Assessment of flange diffuser structures to improve the power generation of a diffuser augmented wind turbine

• Autorzy: Klistafani Yiyin , Yunus Shiddiq A. M. , Anshar Muhammad , Suwasti Sri

Identyfikatory

DOI

0.15199/48.2022.04.05

Warianty tytułu

PL

Ocena konstrukcji dyfuzorów kołnierzowych w celu poprawy wytwarzania energii w turbinie wiatrowej ze wspomaganiem dyfuzorem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Wind energy has become the most popular renewable based power plant for the last decades due to its environment benighted and large natural availability. Although modern wind turbine successfully installed worldwide, some areas with low speed wind characteristic might require a special innovation to increase the amount of conversion of extracted wind energy into electric power. One of among popular techniques for the low speed wind turbine is Diffuser Augmented Wind Turbine (DAWT) which are continued to develop from time to time for example by using numerical simulation as an early stages before manufacturing. In this paper a numerical simulations are performed to investigate the effect of attached flange on wind velocity characteristics. Numerical simulations were carried out for the flow field around various flange diffuser type structures to improve the performance of a DAWT. The present studies specifically investigate the effect of attached flange to outlet diffuser with various flange’s angle (0°, 10°, 20°, 30°) on the wind velocity characteristics. Numerical studies were conducted using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. The studies demonstrate that the curved diffuser with flange 10° generates the strongest increment of the wind velocity compared to the other configurations. The maximum velocity inside the diffuser increases up to 115.14%. It is found that the wind velocity at the diffuser centreline is not capable to represent the overall velocity of each section. The curved diffuser with flange 10° shows the highest increment of the average wind velocity along diffuser with the greatest increment of 102.4 % at x/L = 0.36, and the highest increment wind velocity at the diffuser centreline section at x/L = 0.18 is 115.14%.

PL

Energia wiatrowa stała się najpopularniejszą elektrownią wykorzystującą odnawialne źródła energii w ciągu ostatnich dziesięcioleci ze względu na zaciemnione środowisko i dużą naturalną dostępność. Chociaż nowoczesne turbiny wiatrowe są z powodzeniem instalowane na całym świecie, niektóre obszary o niskiej prędkości wiatru mogą wymagać specjalnej innowacji w celu zwiększenia ilości konwersji wydobytej energii wiatru na energię elektryczną. Jedną z popularnych technik dla turbin wiatrowych o niskiej prędkości jest turbina wiatrowa z dyfuzorem (DAWT), która jest od czasu do czasu rozwijana, na przykład przy użyciu symulacji numerycznej jako wczesnych etapów przed produkcją. W artykule przeprowadzono symulacje numeryczne w celu zbadania wpływu przymocowanego kołnierza na charakterystykę prędkości wiatru. Przeprowadzono symulacje numeryczne pola przepływu wokół różnych konstrukcji typu kołnierzowego dyfuzora, aby poprawić wydajność DAWT. Obecne badania w szczególności badają wpływ zamocowania kołnierza do dyfuzora wylotowego o różnym kącie kołnierza (0°, 10°, 20°, 30°) na charakterystykę prędkości wiatru. Badania numeryczne przeprowadzono metodą obliczeniowej dynamiki płynów (CFD). Z przeprowadzonych badań wynika, że zakrzywiony dyfuzor z kołnierzem 10° generuje najsilniejszy przyrost prędkości wiatru w porównaniu z innymi konfiguracjami. Maksymalna prędkość wewnątrz dyfuzora wzrasta do 115,14%. Stwierdzono, że prędkość wiatru w osi dyfuzora nie jest w stanie przedstawić całkowitej prędkości każdej sekcji. Zakrzywiony dyfuzor z kołnierzem 10° wykazuje największy przyrost średniej prędkości wiatru wzdłuż dyfuzora z największym przyrostem 102,4% przy x/L = 0,36, a największy przyrost prędkości wiatru w środkowej części nawiewnika przy x/L = 0,18 to 115,14%.

Słowa kluczowe

EN

CFD; DAWT; diffuser; flange; wind energy; wind turbine

PL

turbina wiatrowa; dyfuzor; energia wiatrowa

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 98, nr 4
• Strony: 21--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Klistafani Yiyin

• State Polytechnic of Ujung Pandang, Indonesia

• https://orcid.org/0000-0003-3064-9612

autor

Yunus Shiddiq A. M.

• State Polytechnic of Ujung Pandang, Indonesia

• https://orcid.org/0000-0002-9599-6941

autor

Anshar Muhammad

• State Polytechnic of Ujung Pandang, Indonesia

• https://orcid.org/0000-0001-5687-5023

autor

Suwasti Sri

• State Polytechnic of Ujung Pandang, Indonesia

• https://orcid.org/0000-0002-7070-9651

Bibliografia

• [1] Qasim, A.Y., Usubamatov, R., Zain, Z.M. and Quad, G.A., 2012. The parameters affect on power coefficient vertical axis wind turbine. IIUM Engineering Journal, 13(1).
• [2] Bangga, G., Hutomo, G., Wiranegara, R. and Sasongko, H., 2017. Numerical study on a single bladed vertical axis wind turbine under dynamic stall. Journal of Mechanical Science and Technology, 31(1), pp.261-267.
• [3] Bangga, G., Kusumadewi, T., Hutomo, G., Sabila, A., Syawitri, T., Setiadi, H., Faisal, M., Wiranegara, R., Hendranata, Y., Lastomo, D. and Putra, L., 2018, January. Improving a two equation eddy-viscosity turbulence model to predict the aerodynamic performance of thick wind turbine airfoils. In J. Phys.: Conf. Ser (Vol. 974, No. 1, p. 12019).
• [4] Abe, K.I. and Ohya, Y., 2004. An investigation of flow fields around flanged diffusers using CFD. Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 92(3-4), pp.315-330.
• [5] Kannan, T.S., Mutasher, S.A. and Lau, Y.K., 2013. Design and flow velocity simulation of diffuser augmented wind turbine using CFD. journal of engineering science and technology, 8(4), pp.372-384.
• [6] Lipian, M., Karczewski, M. and Olasek, K., 2015. Sensitivity study of diffuser angle and brim height parameters for the design of 3 kW Diffuser Augmented Wind Turbine. Open Engineering, 1(open-issue).
• [7] Lipian, M., Karczewski, M., Molinski, J. and Jozwik, K., 2016. Numerical simulation methodologies for design and development of Diffuser-Augmented Wind Turbines–analysis and comparison. Open Engineering, 1(open-issue).
• [8] Khamlaj, T.A. and Rumpfkeil, M.P., 2018. Analysis and optimization of ducted wind turbines. Energy, 162, pp.1234-1252.
• [9] Yadav, A.K. and Kumar, D., 2017. Review of a Shrouded Wind Turbine for Low Wind Speeds. International Digital Library of Technology & Research, Vol. 1, Issue 5.
• [10] Ohya, Y., Karasudani, T., Sakurai, A., Abe, K.I. and Inoue, M., 2008. Development of a shrouded wind turbine with a flanged diffuser. Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 96(5), pp.524-539.
• [11] Klistafani, Y., Mukhsen, M.I. and Bangga, G., 2018. Assessment of various diffuser structures to improve the power production of a wind turbine rotor. Technische Mechanik. Scientific Journal for Fundamentals and Applications of Engineering Mechanics, 38(3), pp.256-266.
• [12] Damian Mazur., Analiza CFD pionowej turbiny wiatrowej typu Darrieus, Journal Przeglad Elektrotecnichzny, 08/2013 Page no. 77. 2013.
• [13] Damian Mazur., Static analysis of the Darrieus wind turbine including loads from the numerical fluid mechanics, Journal Przeglad Elektrotecnichzny, 10/2013 Page no. 293.2013.
• [14] Pape, A.L. and Lecanu, J., 2004. 3D Navier–Stokes computations of a stall-regulated wind turbine. Wind Energy: An International Journal for Progress and Applications in Wind Power Conversion Technology, 7(4), pp.309-324.
• [15] Sørensen, N.N., Michelsen, J.A. and Schreck, S., 2002. Navier–Stokes predictions of the NREL phase VI rotor in the NASA Ames 80 ft× 120 ft wind tunnel. Wind Energy: An International Journal for Progress and Applications in Wind Power Conversion Technology, 5(2-3), pp.151-169.
• [16] Bangga, G., Lutz, T. and Krämer, E., 2017. Root flow characteristics and 3D effects of an isolated wind turbine rotor. Journal of Mechanical Science and Technology, 31(8), pp.3839-3844.
• [17] Bangga, G., Lutz, T., Jost, E. and Krämer, E., 2017. CFD studies on rotational augmentation at the inboard sections of a10 MW wind turbine rotor. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 9(2), p.023304.
• [18] Weihing, P., Letzgus, J., Bangga, G., Lutz, T. and Krämer, E., 2016, September. Hybrid RANS/LES capabilities of the flow solver FLOWer—Application to flow around wind turbines. In Symposium on hybrid RANS-LES methods (pp. 369-380). Springer, Cham.
• [19] Jost, E., Fischer, A., Bangga, G., Lutz, T. and Krämer, E., 2017. An investigation of unsteady 3-D effects on trailing edgeflaps. Wind Energy Science, 2(1), p.241.
• [20] Menter, F.R., 1994. Two-equation eddy-viscosity turbulencemodels for engineering applications. AIAA journal, 32(8), pp.1598-1605.
• [21] Launder, B.E. and Spalding, D.B., 1972. Mathematical models of turbulence (No. BOOK). Academic press.
• [22] Wilcox, D.C., 1993. Turbulence Modelling for CFD, DCW Industries Inc., La Canada, California. IBSN 0-9636051-0-0.
• [23] Hu, J.F. and Wang, W.X., 2015. Upgrading a shrouded wind turbine with a self-adaptive flanged diffuser. Energies, 8(6), pp.5319-5337.
• [24] Bangga, G. and Sasongko, H., 2017. Dynamic stall prediction of a pitching airfoil using an adjusted two-equation URANS turbulence model. Journal of Applied Fluid Mechanics, 10(1), pp.1-10.
• [25] Bangga, G., Weihing, P., Lutz, T. and Krämer, E., 2017. Effect of computational grid on accurate prediction of a wind turbine rotor using delayed detached-eddy simulations. Journal of Mechanical Science and Technology, 31(5), pp.2359-2364.
• [26] Saeidi, D., Sedaghat, A., Alamdari, P. and Alemrajabi, A.A., 2013. Aerodynamic design and economical evaluation of site specific small vertical axis wind turbines. Applied energy, 101, pp.765-775.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).