Analysis of electric field behaviour for wind turbine blades under the influence of various gas

• Autorzy: Wahdain Samer S. , Mohamed A. I. , Sulaiman Mohd Herwan , Daud Mohd Razali , Raja Ismail Raja Mohd Taufika

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.07.06

Warianty tytułu

PL

Analiza zachowania pola elektrycznego łopat turbiny wiatrowej pod wpływem różnych gazów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Wind turbines are one of the most important natural sources of energy. The components of atmosphere gases in the surrounding wind turbines that are installed may significantly affect the increasing of electrical field resulting from lighting strikes. Here, we use the initiation and spread of electrical field in various gases O2, N2, Ar, Ne and SO2 to examine the behaviour of electrical field on blade. This study uses the Finite Element Method to investigate the influence of gases on the lightning strike carbon fibre wind turbine blade. We use 3D modelling geometry i n this study to get accurate results for all sides of the blade. The generation of an impulse wave uses three stages with time varying from 0 to 60 µs. It was observed that N2 and Air give the same reading because Nitrogen represents 72% of the air contents. Thus, our study elucidates that applying various gases can affect the electric field strength.

PL

Turbiny wiatrowe są jednym z najważniejszych naturalnych źródeł energii. Składniki gazów atmosferycznych w otaczających turbinach wiatrowych, które są zainstalowane, mogą znacząco wpłynąć na zwiększenie pola elektrycznego w wyniku uderzeń pioruna. Tutaj wykorzystujemy inicjację i rozprzestrzenianie się pola elektrycznego w różnych gazach O2, N2, Ar, Ne i SO2, aby zbadać zachowanie pola elektrycznego na ostrzu. Niniejsze badanie wykorzystuje metodę elementów skończonych do zbadania wpływu gazów na uderzenie pioruna łopaty turbiny wiatrowej z włókna węglowego. W tym badaniu używamy geometrii modelowania 3D, aby uzyskać dokładne wyniki dla wszystkich stron łopaty. Generowanie fali impulsowej składa się z trzech etapów w czasie od 0 do 60 µs. Zaobserwowano, że N2 i powietrze dają ten sam odczyt, ponieważ azot stanowi 72% zawartości powietrza. W ten sposób nasze badanie wyjaśnia, że stosowanie różnych gazów może wpływać na natężenie pola elektrycznego.

Słowa kluczowe

EN

lightning protection; electric field; wind turbine blade

PL

ochrona odgromowa; pole elektryczne; łopata turbiny wiatrowej

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 7
• Strony: 29--33
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wahdain Samer S.

• University Malaysia Pahang

• https://orcid.org/0000-0003-1217-6292

autor

Mohamed A. I.

• University Malaysia Pahang

• https://orcid.org/0000-0001-9363-4026

autor

Sulaiman Mohd Herwan

• University Malaysia Pahang

• https://orcid.org/0000-0003-2590-3807

autor

Daud Mohd Razali

• University Malaysia Pahang

autor

Raja Ismail Raja Mohd Taufika

• University Malaysia Pahang

Bibliografia

• [1] O. Apata and D. T. O. Oyedokun, “An overview of control techniques for wind turbine systems,” Sci. African, vol. 10, p. e00566, 2020, doi: 10.1016/j.sciaf.2020.e00566.
• [2] R. D. Goud, R. Rayudu, C. P. Moore, and T. Auditorey, “An Evaluation of Potential Rise in a Wind Turbine Generator Earthing System During a Direct Lightning Strike,” Proc. Conf. Ind. Commer. Use Energy, ICUE, vol. 2018-Octob, no. October, 2019, doi: 10.23919/ICUE-GESD.2018.8635648.
• [3] T. Chady et al., “Wind turbine blades inspection techniques,” Prz. Elektrotechniczny, vol. 92, no. 5, pp. 3–6, 2016, doi: 10.15199/48.2016.05.01.
• [4] A. Andreotti, G. Lupò, and C. Petrarca, “Evaluation of EM fields from return stroke for indirect - Lightning protection of wind turbines,” 4th Int. Conf. Clean Electr. Power Renew. Energy Resour. Impact, ICCEP 2013, no. January 2016, pp. 755–759, 2013, doi: 10.1109/ICCEP.2013.6586942.
• [5] Z. A. Baharudin, N. A. Ahmad, J. S. Mäkelä, M. Fernando, and V. Cooray, “Negative cloud-to-ground lightning flashes in Malaysia,” J. Atmos. Solar-Terrestrial Phys., vol. 108, pp. 61– 67, 2014, doi: 10.1016/j.jastp.2013.12.001.
• [6] E. Shulzhenko, M. Krapp, M. Rock, S. Thern, and J. Birkl, “Investigation of lightning parameters occurring on offshore wind farms,” 2017 Int. Symp. Light. Prot. XIV SIPDA 2017, no. October, pp. 169–175, 2017, doi: 10.1109/SIPDA.2017.8116919.
• [7] J. Nie et al., “Lightning risk assessment of wind turbines in mountainous areas,” 7th IEEE Int. Conf. High Volt. Eng. Appl. ICHVE 2020 - Proc., pp. 2020–2023, 2020, doi: 10.1109/ICHVE49031.2020.9279548.
• [8] G. Masłowski, R. Ziemba, and T. Kossowski, “Przepięcia w liniach napowietrznych wywołane pobliskim wyładowaniem atmosferycznym,” Prz. Elektrotechniczny, vol. 94, no. 2, pp. 41–44, 2018, doi: 10.15199/48.2018.02.10.
• [9] C. Köhn, O. Chanrion, M. B. Enghoff, and S. Dujko, “Streamer Discharges in the Atmosphere of Primordial Earth,” Geophys. Res. Lett., vol. 49, no. 5, pp. 1–11, 2022, doi: 10.1029/2021GL097504.
• [10] J. Holboll, S. F. Madsen, M. Henriksen, K. Bertelsen, and H. V Erichsen, “Discharge Phenomena in The Tip Area of Wind Turbine Blades and Their Dependency on Material and Environmental Parameters,” Light. Prot. (ICLP), 2006 Int. Conf., no. April, pp. 1503–1508, 2006.
• [11] Z. Liu, H. Zhang, X. Hao, H. Jin, and K. Chen, “Research on Electric Field Distribution of Multiple wind turbines under Lightning Conditions,” 7th IEEE Int. Conf. High Volt. Eng. Appl. ICHVE 2020 - Proc., pp. 2020–2023, 2020, doi: 10.1109/ICHVE49031.2020.9280000.
• [12] I. D. Carmein, A. Arbor, M. I. Us, D. White, A. Arbor, and M. I. Us, ( 12 ) United States Patent ( 10 ) Patent No .:, vol. 2, no 12. doi: 10.1109/FPS-2005.204208.
• [13] S. L. J. Millen and A. Murphy, “Modelling and analysis of simulated lightning strike tests: A review,” Compos. Struct., vol. 274, no. July, p. 114347, 2021, doi: 10.1016/j.compstruct.2021.114347.
• [14] A. Chusov, E. Rodikova, and D. Belko, “Simulation of an Impulse Arc Discharge in Line Lightning Protection Devices,” p. 2, 2017.
• [15] T. Feng, W. He, and J. G. Wang, “FEM Simulation of Charge Accumulation Behaviours on Polyimide Surface in 10 kV Negative High-Voltage Corona Polarization Process,” IEEE Access, vol. 8, pp. 113151–113162, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3003655.
• [16] A. A. Eddib and D. D. L. Chung, “Electric permittivity of carbon fiber,” Carbon N. Y., vol. 143, pp. 475–480, 2019, doi: 10.1016/j.carbon.2018.11.028.
• [17] L. Mishnaevsky, K. Branner, H. N. Petersen, J. Beauson, M. McGugan, and B. F. Sørensen, “Materials for wind turbine blades: An overview,” Materials (Basel)., vol. 10, no. 11, pp. 1– 24, 2017, doi: 10.3390/ma10111285.
• [18] W. J. Jenkins, D. E. Lott, and K. L. Cahill, “A determination of atmospheric helium, neon, argon, krypton, and xenon solubility concentrations in water and seawater,” Mar. Chem., vol. 211, no. February, pp. 94–107, 2019, doi: 10.1016/j.marchem.2019.03.007.
• [19] P. Orellano, J. Reynoso, and N. Quaranta, “Short-term exposure to sulphur dioxide (SO2) and all-cause and respiratory mortality: A systematic review and meta-analysis,” Environ. Int., vol. 150, p. 106434, 2021, doi: 10.1016/j.envint.2021.106434.

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).