Active control of wind turbines through varying blade tip sweep

Abstract

In this research work an introduction to an innovative control method, concerning horizontal axis wind turbines, is presented. The concept refers to variable tip swept rotorblades, that have the ability to pivot collectively aft, (in-plane movement) about an axis located at the blade tips. The swept tip can be either part of the main blade with an internal mechanism or an added surface (add-on) to the blades. The idea of this active control feature is to increase power production at specific operating areas and reduce fatigue loads and extreme blade loads during a wind gust passage through small sweep angle variations in the tip area. The investigation is carried out with a modified Blade Element Momentum (BEM) model that takes into account variable tip swept rotor blades and the modifications are based on results from a lifting line theory based model. The latter model was also compared to Computational Fluid Dynamics (CFD) results and speed optimized with the use of CUDA platform before it was used as reference for the modified BEM model. The simulations refer to the 5MW NREL reference wind turbine that incorporates a suitable controller and the first results show beneficial behavior in all of the investigated areas.

Σε αυτή την ερευνητική εργασία παρουσιάζεται ένας πρωτότυπος τρόπος ελέγχου των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα. Η ιδέα αυτή, αναφέρεται σε πτερύγια ανεμογεννήτριας μεταβλητής γωνίας οπισθόκλισης των ακροπτερύγιων τους, τα οποία έχουν την ικανότητα να περιστρέφονται συλλογικά (κίνηση εντός επιπέδου περιστροφής του ρότορα) γύρω από έναν άξονα που βρίσκεται επάνω στα πτερυγία. Το οπισθοκλινές ακροπτερύγιο μπορεί να είναι τμήμα του υπάρχοντος πτερυγίου με ενσωματωμένο μηχανισμό ή προέκταση αυτού. Η ιδέα αυτού του πρωτότυπου τρόπου ενεργού ελέγχου, έχει ως σκοπό την αύξηση της παραγώμενης ενέργειας σε συγκεκριμένες περιοχές λειτουργίας, τη μείωση των φορτίων κόπωσης των πτερυγίων καθώς και των υψηλών φορτίων κατά τη διάρκεια μίας ριπής ανέμου που διέρχεται από την ανεμογεννήτρια, μέσω της μεταβολής της γωνίας οπισθόκλισης των ακροπτερυγίων του ρότορα. Η έρευνα διεξάγεται με ένα κατάλληλα τροποποιημένο μοντέλο βασισμένο στη θεωρία Blade Element Momentum (BEM) ώστε να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση του οπισθοκλινούς ακροπτερυγίου και η τροποποίηση αυτή βασίστηκε στα αποτελέσματα που προκύπτουν από ένα αντίστοιχο μοντέλο βασισμένο στη θεωρία Lifting Line. Τα αποτελέσματα από το τελευταίο μοντέλο συγκρίθηκαν επίσης με αποτελέσματα που προέκυψαν από αντίστοιχα μοντέλα υπολογιστικής ρευστομηχανικής (CFD) και επιπλέον έγινε προσπάθεια επιτάχυνσης των υπολογισμών (με χρήση CUDA platform) που εκτελούνται εντός του μοντέλου (Lifting Line) πριν αυτό χρησιμοποιηθεί ως σημείο αναφοράς για την τροποποίηση του μοντέλου BEM. Οι προσομοιώσεις αφορούν την 5MW NREL ανεμογεννήτρια αναφοράς που ενσωματώνει ένα κατάλληλο ελεγκτή και τα πρώτα αποτελέσματα δείχνουν ωφέλιμη συμπεριφορά σε όλες τους τομείς που μελετήθηκε η επίδρασή του.