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Investigation of small wind energy conversion systems under non-axial inflow conditions = Untersuchung von kleinen Windenergiewandlungssystemen unter nicht-axialen Anströmbedingungen
2023 & 2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-25
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-03802
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/983975/files/983975.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
blade element momentum theory (frei) ; induced velocity correction (frei) ; low wind speeds (frei) ; non-axial inflow (frei) ; small wind turbines (frei) ; vortex cylinder model (frei) ; wind energy conversion systems (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Kleinwindenergieanlagen (KWEA) werden in der untersten und hochturbulenten Schicht der Atmosphäre betrieben und sind in der Regel extremen Windrichtungsänderungen über kurze Zeiträume ausgesetzt. Motiviert von diesem Problem konzentriert sich diese Forschung auf die aerodynamische Modellierung des Rotors einer Windenergieanlage unter 3D nichtaxialen Anströmbedingungen sowie auf die verallgemeinerte Modellierung eines kleinen Windenergiewandlungssystems. Es wurde analytisch nachgewiesen, dass sich die Momentum Theorie unter Berücksichtigung nicht-axialer Anströmbedingungen auf die Verluste beschränkt, die mit der Verringerung der Rotorfläche verbunden sind, die die Strömung wahrnimmt, und die Verluste aufgrund von Veränderungen der Nachlaufströmung hinter der Turbine nicht berücksichtigt. Dieses Problem betrifft zahlreiche weit verwendete Ingenieursmodelle, die auf der Blade Element Momentum Theorie basieren. Daher wurden ein Modell und eine Methodik auf der Grundlage der Vortex Cylinder Theorie entwickelt, um nicht-axiale Anströmbedingungen in diesen Modellen zu berücksichtigen, indem die Berechnung der Induktionsgeschwindigkeit korrigiert wird. Das Korrekturmodell berücksichtigt den Winkel der axialen Fehlausrichtung in 3D sowie die Änderungen in der Geometrie der schraubenförmigen Nachlaufströmung unter den vorgenannten Bedingungen. Die entwickelte Methodik wurde anhand der Referenzdaten des MexNext-Projekts validiert. Außerdem wurde festgestellt, dass geringfügige Schwankungen in der Reynoldszahl die berechneten Kräfte, die ein KWEA-Blatt ausübt, sowie die Blattgeometrie erheblich beeinflussen. Daher wurde eine Methode vorgeschlagen, um die zeitlichen und räumlichen Schwankungen der Reynoldszahl zu berücksichtigen. Darüber hinaus wurde dieses Konzept zur Korrektur des BEM-basierten Modells für das Design der Blattgeometrie verwendet. Anhand des korrigierten Modells wurde ein KWEA-Rotor mit zwei Blättern entwickelt. Das aerodynamische Modell wurde an dem MEXICO-Rotor mit 4,5 Metern Durchmesser und drei Blättern sowie an dem in dieser Arbeit entwickelten zweiblättrigen Rotor mit zwei Metern Durchmesser getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Unterschätzung der Schwankungen der Reynoldszahl zur Überschätzung der Leistung führt, insbesondere bei niedrigen Windgeschwindigkeiten. Schließlich wird ein holistisches Modell für kleine WEA als Windenergiewandlungssysteme vorgeschlagen, das die mathematische Darstellung des mechanisch-elektrischen Energiewandlungsteils des Systems vereinfacht. Das Modell ermöglicht eine schnelle Analyse der Basis-Energieverluste in kleinen Windenergiewandlungssystemen.Small wind turbines (SWTs) operate in the lowest and highly turbulent layer of the atmosphere and are typically exposed to extreme changes in wind direction over short periods of time. Motivated by this issue, this thesis focuses on the aerodynamic modeling of wind turbine rotors under 3D non-axial inflow conditions, as well as the generalized modeling of small wind energy conversion systems. It has been analytically demonstrated that momentum theory is limited to the losses associated with the reduction in rotor area that perceives flow and does not account for losses due to changes in the wake behind the turbine when considering non-axial inflow conditions. This issue affects many widely used engineering models based on the blade element momentum theory. Thus, a model and methodology based on vortex cylinder theory have been developed to account for non-axial inflow conditions in these models by correcting the calculation of induced velocity. The correction model takes into account the angle of axial misalignment in 3D as well as the changes in the geometry of the helical wake under the aforementioned conditions. The developed technique has been validated against the MexNext project reference data. Furthermore, minor variations in the chord-based Reynolds number have been found to significantly affect the calculated forces acting on SWT blades, as well as the blade geometry. Thus, a technique has been proposed to account for variations in Reynolds number over time and space. In addition, this approach has been applied to correct the BEM-based model for blade geometry design. The corrected model was then used to design a two-blade small HAWT rotor. The aerodynamic model has been tested on the 4.5-meter MEXICO rotor with three blades and on the two-bladed 2-meter HAWT rotor developed in this thesis. The results obtained highlight the effect of underestimating chord-based Reynolds number variability, leading to the power output being overestimated, particularly at low wind speeds. Finally, a coupled reduced-order model for small HAWTs as wind energy conversion systems, simplifying the mathematical representation of the mechanical-to-electrical energy conversion part of the system, is proposed. The model enables quick analysis of base energy losses in small WECSs.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030724548
Interne Identnummern
RWTH-2024-03802
Datensatz-ID: 983975
Beteiligte Länder
Germany
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