Investigation of static voltage accumulation on wind turbine blade in atmospheric wind speed humidity and temperature

• Autorzy: Wahdain Samer S. , Mohamed A. I. , Saari Mohd Mawardi , Daud Mohd Razali , Jamil Mohamad Kamarol Mohd

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.06.36

Warianty tytułu

PL

Badanie akumulacji napięcia statycznego na łopatach turbiny wiatrowej przy prędkości wiatru atmosferycznego, wilgotności i temperaturze

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Wind turbines are one of renewable energy sources. Wind turbines installed at wild open area such offshore, mountains and deserts are filled with air particles and flow of wind speed. During the wind flow throughout the wind turbines which rotates the turbine blades, there is friction between the air particles and the blade surface that leads the static voltage to accumulate on the blade surface causing upward streamers. Using fiberglass reinforced plastic (FRP) wind turbine blades by simulation and experimental method. The charged particle tracing with electrostatics and laminar flow with time-dependent used to determine the value of static voltage accumulation. Static voltage accumulation is influenced by various factors such as wind speed (1, 5, and 7 m/s), humidity (20, 50, and 70 %RH) and temperature (28, 35, and 48 oC) had tested and analyzed. Furthermore, the result obtained using the Finite Element Method (FEM) has shown a good agreement with the experimental result. It was observed that high flow velocity has a great tendency to charge the blade surface with 36.70%higher from 1 m/s to 7 m/s. Low relative air humidity increases the risk of static electricity 221.6 V at the of side of the blade when humidity is 20%. Moreover, increasing the air temperature from 28 to 48 degrees Celsius increases the voltage by 20%. Therefore, determining the need for statice voltages generated in the blade surface and the risk related to upward streamers is obliged to be evaluated as it is the essential ways in adopting the correct protection systems.

PL

Turbiny wiatrowe są jednym z odnawialnych źródeł energii. Turbiny wiatrowe zainstalowane na dzikich terenach otwartych, takich jak wybrzeże, góry i pustynie, są wypełnione cząsteczkami powietrza i prędkością wiatru. Podczas przepływu wiatru przez turbiny wiatrowe, który obraca łopaty turbiny, występuje tarcie między cząstkami powietrza a powierzchnią łopaty, co prowadzi do gromadzenia się napięcia statycznego na powierzchni łopaty, powodując wznoszenie się wstęg. Wykorzystanie łopat turbin wiatrowych z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym (FRP) za pomocą modelowania i metody eksperymentalnej. Śledzenie cząstek naładowanych za pomocą elektrostatyki i przepływu laminarnego z zależnym od czasu wykorzystaniem do wyznaczania wartości kumulacji napięcia statycznego. Na akumulację napięcia statycznego mają wpływ różne czynniki, takie jak prędkość wiatru (1, 5 i 7 m/s), wilgotność (20, 50 i 70 %RH) oraz temperatura (28, 35 i 48 oC). . Ponadto wynik uzyskany metodą elementów skończonych (MES) wykazał dobrą zgodność z wynikiem doświadczalnym. Zaobserwowano, że duża prędkość przepływu ma dużą tendencję do obciążania powierzchni łopaty o 36,70% większą od 1 m/s do 7 m/s. Niska wilgotność względna powietrza zwiększa ryzyko powstania elektryczności statycznej 221,6 V z boku łopaty, gdy wilgotność wynosi 20%. Ponadto zwiększenie temperatury powietrza z 28 do 48 stopni Celsjusza powoduje wzrost napięcia o 20%. W związku z tym określenie konieczności występowania napięć statycznych generowanych na powierzchni łopaty oraz zagrożenia związanego ze skierowanymi w górę streamerami wymaga oceny, ponieważ jest to niezbędny sposób w doborze odpowiednich systemów ochronnych.

Słowa kluczowe

EN

CFD; static voltage accumulation; electrical field; lightning protection

PL

CFD; akumulacja napięcia statycznego; pole elektryczne; ochrona odgromowa

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 6
• Strony: 175--180
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

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

Saari Mohd Mawardi

• University Malaysia Pahang

• https://orcid.org/0000-0002-2162-6876

autor

Daud Mohd Razali

• University Malaysia Pahang

autor

Jamil Mohamad Kamarol Mohd

• University Sains Malaysia

• https://orcid.org/0000-0002-2260-1697

Bibliografia

• [1] Q. Zhou, C. Lu, X. Bian, K. L. Lo, and D. Li, “Numerical analysis of lightning attachment to wind turbine blade,” Renew. Energy, vol. 116, pp. 584–593, 2018, doi: 10.1016/j.renene.2017.09.086.
• [2] W. Yu, Q. Li, J. Zhao, H. Li, and W. H. Siew, “Thundercloud induced spatial ion flow in the neighborhood of rotating wind turbine and impact mechanism on corona inception,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 49, no. 9, pp. 2925–2935, 2021, doi: 10.1109/TPS.2021.3102376.
• [3] D. J. Lacks and R. Mohan Sankaran, “Contact electrification of insulating materials,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 44, no. 45, 2011, doi: 10.1088/0022-3727/44/45/453001.
• [4] D. P. Nolan, “Control of Ignition Sources,” Handb. Fire Explos. Prot. Eng. Princ. Oil, Gas, Chem. Relat. Facil., pp. 251–270, 2019, doi: 10.1016/b978-0-12-816002-2.00014-3.
• [5] C. Heinert, R. M. Sankaran, and D. J. Lacks, “Microscale Bipolar Charge Distributions on Surfaces after Liquid Wetting and Evaporation in an Electric Field,” Langmuir, vol. 37, no. 26, pp. 8007–8013, 2021, doi: 10.1021/acs.langmuir.1c01052.
• [6] S. Matsusaka, H. Umemoto, M. Nishitani, and H. Masuda, “Electrostatic charge distribution of particles in gas-solids pipe flow,” J. Electrostat., vol. 55, no. 1, pp. 81–96, 2002, doi: 10.1016/S0304-3886(01)00185-1.
• [7] T. A. L. Burgo, C. A. Silva, L. B. S. Balestrin, and F. Galembeck, “Friction coefficient dependence on electrostatic tribocharging,” Sci. Rep., vol. 3, pp. 1–8, 2013, doi: 10.1038/srep02384.
• [8] Z. Guo et al., “The influence of the metal mesh to the attachment manner of cfrp wind turbine blades,” 2019 11th Asia-Pacific Int. Conf. Light. APL 2019, no. October 2020, 2019, doi: 10.1109/APL.2019.8816011.
• [9] W. Rison et al., “Observations of corona discharges from wind turbines,” IET Semin. Dig., vol. 2015, no. 11, 2015, doi: 10.1049/ic.2015.0195.
• [10] H. Photoionizers, “New choices for removing static chargesReliable and efficient removal of static charges . X-rays are what make it possible ! Photoionization mechanism”.
• [11] E. S. P. B. V, S. Nieh, and T. Nguyen, “Effects of humidity , conveyingvelo city ,and particle size on electrostatic charges of glassbeads in agaseo ussus pensi on flow,” vol. 21, pp. 99–114, 1988.
• [12] J. R. Toth et al., “Electrostatic forces alter particle size distributions in atmospheric dust,” Atmos. Chem. Phys., vol. 20, no. 5, pp. 3181–3190, 2020, doi: 10.5194/acp-20-3181-2020.
• [13] V. Cooray, An introduction to lightning. 2015. doi: 10.1007/978-94-017-8938-7.
• [14] P. Zilio, W. Raja, A. Alabastri, F. De Angelis, and R. P. Zaccaria, “Modeling of space-charge effects in thermionic devices,” vol. 1576, no. October 2015, pp. 3–4, 2016.
• [15] D. Horia, C. Vladimir, D. Alexandru, and F. Florin, “The laminar boundary layer on a rotating wind turbine blade,” Incas Bull., vol. 2, no. 2, pp. 40–49, 2010, doi: 10.13111/2066-8201.2010.2.2.6.
• [16] V. Christensen, “Ecopath with Ecosim: linking fi sheries and ecology 1 Why ecosystem modeling in fi sheries?,” WIT Trans. State Art Sci. Eng., vol. 34, pp. 1755–8336, 2009, doi: 10.2495/978-1-84564.
• [17] S. A. Pastromas, K. Sandros, K. N. Koutras, and E. C. Pyrgioti, “Investigation of lightning strike effects on wind turbine critical components,” ICHVE 2018 - 2018 IEEE Int. Conf. High Volt. Eng. Appl., no. November 2019, pp. 1–4, 2019, doi: 10.1109/ICHVE.2018.8642050.
• [18] Z. Qiao, Z. Wang, C. Zhang, S. Yuan, Y. Zhu, and J. Wang, “PVAm–PIP/PS composite membrane with high performance for CO2/N2 separation,” AIChE J., vol. 59, no. 4, pp. 215–228, 2012, doi: 10.1002/aic.
• [19] D. M. Taylor, “Measuring techniques for electrostatics,” J. Electrostat., vol. 51–52, no. 1–4, pp. 502–508, 2001, doi: 10.1016/S0304-3886(01)00107-3.