Аеродинамичка оптерећења и оптимизација ветротурбине за специфичне ресурсе ветра на локацијама у Србији

Abstract

У оквиру истраживања обрађена је и дефинисана методологија одређивања аеродинамичких оптерећења лопатица ветротурбина и оптимизације према условима ветра на одређеним карактеристичним локацијама у Србији. Прорачун аеродинамичких оптерећења изведен је применом теорије елемента лопатице са савременим корекцијама које се односе на поправке за коначан број лопатица, радијално струјање, радне режиме при скретању ротора и тешко оптерећени ротор. Такође је формулисана метода одређивања аеродинамичких оптерећења ветротурбине применом Рејнолдсових једначина са изворним члановима којима је моделиран утицај аеродинамичких сила ротора на струјање. Изворни чланови се рачунају применом теорије елемента лопатице. Поређењем резултата са доступним експерименталним испитивањима ветротурбина закључено је да се дефинисана методологија може применити за потребе оптимизације. Метода коначних запремина примењена је за прорачун струјања нестишљивог вискозног флуида у циљу одређивања аеродинамичких карактеристика аеропрофила и дефинисања улазних података како за аеродинамички прорачун ветротурбине тако и за процес оптимизације облика аеропрофила. Валидност примењене методе тестирана је на аеропрофилима за које су објављени резултати експерименталних испитивања високог квалитета. За потребе обраде резултата примењене су савремене методе обраде и визуелизације великог броја података. У оквиру методологије оптимизације која се у случају аеропрофила заснива на методи оптимизације ројем честица, а у случају ветотурбине на генетском алгоритму примењена је метода генерализације на основу које су изведени општи закључци о могућностима примене развијене методологије за одређивање аеродинамичких оптерећења за потребе оптимизације лопатица ветротурбина. Параметризација аеропрофила извршена је CST методом која за релативно мали број параметара даје добре резултате, чиме је омогућено брже постизање оптималног решења. Коначно, извршена је аеродинамичка оптимизација лопатица две ветротурбине за три изабране локације у Србији према критеријуму максималне годишње производње енергије. Прва лопатица је намењена за ветротурбину номиналне снаге 2.6 MW која је регулисана променљивом брзином обртања и кораком ротора, док је друга лопатица за ветротурбину снаге 10 kW регулисана променом брзине обртања и сломом узгона.

Methodology of determination of wind turbine aerodynamic loads was defined as well as optimization of wind turbine blades for wind conditions on certain locations in Serbia. Calculation of wind turbine aerodynamic loads was performed using the results of blade element momentum theory with contemporary corrections in order to account for finite number of blades, radial flow, yaw and highly loaded rotor. In addition, the method for determination of wind turbine blade aerodynamic loads using Reynolds equations with source terms that account for rotor aerodynamic forces influence on flow was developed. Source terms are calculated using blade element theory. Comparison of the results for both methods with available experiment researches of wind turbine aerodynamics has showed that the results are applicable for wind turbine blade optimization. Finite volume method was used for flow analysis of incompressible viscous fluid in order to determine aerodynamic characteristics of airfoils and input data definition both for calculation of blade aerodynamic loads as well as optimization of airfoil shape. Validity of applied methods was tested on airfoils for which there are results of high quality experiments. In order to process obtained data methods of data processing and visualization were used. In the optimization framework which is based on particle swarm optimization for airfoil optimization and genetic algorithm for wind turbine blade optimization method of generalization was applied in order to derive general conclusions on abilities to use developed methodology for wind tubine aerodynamic loads calculation in order to concuct optimization. Parameterization of airfoil was done using Class Shape Transformation which is able to provide good parameterization for relatively small number of parameters. The speed of optimization method was increased by using this method. Finally, aerodynamic optimization was conducted for two wind turbines and three selected locations in Serbia based on maximum annual energy production criteria. The first blade was intended for 2.6 MW wind turbine controlled by variable rotor speed and pitch, and the second one is intended for 10 kW wind turbine regulated by variable rotor speed and stall...