Badania numeryczne wpływu erozji oraz zabrudzeń łopaty na pracę turbiny wiatrowej

• Autorzy: Malecha Ziemowit , Sierpowski Korneliusz

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2023.7-8.1

Warianty tytułu

EN

Numerical studies of the impact of erosion and dirt of turbine blades on the operation of wind turbine

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przeprowadzono badania numeryczne wpływu zabrudzeń, oblodzenia oraz uszkodzeń łopat turbiny wiatrowej na produkcję mocy. Przeanalizowano dwa scenariusze kontroli pracy turbiny wiatrowej, standardową oraz zaawansowaną. Kształt oblodzonych oraz uszkodzonych profili opracowano bazując na wynikach eksperymentalnych oraz obserwacjach rzeczywistych łopat turbin. Pokazano, że w przypadku turbiny oblodzonej, zabrudzonej oraz zerodowanej produkcja mocy może spaść odpowiednio o około 50%, 16% oraz 12.5%. Przeanalizowano wpływ spadku produkcji przez turbinę na współczynnik wykorzystania mocy. Na przykładzie lokalizacji na Morzu Bałtyckim, pokazano, że współczynnik wykorzystania mocy może spaść o 0.023% oraz dodatkowo o około 0.005% wraz ze zwiększeniem udziału dni z zabrudzonymi łopatami w roku o kolejne 10%.

EN

Numerical studies of the impact of dirt, icing and eroded of wind turbine blades on power production were carried out. Two scenarios of wind turbine operation control, standard and advanced, were analyzed. The shape of ice-covered and eroded profiles was developed based on experimental results and observations of real turbine blades. It has been shown that in the case of an ice-covered, dirty and eroded turbine blade, power production can decrease by approximately 50%, 16% and 12.5%, respectively. The influence of the decrease in power production on the capacity factor was analyzed. Using the example of a location in the Baltic Sea, it has been shown that the capacity factor can decrease by 0.023% and additionally by about 0.005% with an increase in the share of days with dirty blades in the year by another 10%.

Słowa kluczowe

PL

turbina wiatrowa; erozja; oblodzenie; zabrudzenie; produkcja energii

EN

wind turbine; erosion; icing; dirt; energy production

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2023
• Tom: nr 7/8
• Strony: 7--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., fot., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Malecha Ziemowit

• Katedra Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska, Wrocław

• https://orcid.org/0000-0001-8560-760X

autor

Sierpowski Korneliusz

• Katedra Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska, Wrocław

Bibliografia

• [1] Boccard N., Capacity factor of wind power realized values vs. estimates, Energy Policy, 37, 7, 2009, 2679-2688.
• [2] White E., Kutz D., Freels J., Monschke J., Grife R., Sun Y., Chao D., Leading-Edge Roughness Effects on 63(3)-418 Airfoil Performance.
• [3] Corten G., Veldkamp H., Aerodynamics. insects can halve wind turbine power, Nature, 412, 6842, 2011, 41-42.
• [4] Rempel L., Rotor blade leading edge erosion - real life experiences, Wind Systems Magazine, 2012, 22-24.
• [5] Ehrmann R.S., Wilcox B., White E.B., Effect of Surface Roughness on Wind Turbine Performance, rap. tech., SANDIA REPORT, SAND2017-10669, 2017.
• [6] Gao L., Tao T., Liu Y., Hu H., A field study of ice accretion and its effects on the power production of utility-scale wind turbines, Renewable Energy, 167, 2021, 917-928.
• [7] Lehtomaki V., Wind energy in cold climates available technologies-report, rap. tech., Task 19, Tech. Rep., IEA 2016.
• [8] Gao L., Liu Y., Zhou W., Hu H., An experimental study on the aerodynamic performance degradation of a wind turbine blade model induced by ice accretion process, Renewable Energy, 133, 2019, 663-675.
• [9] Kraj A.G., Bibeau E.L., Phases of icing on wind turbine blades characterized by ice accumulation, Renewable Energy, 35, 5, 2010, 966-972.
• [10] Stoyanov D., Nixon J., Alternative operational strategies for wind turbines in cold climates, Renewable Energy, 145, 2020, 2694-2706.
• [11] Wallenius T., Lehtomaki V., Overview of cold climate wind energy: challenges, solutions, and future needs, WIREs Energy and Environment, 5, 2, 2016, 128-135.
• [12] Jasinski W.J., Noe S.C., Selig M.S., Bragg M.B., Wind Turbine Performance Under Icing Conditions, Journal of Solar Energy Engineering, 120, 1, 1998, 60-65.
• [13] Hochart C., Fortin G., Perron J., Ilinca A., Wind turbine performance under icing conditions, Wind Energy, 11, 4, 2008, 319-333.
• [14] Biswas S., Taylor P., Salmon J., A model of ice throw trajectories from wind turbines, Wind Energy, 15, 7, 2012, 889-901.
• [15] Carraro M., De Vanna F., Zweiri F., Benini E., Heidari A., Hadavinia H., CFD Modeling of Wind Turbine Blades with Eroded Leading Edge, Fluids, 7, 9, 2022.
• [16] Bakoń T., Kozikowska A., Praca elektrowni wiatrowych w trudnych warunkach środowiskowych, Elektro.info, 5, 2017, 42-46.
• [17] Keegan M.H., Nash D.H., Stack M.M., On erosion issues associated with the leading edge of wind turbine blades, Journal of Physics D: Applied Physics, 46, 38, 2013, 383001.
• [18] Eisenberg D., Laustsen S., Stege J., Wind turbine blade coating leading edge rain erosion model: Development and validation, Wind Energy, 21, 10, 2018, 942-951
• [19] Sareen A., Sapre C.A., Selig M.S., Effects of leading edge erosion on wind turbine blade performance, Wind Energy, 17, 10, 2014, 1531-1542.
• [20] Han W., Kim J., Kim B., Effects of contamination and erosion at the leading edge of blade tip airfoils on the annual energy production of wind turbines, Renewable Energy, 115, 2018, 817-823.
• [21] Jonkman J., Butterfield S., Musial W., and Scott G., Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development, Technical Report NREL/TP-500-38060, February 2009.
• [22] The eN method for transition prediction. Historical review of work at TU Delft J.L. van Ingen 1 Faculty of Aerospace Engineering, TU Delft, the Netherlands; 38th Fluid Dynamics Conference and Exhibit, 23-26 June 2008, Seattle, Washington.
• [23] H. Snel, R. Houwink, W. J. Piers. Sectional Prediction of 3D Effects for Separated Flow on Rotating Blades. In Proc. European Community Wind Energy Conference. Lübeck - Travemünde, 1992.
• [24] H. Glauert. Airplane Propellers, chapter Aerodynamic Theory, pages 169-360. Springer Berlin Heidelberg, 1935, doi:10.1007/978-3-642-91487-4_3.
• [25] https://www.aere.iastate.edu/~huhui/WT-icing.html
• [26] https://www.reutersevents.com/renewables/wind-energy-update/will-heat-be-winner-deicing-turbine-blades
• [27] Kruse E. K., Sorensen N. N., Bak C., Predicting the Influence of Surface Protuberance on the Aerodynamic Characteristics of a NACA 633-418, 2018 J. Phys.: Conf. Ser. 1037022008.
• [28] Selig M., Tangler J., Development and Application of a Multipoint Inverse Design Method for Horizontal Axis Wind Turbines, Wind Engineering Vol. 19 No. 2 1995.
• [29] Tammelin B., Böhringer A., Cavaliere M., Holttinen H., Morgan C., Seifert H., Säntti K., Vølund P., Wind energy production in cold climate (WECO), Finnish Meteorological Institute 2000.
• [30] Malecha Z., Analiza ekonomiczna oraz wykorzystania mocy dla farmy wiatrowej typu offshore na Morzu Bałtyckim, Instal, 01, 2023, 4-11. DOI 10.36129/15.2023.1.1
• [31] Marten D., QBlade: A Modern Tool for the Aeroelastic Simulation of Wind Turbines, rozprawa doktorska, 2020, doi:10.14279/depositonce-10646