[논문 리뷰] Maximizing wind farm power output with the helix approach -- experimental validation and wake analysis using tomographic PIV

Daan van der Hoek, Bert Van den Abbeele외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 22.

Wind Energy Research and Development인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 톰그래픽 PIV를 사용한 풍동 실험을 통해 나선형 속도 프로파일을 유도하기 위해 동적 개별 피치 제어를 사용하는 새로운 풍력단지 제어 방법인 헬릭스 방식의 타당성을 검증한다. 이 방법은 블레이드 터널 빛의 붕괴를 가속화시켜 웨이크 복구를 향상시켜 두 기의 풍력터빈 조합에서 최대 15%의 병합 출력 증가를 이룬다.

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%.

연구 동기 및 목표

• 스케일된 풍동 모델을 사용하여 헬릭스 방식의 풍력단지 출력 최적화를 실험적으로 검증하는 것.
• 톰그래픽 PIV를 사용하여 헬릭스 자극 하에서의 동적 웨이크 거동을 분석하는 것.
• 헬릭스 방식이 블레이드 터널 소용돌이 붕괴 및 웨이크 재에너지화에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 헬릭스 제어 하에서 두 기의 풍력터빈 풍력단지 구성에서의 출력 증가를 정량화하는 것.

제안 방법

• 상류 터빈이 헬릭스 방식으로 작동하는 두 대의 풍력터빈 모델을 사용한 스케일된 풍동 실험을 수행하였다.
• 웨이크 내의 3차원적이고 시간에 따라 변화하는 유동장을 측정하기 위해 톰그래픽 입자 영상 속도측정법(tomographic PIV)을 사용하였다.
• 헬릭스 방식은 동적 개별 피치 제어(DIPC)를 통해 구현되었으며, 위상 차이를 가진 주기적인 요아 및 기울임 모멘트를 유도하여 나선형 추진력 패턴을 생성하였다.
• 웨이크 특성을 정상 작동과 헬릭스 작동 간에 비교하여 복구 및 혼합 정도를 평가하였다.
• 블레이드 터널 소용돌이의 쇄도 및 쌍을 이루는 행동을 추적하여 소용돌이 붕괴 역학을 분석하였다.
• 전체 시스템의 성능 향상을 측정하기 위해 상류 및 하류 터빈의 출력을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헬릭스 방식은 두 기의 풍력터빈 풍력단지 구성에서 웨이크 복구 및 속도 저하 감소에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 헬릭스 방식은 웨이크 내에서 블레이드 터널 소용돌이의 붕괴 및 쌍을 이루는 데에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 헬릭스 방식은 웨이크 내에서 난류 혼합 및 유입에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 기존 제어 방식과 비교했을 때 헬릭스 방식을 사용할 경우 측정 가능한 병합 출력 증가율은 어느 정도인가?

주요 결과

• 헬릭스 방식은 웨이크 복구를 크게 향상시켜 상류 터빈 하류에서의 속도 저하를 감소시켰다.
• 톰그래픽 PIV 측정 결과, 헬릭스 방식은 블레이드 터널 소용돌이의 붕괴를 가속화시켜 난류 혼합을 증가시킴을 확인하였다.
• DIPC에 의해 유도된 나선형 웨이크 구조는 고동량 유동의 더 강한 유입을 유도하여 웨이크를 더 효과적으로 재에너지화하였다.
• 헬릭스 제어 하에서는 블레이드 터널 소용돌이의 붕괴가 더 빠르고 강렬하게 관찰되어 더 빠른 웨이크 복구에 기여하였다.
• 헬릭스 방식을 적용한 두 기의 풍력터빈 구성에서 병합 출력이 정상 작동 대비 최대 15% 증가하였다.
• 실험 결과는 헬릭스 방식이 웨이크 혼합 향상 및 출력 최적화에 효과적임을 확인하였으며, 이는 이전의 대규모 난류 시뮬레이션 결과와 일치한다.