[논문 리뷰] Wake Structure of Wind Turbines in Yaw under Uniform Inflow Conditions

Michael F. Howland, Juliaan Bossuyt외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 21.

Wind Energy Research and Development참고 문헌 33인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 균일한 유입 조건 하에서 기울인 풍력 터빈의 후류 구조를 풍동 실험과 대규모 난류 시뮬레이션을 통해 조사한다. 기울임으로 인해 발생하는 말랑한, 스판와이즈 비대칭 후류 형태가 드러나며, 이는 후행 터빈 상호작용에 크게 영향을 미친다. 이는 기울임 기반 후류 방향 조절을 통한 풍력단지 제어 전략 최적화에 핵심적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 균일한 유입 조건 하에서 기울임이 풍력 터빈의 후류 방향 전환과 형태에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 특히 스판와이즈 비대칭성을 포함한 기울인 터빈 후류의 3차원 형태를 특성화하는 것.
• 액터 디스크 및 라인 모델을 사용한 대규모 난류 시뮬레이션을 통해 실험 관측 결과를 검증하는 것.
• 비대칭 후류 형태가 후행 터빈의 하중과 풍력단지 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 기울임 기반 후류 관리 전략을 최적화하기 위한 기초 자료를 제공하는 것.

제안 방법

• 균일한 유입 조건 하에서 비회전 풍력 터빈을 나타내는 다공성 디스크 모델을 사용해 풍동 실험을 수행하였다.
• 후행 다수의 위치에서 유속 분포를 측정하여 후류 방향 전환과 형태를 정량화하였다.
• 기존 연구와의 비교를 통해 기울임에 의한 후류 행동의 현실성과 타당성을 검증하였다.
• 액터 디스크 및 액터 라인 모델을 사용한 대규모 난류 시뮬레이션(Large Eddy Simulations, LES)을 수행하여 후류 역학을 재현하였다.
• 유속장 복원 및 유동 시각화를 통해 후류 말랑함과 스판와이즈 비대칭성을 분석하였다.
• 실험과 시뮬레이션 간의 정량적 비교를 통해 모델의 정밀도와 후류 형태를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울인 풍력 터빈이 후류의 방향 전환과 3차원 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 기울임 조건에서 후류가 스판와이즈 비대칭성 또는 말랑함을 얼마나 강하게 나타내는가?
• RQ3 액터 디스크 및 라인 모델을 사용한 대규모 난류 시뮬레이션은 관측된 후류 형태를 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ4 비대칭 후류 구조는 후행 터빈과의 후류 간섭 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 기울인 풍력 터빈에서 말랑한 후류 구조를 정의하는 주요 유동 특성은 무엇인가?

주요 결과

• 기울인 풍력 터빈 모델은 실제 후류 방향 전환을 성공적으로 재현하여 실험 설정의 타당성을 확인하였다.
• 실험적으로 명백한 말랑한 후류 구조와 뚜렷한 스판와이즈 비대칭성이 관측되어 복잡한 3차원 유동 역학을 시사하였다.
• 액터 디스크 및 라인 모델을 모두 사용한 대규모 난류 시뮬레이션은 말랑한 후류 형태를 정성적으로 재현하였다.
• 후류 말랑함은 기울임으로 인한 동역학적 손실 분포의 불균형으로 인해 비대칭 코어 구조가 발생함에 기인한다.
• 스판와이즈 비대칭성은 후행 터빈 하중 예측을 위해 후류 방향 전환만 고려하는 것으로는 부족하며, 후류 형태도 함께 고려해야 함을 시사한다.
• 이러한 결과는 기울임 기반 후류 제어 전략이 비대칭 후류 형태를 고려해야만 풍력단지 효율을 극대화할 수 있음을 시사한다.