[論文レビュー] Wake Structure of Wind Turbines in Yaw under Uniform Inflow Conditions

Michael F. Howland, Juliaan Bossuyt+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2016

Wind Energy Research and Development参考文献 33被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、均一な流入下におけるヨー角を有する風力タービンの流れ下構造を、風洞実験および大渇乱シミュレーションを用いて調査する。ヨー角によって生じるねじれ、スパン方向に非対称な流れ下形状が明らかになった。これは、ヨー角を用いた流れ下制御戦略の最適化に不可欠である。

ABSTRACT

Reducing wake losses in wind farms by deflecting the wakes through turbine yawing has been shown to be a feasible wind farm controls approach. Nonetheless, the effectiveness of yawing depends not only on the degree of wake deflection but also on the resulting shape of the wake. In this work, the deflection and morphology of wakes behind a wind turbine operating in yawed conditions are studied using wind tunnel experiments of a wind turbine modeled as a porous disk in a uniform inflow. First, by measuring velocity distributions at various downstream positions and comparing with prior studies, we confirm that the non-rotating wind turbine model in yaw generates realistic wake deflections. Second, we characterize the wake shape and make first observations of what is termed a curled wake, displaying significant spanwise asymmetry. The wake curling observed in the experiments is also reproduced qualitatively in large eddy simulations using both actuator disk and actuator line models. When a wind turbine is yawed for the benefit of downstream turbines, the asymmetric shape of the wake must be taken into account since it affects how much of it intersects the downstream turbines.

研究の動機と目的

• 均一な流入下におけるヨー角が風力タービンの流れ下の偏向および形状に与える影響を理解すること。
• 特にスパン方向の非対称性を特徴付ける、ヨー角を有するタービンの流れ下の三次元的形状を特定すること。
• アクチュエータディスクおよびアクチュエータラインモデルを用いて、実験的観察を大渇乱シミュレーションで検証すること。
• 非対称な流れ下形状が、下流のタービンへの荷重および風力発電所の性能に与える影響を評価すること。
• ヨー角を用いた流れ下管理戦略の最適化に資する基盤データを提供すること。

提案手法

• 均一な流入下で回転しない風力タービンを表す多孔質ディスクモデルを用いた風洞実験を実施した。
• 複数の下流位置での速度分布を測定し、流れ下の偏向および形状を定量的に評価した。
• 先行研究と比較することで、ヨー誘発流れ下行動の現実性を検証した。
• アクチュエータディスクおよびアクチュエータラインモデルを用いて、流れ下のダイナミクスを再現する大渇乱シミュレーション（LES）を実施した。
• 速度場再構築および流れ可視化を用いて、流れ下のねじれおよびスパン方向非対称性を分析した。
• 実験とシミュレーションの定量的比較を通じて、モデルの妥当性および流れ下形状の評価を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風力タービンをヨーさせることで、その流れ下の偏向および三次元的形状はどのように変化するか？
• RQ2 ヨー状態下で、流れ下はどの程度スパン方向非対称性またはねじれを示すか？
• RQ3 アクチュエータディスクおよびアクチュエータラインモデルを用いた大渇乱シミュレーションは、観測された流れ下形状を正確に再現できるか？
• RQ4 非対称な流れ下構造は、下流タービンへの流れ下干渉の可能性にどのように影響するか？
• RQ5 ヨー角を有する風力タービンにおけるねじれ流れ下構造を特徴付ける主要な流れ特徴は何か？

主な発見

• ヨー角を有する風力タービンモデルは、現実的な流れ下偏向を再現でき、実験設定の妥当性が確認された。
• 実験的に明確なねじれを示す流れ下構造と顕著なスパン方向非対称性が観測され、複雑な三次元的流れ動態が示された。
• 大渇乱シミュレーションは、アクチュエータディスクおよびアクチュエータラインモデルの両方を用いて、ねじれ流れ下構造を定性的に再現した。
• 流れ下のねじれは、ヨーによって生じる運動量欠損の不均衡に起因し、非対称な渦度構造が関与しているとされた。
• スパン方向非対称性は、流れ下の偏向のみでは下流タービンへの荷重を予測するのに不十分であることを示唆しており、流れ下形状の考慮が不可欠である。
• 本研究の結果は、風力発電所の効率を最大化するためのヨー角を用いた流れ下制御戦略において、非対称な流れ下形状を考慮する必要があることを示唆している。