THE EFFECT OF AIRFOIL BACKWARD-FACING STEP ON POWER PRODUCTION OF A DARRIEUS VERTICAL-AXIS WIND TURBINE

Abstract

Airfoils which have backward facing steps are called Kline-Fogleman airfoils and those have previously shown to have lift/drag enhancement potentials over conventional airfoils. Darrieus vertical-axis wind turbines rotate by the lift generated on its airfoils. The exploration of power enhancement potentials of such turbines is a current scientific topic in the literature. In this study, the effects of stepped airfoils in a Darrieus turbine is studied by validated computational fluid dynamics (CFD) simulations, to the author’s best knowledge, for the first time in the open literature. The comparisons revealed that this has both positive and negative effects. Optimized step geometries with active flow control may eliminate negative aspects and improve overall performance. This study is expected to be a reference study on this area

Keywords

• Darrieus, Vertial Axis, Wind Turbine, Kline-Fogleman, Step, CFD

KANATLARINA BASAMAK AÇMANIN DARRİEUS DÜŞEY EKSENLİ RÜZGAR TÜRBİNİ GÜÇ ÜRETİMİNE ETKİSİ

Abstract

Bir kanadın firar kenarı tarafına basamak açmanın, o kanadın kaldırma/sürükleme kuvvet oranını arttırabildiği literatürde belirlenmiştir. Bu tip kanatlara Kline-Fogleman kanatları denmektedir. Düşey eksenli Darrieus rüzgar türbinleri ise kanatların kaldırma kuvvetiyle dönen türbinlerdir. Bu türbinlerin güç artış potansiyellerinin ortaya çıkarılması literatürde yoğunlukla çalışılan güncel bir bilimsel araştırma konusudur. Bu çalışmada Kline-Fogleman kanatlarının Darrieus türbininde, yazarların bilgisi dahilinde, literatürde ilk defa kullanılmasının güç üretimine etkisi, önceden doğrulanmış hesaplamalı akışkanlar mekaniği (HAD) analizleri vasıtasıyla incelenmiştir. Yapılan karşılaştırmalarla, bunun olumlu ve olumsuz etkilerinin olduğu saptanmıştır. İleriki çalışmalarda aktif kontrollü farklı basamak geometrileriyle gözükmektedir. Bu çalışmanın, konusunda bir referans çalışma olması beklenmektedir. iyileştirmeler elde edilmesi mümkün

Keywords

• Darrieus, Düşey Eksenli, Rüzgar Türbini, Kline-Fogleman, Basamak, HAD

References

1. Paraschivoiu I. 2002. Wind Turbine
2. Design: With Emphasis on Darrieus Concept. Polytechnic International Concept, Montreal, 450 s. Darrieus G. 1931. Turbine Having
3. Its Rotating Shaft Transverse to the Flow of the Current. U.S. Patent ,835,018 08. Howell R, Qin N, Edwards J, Durrani, N. 2010. Wind Tunnel and Numerical Study of a Small Vertical-Axis
4. Renewable Energy, Cilt 35, s. 412- DOI:10.1016/j.renene.2009.07.025
5. Sutherland H J, Berg, D E, Ashwill T D. 2012. A Retrospective of VAWT Technology. SAND2012-0304. Report Summaries of
6. Banas J F, Sullivan W N. Sandia. Vertical-Axis Wind Turbine Program Report. Sandia Laboratuvarları. Quarterly Worstell M H. 1978. Aerodynamic
7. Performance of the 17 Meter Diameter Darrieus Wind Turbine. Sandia Laboratuvarları. Sheldalh R E, Klimas P C, Feltz L V. Aerodynamic Performance of a 5-Metre-Diameter Darrieus Turbine With Extruded Aluminum NACA-0015 Laboratuvarları. Sandia
8. Tescione G, Ragni D, He C, Ferreira C J S, Bussel C J W. 2014. Near

9. Wake Flow Analysis of a Vertical- Axis Wind Turbine By Stereoscopic Particle Renewable Energy, Cilt 70, s. 47- DOI:10.1016/j.renene.2014.02.042
10. Lam H F, Peng H Y. 2016. Study of
11. Wake Characteristics of a Vertical Axis Wind Turbine by Two and Three Dimensional Computational Fluid Renewable Energy, Cilt 90, s. 386- DOI:10.1016/j.renene.2016.01.011
12. Li Q, Maeda T, Kamada Y, Murata J, Yamamoto M, Ogasawara T, Shimizu K, Kogaki T. 2016. Study on Power Performance for
13. Straight-Bladed Vertical Axis Wind Turbine by Field and Wind Tunnel Tests. Renewable Energy, Cilt 90, s. 300. DOI:10.1016/j.renene.2016.01.002 Khosrowponah, S.
14. Experimental Study of the Cross- Flow Turbine: Colorado State University, Doktora Tezi. Colley G, Mishra R, Rao H V, Woolhead R. 2010. Effect of Rotor
15. Blade Position on Vertical Axis Wind International Renewable Energy and Power Quality (ICREPQ 10), Granada, İspanya. on Fukutomi J, Shigemitsu T, Daito H. Study on Performance and Flow Condition of a Cross-Flow Wind Turbine With a Symmetrical Casing, Engineering, Cilt 133, s. 490-501. DOI:10.1115/1.4004023 Fluids
16. Araya D B, Craing A E, Kinzel M, Dabiri J. 2014. Low order Modeling of Wind Farm Aerodynamics Using
17. Leaky Rankine Bodies, Journal of Renewable and Sustainable Energy, Cilt 6. DOI: 10.1063/1.4905127
18. Dabiri J, Greer J R, Koseff J R, Moin P, Peng J. 2015. A New Approach to
19. Wind Energy: Opportunities and Challenges, Proceedings 1652 (51), Berkeley, ABD. Conference Karadeniz, Z.H. 2015. Düşey Eksenli
20. Araştırmalarında Son Gelişmeler. 8. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Adana, Türkiye. Kline R. 1985. The Ultimate Paper
21. Airplane. Simon and Schuster Publication, New York. Fertis D G. 1994. New Airfoil
22. Design Concept with Improved Aerodynamic Journal of Aerospace Engineering, DOI:10.1061/(ASCE)0893- (1994)7:3(328)
23. Witherspoon S, Finaish F. 1996.
24. Experimental and Computational Studies of Flow Developments Around an Airfoil With Backward Facing Steps. AIAA-96-2481-CP.
25. Karunakaran C S. 2013. Study of Flow Field over Fabricated Airfoil Models of NACA 23015 with Its
26. Kline-Fogleman Variant, Advances in Applications, s. 95-100. and Bos R. 2012. Self-Starting of a Small
27. Urban Darrieus Rotor: Strategies to Boost Reynolds-Number Flows. Delft University of Technology, Yüksek Lisans Tezi. in Low- Baytekin, E., Acarer, S., Karadeniz, Z.H., Turgut, A. 2016. Darrieus Tipi
28. Bir Rüzgar Türbininde Kanat Ucu Hızı Oranının Art İzine Etkisi, 10. Uluslararası Sempozyumu (UTES), İstanbul, Türkiye. Enerji