенційні граничні шари, хоча вище в тертя шкіри, можуть довше триматися, затримуючи високий рівень і підтримуючи ліфт під більшими кутами атаки. Ця торгово-оф є де поверхнева текстура грає життєздатну роль.

Як поверхнева текстура впливає на шари з'єднання

Поверхнева текстура змінює розвиток граничного шару. Рюбелі, прищі, пази, а також інші мікро- або макро-текси можуть попускати потік від ламінару до турбулента при контрольованому місці. Таким чином, вони можуть запобігти передчасному поділі і посиленню ліфта, особливо при змінних вітрових умовах.

Ламінар проти турбулентного управління потоком

У ідеалі, відмінно гладкий леза буде звестися з мінімумом. Однак реальна робота включає пил, дощ і комах накопичення, що порушує гладкість. Інтенсивні текстури поверхні можуть бути інженеровані для створення вигідної турбулентності без зайвого тертя. Наприклад, акула-індиховані ребро (зрівняні з потоком) зменшити турбулентний тертя шкіри до 10%, обмежуючи перехресний імпульс обміну. Поперечно, припливи— такі на гольф-кулі—create тонкий турбулентний крайовий шар, який чіпляє до поверхні довше, тим самим збільшуючи ліфт під високими кутами атаки.

Технології ріжучих матеріалів

Рютунки є поздовжні пази, часто V-подібні або скальоповані, які ведуть по ходу леза пробігу. Вони широко досліджені для авіаційних і морських додатків. Для вітротурбін реброплівки можна застосувати ретроактивно до існуючих лез. Дослідження опубліковані в ]Журнал відновлюваної та сталого енергії показали, що ребро-криті леза можуть покращити річне виробництво енергії на 3% до 6%, залежно від умов вітру сайту. Механізм полягає в тому, що реброти модифікують біля стінових вих вих, зменшуючи при цьому не істотно впливає ліфт.

Прості

Десті візерунки створюють поверхню, яка впливає на граничний перехід шару. Депресії генерують невеликі вихати, які збільшують граничний шар, зберігаючи його довше. Це затримки високий і підвищує максимальний коефіцієнт підйому. Експерименти на ділянках леза з круговими прищами (глибина 0,5% від акорду) показали підвищення підйому до 8% і зменшення близько 12% при помірних кутах атаки, як повідомляються Wind Energy Science.

Вплив на продуктивність підйому та перетягування

Чистий ефект текстури поверхні залежить від точки роботи. При низьких кутах атаки (вігація безпосередньо під ножем), гладка поверхня може отримати найкращий L / D, оскільки тертя перетягну домінує. Як кут підвищується, текстурована поверхня, яка підтримує прикріплений потік може далеко від перерізу гладкою, яка розділяє. Для сучасних змінних-рожевих турбін це означає, що текстура поверхні може бути оптимізована для найбільш частої швидкості вітру, не просто пікових умов.

Зміна змін у крадіжці та перетягування

Наведено детальні дані про вітровугільні вимірювання та обчислювальну динаміку (CFD). Наприклад, дослідження 2019 року на повітряній основі DU 96-W-180 (одноразово використовується в великих турбінах) порівняно гладкі, розводять і дімпульовані поверхні. Підвищена поверхня збільшена максимальна коефіцієнт підйому від 1.45 до 1.62, а також розширена стиглий кут на 3°. Поверхня реблету зменшена мінімальна коефіцієнт перетягування 0,09, яка перекладається на відносне зменшення перетягів приблизно 8%. Обидва модифікації переміщено L / D на вершину до вищих кутів, що вигідно для турбін, що виникають змінні вітри.

Практичні рекомендації для виробництва леза

Некорпоративна текстура поверхні в дизайн леза передбачає багаторазові торгові марки.

Матеріал і покриття параметри

Текстуровані поверхні можна досягти за допомогою: (a) формовані текстури під час композитного фасування, (b) застосування клейових стрічок або стрічок, (c) друкованих або обприскувальних покриттів, або (d) лазерно-оціночних післявиробок. Кожен метод має вартість, довговічність, і наслідки маси. Для офшорних турбін, покриття повинні протистояти соляній корозії і УФ-деградації. Силіконові реброплівки показали обіцянку, що триває 5–7 років в польових випробуваннях.

Вплив ерозія провідного екзему

Згодом дощ, сін, і пісок ерод провідний край, часто пошкоджуючи навмисно застосовані текстури. Це деградує аеродинамічну продуктивність - студії вказують, що ерозійні леза можуть втратити 20% річної енергії виходу. Тому текстура поверхні повинна бути парована міцною ерозійною захистом, наприклад поліуретанові покриття або саккременціальні шари.

Зменшення шуму

Поверхнева текстура також впливає на аеродинамічний шум. Рюту і засиховані причепи краї зменшують турбулентно-генерований шум, який є критичним для на суші турбін поблизу зошитих зон. Дослідження Національною лабораторією відновлюваної енергії (NREL) виявили, що оптимізовані текстури поверхні можуть знизити рівень шуму на 2–4 дБА без аскремифікації продуктивності.

Кейсні дослідження та дані полів

Кілька реальних установок в реальному часі втілено переваги фактурних лез.

Приклад 1: ЛМ Вітер Потужність і РВВМ Плівки

У партнерстві з 3М вітровою потужністю наноситься реброплівка на лезах турбіни 2 МВт у Данії. За 12 місяців турбіна показала 4,7% збільшення річного виробництва енергії порівняно з базовою турбіною з стандартними плавними лезами. Плівка наноситься на зовнішній 60% довжини леза, де поверхневі оксамитові оксамитові властивості є найвищими.

Приклад 2: Університет Манчестера Дimple Study

Дослідники застосовуються прищі патерни до 500 Вт дрібного вітротурбінного леза і випробувані її в керованому вітровому тунелі. На 10 м/с швидкості вітру, розбірний лезо виробляється 12% більше потужності, ніж гладка версія. Однак, перевага знизилася на дуже низьких швидкості вітру, припускаючи, що текстура поверхні повинна бути пошита на вітрову троянду ділянки.

Комп’ютерні підходи до оптимізації поверхневого текстурування

Сучасний турбінний дизайн використовує CFD, пов'язані з алгоритмами оптимізації, щоб знайти ідеальні параметри текстури - глибина, ширина, сипка, розташування. Для ребристів, висота паза і сипка зазвичай в діапазоні 20-200 мкм, в залежності від кількості Reynolds. Діаметр глибині зазвичай на замовлення 1–5% від акорду. Багатоobjective оптимізації можуть балансувати ліфт, перетягнути, шум і вартість виробництва.

Дослідження 2022 в Поновлювана енергія] використовується генетичні алгоритми для оптимізації мікро-рибного візерунка для еталонної турбіни 5 МВт. Оптимізована текстура поліпшена L / D на 2,3% при номінальній швидкості вітру і зниженій чутливості до поверхневої фольги. Такі обчислювальні інструменти стають стандартними в циклах розробки леза.

Майбутні напрямки та дослідження

фактура поверхні - активний район досліджень. Дослідницькі тенденції відносяться:

Біо-інтерспіровані текстури

За межами аарккіну дослідники досліджують багатошарові поверхні листя (для самоочищення та зменшення перетягів) та метеликів (для контролю поділу витрат). Ці текстури можна відтворити за допомогою біоміметичних покриттів.

Активні текстури поверхні

Сплави з очистки або пирогелектричні активатори можуть дозволити лезам змінити їх текстуру поверхні у відповідь на умови вітру — смоят для низького вітру, розкопаного для високого вітру. Хоча в даний час експериментальні, ранні прототипи показують потенціал.

Інтеграція машинного навчання

Штучний інтелект може проаналізувати таратити операційних даних для рекомендувати налаштування в режимі реального часу на параметри поверхні (вентильовані активи) або для оптимізації прес-форми для наступного покоління.

Висновок

Поверхня текстури вітротурбінових лезах не менша деталь, але потужний важіль для підвищення аеродинамічної ефективності. До ретельно відібраних і інженерних фактур, таких як реброли або прищі, дизайнери можуть збільшити підйом, зменшити перетягування і підвищити енергію захоплення на кілька процентних пунктів - непривабливий приріст при масштабі по вітропарку. Як техніка виробництва заздалегідь і обчислювальні моделі стають більш точними, оптимізація текстури поверхні стане стандартною частиною дизайну леза, що сприяє зниженню вартості вітрової енергії і більш стійким майбутнім.

Для подальшого читання див. сторінки дослідження енергії вітру NREL, 3M промислові покриття для вітру, а Renewable Energy журнал для одно-оглядових досліджень на нозі аеродинаміки.