Opublikowano: poniedziałek, 01 marzec 2021 12:26

W ostatnich kilku dekadach można zaobserwować duży wzrost zainteresowania energetyką wiatrową, co znajduje potwierdzenie w niemal wykładniczym wzroście skumulowanej mocy turbin wiatrowych zainstalowanych na świecie. Energetyka zawodowa jest obecnie zdominowana przez duże jednostki z poziomą osią obrotu (HAWT – horizonal axis wind turbine). Te konstrukcje charakteryzują się dużą mocą i wysoką sprawnością, jednak ze względu na hałas i dużą wrażliwość na kierunek oraz poziom turbulencji wiatru nie nadają się do produkcji energii w małych przydomowych elektrowniach wiatrowych. Do tego celu bardziej odpowiednie są konstrukcje turbin wiatrowych z pionową osią obrotu (VAWT – vertical axis wind turbine), które coraz częściej stają się przedmiotem badań naukowców.

W przyszłości małe przydomowe turbiny wiatrowe typu VAWT mogą się stać bardzo obiecującą alternatywą lub uzupełnieniem dla ogniw fotowoltaicznych. Bardzo niski poziom emitowanego hałasu, wysoka maksymalna prędkość roboczawiatru, bardzo niska wymagana startowa prędkość wiatru, niski wpływ turbulencji na pracę turbiny oraz unikierunkowość – to cechy, dzięki którym VAWT są idealne do przydomowej pracy nawet w silnie zurbanizowanym środowisku. Niestety, oprócz niezaprzeczalnych zalet VAWT wyróżniają się także stosunkowo niską sprawnością i aby mogły w przyszłości stanowić konkurencję dla innych typów odnawialnych źródeł energii, konieczne jest poprawienie tego parametru. Turbiny wiatrowe z pionową osią dzielą się na dwa podstawowe typy: w pierwszym główną siłą napędową jest siła oporu aerodynamicznego, a w drugim – siła nośna. Praca wirnika Savoniusa bazuje na sile oporu aerodynamicznego, natomiast zasada pracy wirnika Darrieus’go opiera się na sile nośnej. Szczególnym przypadkiem wirnika Darrieus’go jest H-rotor.

Rys. 1. Typy wirników turbin wiatrowych z pionową osią

Obecnie prowadzonych jest wiele prac badawczych – zarówno z wykorzystaniem pomiarów, jak i obliczeń numerycznych za pomocą narzędzi CFD. Analizowane są różne kształty profili łopat wirników typu Savonius [1–3] i H-Rotor [4–6] oraz różne wielkości wirników i kąty natarcia profili aerodynamicznych. Podejmowano też próby optymalizacji kształtu wirników.

W ramach projektu badawczego realizowanego w Katedrze Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej trwają prace, których głównym celem jest optymalizacja turbin z pionową osią obrotu. Projekt obejmuje zarówno optymalizację kształtu wirników typu Savonius i H-Rotor z wykorzystaniem modeli zredukowanych oraz dwukierunkową sprzężoną analizę przepływowo-wytrzymałościową pracującej turbiny, jak i badania eksperymentalne w przeznaczonym do tego celu tunelu aerodynamicznym. Obliczenia z zakresu mechaniki płynów (CFD) i obliczenia wytrzymałościowe (FEA) są wykonywane odpowiednio w oprogramowaniu ANSYS Fluent i ANSYS Mechanical.

Optymalizacja

Głównym celem projektu jest opracowanie efektywnego algorytmu, który umożliwi optymalizację kształtu wirnika turbiny z pionową osią obrotu. W związku z tym opracowano dwu- i trójwymiarowy model matematyczny opływu powietrza wokół wirników turbin wiatrowych. Do tego celu wykorzystano uśredniony model Reynoldsa (Reynolds-averaged Navier-Stokes equations), a także odpowiednio dobrany i zwalidowany model turbulencji. Problem obejmował wyłącznie izotermiczny przepływ powietrza, który jednak jest silnie nieustalony i silnie turbulentny, przez co obliczenia są niezwykle czasochłonne. Aby umożliwić obliczenia optymalizacyjne, należało opracować modele zredukowane pracującej turbiny. W efekcie pierwszych prac optymalizacyjnych [7] udało się uzyskać nawet 20-procentowy wzrost sprawności turbiny wiatrowej opartej na wirniku typu Savonius.

Rys. 2. Wykres wartości współczynnika mocy dla bazowego kształtu wirnika typu Savonius oraz dla kształtów zoptymalizowanych

Tunel aerodynamiczny

Zoptymalizowane wirniki turbin wiatrowych z pionową osią obrotu zostaną przebadane w specjalnym tunelu aerodynamicznym, aby zweryfikować działanie algorytmu optymalizacyjnego i dokładność obliczeń numerycznych. Stanowisko pomiarowe do badań turbin wiatrowych zostało tak zaprojektowane, że umożliwia pomiary generowanego momentu i parametrów generowanego prądu w rzeczywistych warunkach pracy oraz w założonych punktach pracy pod obciążeniem w tunelu aerodynamicznym.

Rys. 3. Komora pomiarowa tunelu aerodynamicznego ze stanowiskiem badawczym

Przepływ w tunelu analizowano w programie ANSYS Fluent, aby zapewnić jak najbardziej wyrównany profil prędkości w przestrzeni pomiarowej tunelu.

Rys. 4. Profil rozkładu prędkości w przekroju tunelu aerodynamicznego

Konstrukcję tunelu zaprojektowano na bazie opracowanej geometrii jego kanału wewnętrznego (rys. 5 i 6). Ściany obszaru pomiarowego wykonano z laminowanego szkła (jego grubość dobrano na podstawie obliczeń wytrzymałościowych w programie ANSYS Mechanical – tak, aby uniknąć niepożądanego ugięcia tafli szkła podczas pomiarów), co pozwoliło na prowadzenie pomiarów opływu powietrza metodą cyfrowej anemometrii obrazowej (PIV – particle image velocimetry).

Rys. 5. Rzut projektu CAD tunelu aerodynamicznego	Rys. 6. Widok laminaryzatora tunelu aerodynamicznego

Fluid Structure Interaction

Oprócz opisu kilku prób jednokierunkowych analiz przepływowo-wytrzymałościowych [8–11] brakuje prac na temat wpływu odkształceń pracującej turbiny na jej sprawność. Dzięki wykorzystaniu w oprogramowaniu ANSYS Fluent metodologii sliding mesh i dynamic mesh oraz połączeniu solvera przepływowego z wytrzymałościowym udało się opracować model do prognozowania wpływu odkształceń wirnika na sprawność turbiny [12].

Celem analizy było sprawdzenie, czy w czasie pracy turbiny nie pojawią się niebezpieczne naprężenia, mogące prowadzić do jej uszkodzenia. Przy okazji udało się uchwycić wpływ odkształceń  (rys. 7) na efektywność turbiny – jak się nieoczekiwanie okazało, te odkształcenia powodują niewielki przyrost jej sprawności (rys. 8). Otrzymane wyniki wyznaczają nowy kierunek w projektowaniu wirników zarówno w kontekście optymalizacji zarówno bazowej geometrii, jak i wpływu kształtu zdeformowanego wirnika na jego sprawność. W przyszłości umożliwi to stworzenie takiego wirnika (dzięki odpowiedniemu dobraniu jego właściwości na etapie projektu), którego optymalny chwilowy kształt będzie funkcją aktualnych parametrów pracy.

Rys. 7. Pole rozkładu odkształceń pracującego wirnika wykonanego z aluminium	Rys. 8. Wykres wartości momentu w funkcji kąta obrotu wirnika dla modelu FSI oraz modelu referencyjnego

Podsumowanie

Szeroko zakrojone badania, mające na celu udoskonalenie koncepcji małych przydomowych turbin wiatrowych z pionową osią, są sprawnie i skutecznie realizowane dzięki zastosowaniu oprogramowania ANSYS. Obiecujące wyniki prac dają nadzieję na wyraźne podniesienie sprawności VAWT i tym samym – na wzrost ich konkurencyjności na rynku energii rozproszonej. Obecnie rośnie zainteresowanie firm i instytucji państwowych tematyką energetyki wiatrowej, o czym świadczy m.in. konkurs zorganizowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju: „Wielkie Wyzwanie: Energia”. Możliwe, że już za kilka lat nie będziemy mogli wyobrazić sobie krajobrazu przedmieść i miast bez wszechobecnych małych turbin wiatrowych.

Przedstawione wyniki są efektem badań przeprowadzonych w ramach projektu nr 2017/27/B/ST8/02298 pn. „Heurystyczny algorytm optymalizacyjny ze sprzężoną generacją modeli zredukowanych do obliczeń turbin wiatrowych”, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

Autorzy:	Łukasz Marzec, Politechnika Śląska
	Zbigniew Buliński, Politechnika Śląska
	Tomasz Krysiński, Politechnika Śląska
	Jakub Tumidajski, Politechnika Sląska

Literatura:

[1] Saha U.K., Thotla S., Maity D. “Optimum design configuration of Savonius rotor through wind tunnel experiments”. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 96 (2008): 1359–1375.

[2] Altan B.D., Atilgan M., Özdamar A. “An experimental study on improvement of a Savonius rotor performance with curtaining”. Experimental Thermal and Fluid Science. 32 (2008): 1673–1678.

[3] Zhou T., Rempfer D. “Numerical study of detailed flow field and performance of Savonius wind turbines”. Renewable Energy. 51 (2013): 373–381. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2012.09.046

[4] Rezaeiha A., Kalkman I., Blocken B. “Effect of pitch angle on power performance and aerodynamics of a vertical axis wind turbine”. Applied Energy. 197 (2017): 132–150. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.03.128

[5] Rezaeiha A., Montazeri H., Blocken B. “Towards optimal aerodynamic design of vertical axis wind turbines: Impact of solidity and number of blades”. Energy. 165 (2018): 1129–1148. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.09.192

[6] Islam M., Ting D.S.-K., Fartaj A. “Aerodynamic models for Darrieus-type straightbladed vertical axis wind turbines”. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 12 (2008): 1087–1109.

[7] Krysiński T., Buliński Z., Nowak A.J. “Optimisation of the ellipticaly-shaped rotor of the Savonius wind turbine using evolutionary algorithm”. 5th International Conference on Contemporary Problems of Thermal Engineering. Politechnika Śląska, 2018: 1533–1540.

[8] Eboibi O., Edwards J., Howell R., Danao L. “Development of velocity flow field measurement method around a vertical axis wind turbine blade using particle image velocimetry”. Lecture Notes in Engineering and Computer Science. 2 (2014): 1184–1189.

[9] Wang L., Quant R., Kolios A. “Fluid structure interaction modeling of horizontal-axis wind turbine blades based on CFD and FEA”. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 158 (2016): 11–25.

[10] Lee K., Huque Z., Kommalapati R., Han A. “Fluid-structure interaction analysis of NREL phase VI wind turbine: Aerodynamic force evaluation and structural analysis using FSI analysis”. Renewable Energy. 113 (2017): 512–531.

[11] Kumar D., Sarkar S. “Numerical investigation of hydraulic load and stress induced in Savonius hydrokinetic turbine with the effects of augmentation techniques through fluid-structure interaction analysis”. Energy. 116 (2016): 609–618.

[12] Marzec Ł., Buliński Z., Krysiński T. “Fluid structure interaction analysis of the operating Savonius wind turbine”. Renewable Energy. 164 (2021): 272–284.