[論文レビュー] Maximizing wind farm power output with the helix approach -- experimental validation and wake analysis using tomographic PIV

Daan van der Hoek, Bert Van den Abbeele+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2023

Wind Energy Research and Development被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、トモグラフィックPIVを用いた風洞実験を通じて、ヘリックス法——タービンの後流にヘリカルな速度プロファイルを誘導するための動的個別ピッチ制御を用いた新規な風力発電所制御手法——の実験的妥当性を検証している。この手法により、ブレード先端渦の崩壊が促進され、2つのタービンからなる構成で合計出力が最大で15%向上する。

ABSTRACT

Wind farm control can play a key role in reducing the negative impact of wakes on wind turbine power production. The helix approach is a recent innovation in the field of wind farm control, which employs individual blade pitch control to induce a helical velocity profile in a wind turbine wake. This forced meandering of the wake has turned out to be very effective for the recovery of the wake, increasing the power output of downstream turbines by a significant amount. This paper presents a wind tunnel study with two scaled wind turbine models, of which the upstream turbine is operated with the helix approach. We used tomographic particle image velocimetry to study the dynamic behavior of the wake under influence of the helix excitation. The measured flow fields confirm the wake recovery capabilities of the helix approach compared to normal operation. Additional emphasis is put on the effect of the helix approach on the breakdown of blade tip vortices, a process that plays an important role in re-energizing the wake. Measurements indicate that the breakdown of tip vortices, and the resulting destabilization of the wake is enhanced significantly with the helix approach. Finally, turbine measurements show that the helix approach was able to increase the combined power for this particular two turbine setup by as much as 15%.

研究の動機と目的

• スケール風洞モデルを用いたヘリックス法の実験的妥当性の検証（風力発電所の出力最大化を目的とする）。
• トモグラフィックPIVを用いたヘリックス励振下における動的後流行動の分析。
• ヘリックス法がブレード先端渦の崩壊および後流の再エネルギー化に与える影響の調査。
• ヘリックス制御下における2タービン風力発電所構成の出力向上の定量的評価。

提案手法

• 上流タービンがヘリックス法で制御された2台の風力タービンモデルを用いたスケール風洞実験を実施した。
• 後流の三次元的かつ時間分解能のある流れ場を測定するために、トモグラフィック粒子像速度計測（tomo-PIV）を用いた。
• ヘリックス法は動的個別ピッチ制御（DIPC）により実装され、位相差をもつ周期的なヨーおよびチルトモーメントを発生させ、ヘリカルな推力パターンを形成した。
• 正常運転時とヘリックス運転時の後流特性を比較し、回復および混合の度合を評価した。
• 渦の崩壊ダイナミクスは、渦度の時間発展およびブレード先端渦のペアリング行動の追跡により分析した。
• 上流および下流タービンの出力を測定し、システム全体の出力向上を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2タービン風力発電所構成において、ヘリックス法は後流回復および速度欠損の消失にどのように影響するか？
• RQ2 ヘリックス法は、後流におけるブレード先端渦の崩壊およびペアリングにどのような影響を及えるか？
• RQ3 ヘリックス法は、後流における乱流混合および混合の強化にどの程度寄与するか？
• RQ4 従来の制御手法と比較して、ヘリックス法を用いることで測定可能な出力向上はどの程度か？

主な発見

• ヘリックス法は顕著に後流回復を促進し、上流タービンの下流における速度欠損を低減した。
• トモグラフィックPIV測定により、ヘリックス法がブレード先端渦の崩壊を促進し、乱流混合を増加させることを確認した。
• DIPCによって誘導されたヘリカルな後流構造は、高動量流の後流への強力な混合を促進し、より効果的に後流を再エネルギー化した。
• ヘリックス制御下では、先端渦の崩壊がより速く、より強力に観察されたため、後流回復がより迅速に進行した。
• 2タービン構成において、ヘリックス法を用いることで合計出力が最大で15%向上した。
• 実験結果は、ヘリックス法が後流混合の強化および出力最大化に有効であることを裏付け、事前の大渦シミュレーションの結果とも整合した。