A vertical-axis rotor as the adjusting system of a horizontal axis wind turbine

• Autorzy: Augustyn Marcin

Identyfikatory

DOI

10.37705/TechTrans/e2020009

Warianty tytułu

PL

Wirnik o osi pionowej jako układ regulacji turbiny wiatrowej o poziomej osi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The proposed self-adjusting mechanism consists of a carousel rotor with a vertical axis consisting of two kinematically connected flat blades. The torque of this rotor can change the position of the directing unit and additionally the position of the main propeller in order to direct the wind stream or save the main rotor when the wind is too strong. The theory, principles of operation, and the properties of the self-adjusting system were illustrated by formulas and graphs. Based on research conducted in a boundary layer wind tunnel, the values of the aerodynamic coefficients of the flat blades were determined, and then the power and propeller torque of the rotor were found as a function of the angle of wind attack. Acomputational procedure provides kinematical and force relations as well as the resulting torque diagrams of the rotor. An example of the use and the design structure of a self adjusting unit in the case of a horizontal axis wind turbine is presented.

PL

W artykule zaprezentowano nowatorskie rozwiązanie zespołu samonaprowadzania na kierunek wiatru turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu, składające się z dwułopatowego, karuzelowego wirnika o pionowej osi obrotu i dwupozycyjnego mechanizmu nastawczego. Na podstawie przeprowadzonych badań w tunelu aerodynamicznym wyznaczono wartości współczynników aerodynamicznych łopaty płaskiej wirnika dwułopatowego turbiny naprowadzającej, a ich wartości zobrazowano na wykresach. Przedstawiono procedurę obliczeniową mocy oraz momentu napędowego wirnika zespołu samonaprowadzania w zależności od kąta działania wiatru. Wyniki obliczeń pokazano na wykresach. Zaprezentowano budowę i zasadę działania turbiny naprowadzającej, a także propozycję wykorzystania jej jako zespołu samonaprowadzania na kierunek wiatru z jednoczesnym zabezpieczeniem wirnika głównego HAWT przed nadmiernymi obrotami przy silnym wietrze.

Słowa kluczowe

EN

self-adjusting system; horizontal axis wind turbine; propelling torque; vertical axis wind turbine; wind rotor

PL

układ naprowadzenia; turbina wiatrowa o poziomej osi; moment napędowy; turbina wiatrowa o pionowej osi; wirnik wiatrowy

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki
• Czasopismo: Technical Transactions
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 117, iss. 1
• Strony: art. no. e2020009
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., wz., tab., wykr., il.

Twórcy

autor

Augustyn Marcin

• Institute of Machine Design, Cracow University of Technology

Bibliografia

• Hau, E. (2013). Wind turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Berlin: Springer Verlag.
• Müller, G. F., Jentsch, M., Stoddart, E. (2009). Vertical axis resistance type wind turbines for use in buildings. Renewable Energy, 34, 1407–1412.
• Bausas, M. D., Danao, L. A. M. (2015). The aerodynamics of a camber-bladed vertical axis wind turbine in unsteady wind. Energy, 93, 1155–1164.
• Ferreira, C. J. S., Van Bussel, G. J. W., Van Kuik, G. A. M., Scarano, F. (2011). On the Use of Velocity Data for Load Estimation of a VAWT in Dynamic Stall. J. Sol. Energy Eng, 133(1), 011006 1–8.
• Howell, R., Qin, N., Edwards, J., Durrani, N. (2010). Wind tunnel and numerical study of a small vertical axis wind turbine. Renewable Energy, 35, 412–422.
• Ismail, M. F., Vijayaraghavan, K. (2015). The effects of aerofoil profile modification on a vertical axis wind turbine performance. Energy, 80, 20–31.
• Li, Q. et al. (2015). Effect of number of blades on aerodynamic forces on a straight-bladed Vertical Axis Wind Turbine. Energy, 90, 784–795.
• Edwards, J. M., Danao, L. A. M., Howell, R. J. (2012). Novel Experimental Power Curve Determination and Computational Methods for the Performance Analysis of Vertical Axis Wind Turbines. J. Sol. Energy Eng, 134(3), 031008 63–78.
• Hure, N. et al. (2015). Optimal wind turbine yaw control supported with very short-term wind predictions. In IEEE International Conference on Industrial Technology (pp. 385–391), Seville.
• Xisto, C. M., Pascoa, J. C., Trancossi, M. (2015). Geometrical Parameters Influencing the Aerodynamic Efficiency of a Small-Scale Self-Pitch High Solidity VAWT. Journal of Solar Energy Engineering, 138(3), 10.
• Ahmed, S. (2011). Wind energy: theory and practice. New Delhi: PHI LearningPvt.
• Burton, T., Jenkins, N., Sharpe, D., Bossanyi, E. (2001). Wind Energy Handbook. New York: John Wiley & Sons.
• Dakin, E., Priyavadan, M., Hopkins, A. (2011). Catching the Wind – An Update on Improved Yaw Alignment. In Proceedings of EWEA. Brussels.
• Islam, M., Ting, D. S. K., Fartaj, A. (2008). Aerodynamic models for Darrieus-type straight-bladed vertical axis wind turbines. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12, 1087–1109.
• Dongran Song, et al. (2017). A novel wind speed estimator-integrated pitch control method for wind turbines with global-power regulation, Energy, 138, 816–830.
• Kjellin, J., Eriksson, S., Bernhoff, H. (2013). Electric Control Substituting Pitch Control for Large Wind Turbines. J. Wind Energy, 1–4.
• Rossander, M., Goude, A., Eriksson, S. (2017). Critical speed control for a fixed blade variable speed wind turbine. MDPI Energies, 10(11), 1–21.
• Yang, J. et al. (2016). Comparative studies on control systems for a two-blade variable-speed wind turbine with a speed exclusion zone. Energy, 109, 294–309.
• Wei, X., Pan, Z., Liping L. (2015). Wind tunnel experiments for innovative pitch regulated blade of horizontal axis wind turbine. Energy, 91, 1070–1080.
• Eriksson, S., Bernhoff, H., Leijon, M. (2008). Evaluation of different turbine concepts for wind power. Renewable and Sustainable Energy Review, 12, 1419–1434.
• Pope, K., Dincer, I., Naterer, G. F. (2010). Energy and exergy efficiency comparison of horizontal and vertical axis wind turbines. Renewable Energy, 35, 2102–2113.
• Ryś, J., Augustyn, M. (2015). Patent. Zespół samonaprowadzania turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu na kierunek wiatru. P.219834.
• Flaga, A., Kłaput, R., Augustyn, M. (2016). Wind tunnel tests of two free-standing lighting protection masts in different arrangements with surroundings roof objects and roof conditions. Engineering Structures, 124, 539–548.
• Ryś, J., Augustyn, M. (2013). Innovative construction of 3-component aerodynamic balance. In A. Muc, M. Barski, P. Kedzioria (Eds.), Advanced Materials in Machine Design – Key Engineering Materials (pp. 171–177), Trans Tech Pubn 542.

Uwagi

Section "Mechanics"

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).