Two Dimensional Numerical Analysis of Dual Working Vertical Axis Wind Turbine Performances

Öz

Abstract Location of turbines with respect to each other is quite important for designing wind power plants. Therefore, it is an important question how the performance of vertical axis wind turbines (VAWT) changes if they work in pairs. In this context, reasons of performance enhancement of dually working VAWTs as showed in literature should be investigated. Because of non-controllable nature of wind velocity and flow distruptive structural parts of VAWT, fistly, two dimensional numerical analysis of simplified model must be done instead of field test. In this study, two dimensional numerical analysis by using simplified VAWT model has been done for investigating how is turbine performance changing with different center distances (1.5, 2, 2.5, 4 diameter from center to center) and TSRs (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3). The results show that performance of dually working VAWTs is 26% higher than single working VAWT. It is obtained that the main reason of this performance enhancement is blockage effect and other factors as divergence lateral velocities and air accelerating between VAWTs zone are less effective.

Anahtar Kelimeler

• Vertical axis wind turbine 1
• pair 2
• two-dimensional numerical simulation 3

Eşli Çalışan Düşey Eksenli Türbin Performansının İki Boyutlu Benzetimi

Öz

Rüzgar enerji santralindeki (RES) türbinlerin birbirine göre konumları oldukça önemlidir. Bu açıdan önemli hususlardan biri de, birbirine yakın konumda çalışan iki düşey eksenli türbinin (DERT) birbirlerinin performansına olan etkisidir. Literatürde gösterilmiş olan, birlikte çalışan DERT’lerin performansındaki yükselişin nedenlerinin araştırılması gerekmektedir. Saha testlerinde rüzgâr hızlarının tam olarak kontrol edilememesi ve düşey eksenli türbinin kanat dışındaki yapısal elemanlarının akış bozucu etkisi olması, problemin daha basit haliyle, iki boyutlu bilgisayar benzetimi yöntemiyle incelenmesini zorunlu kılmıştır. Bu amaçla çalışma kapsamında, düşey eksenli türbinin akışı bozacak parçalarını ihmal ederek, farklı merkezler arası uzaklığa (1,5, 2, 2,5 ve 4) sahip eşli çalışan iki türbinin performansının farklı uç hız oranlarında (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5 ve 3 uç hız oranı) tek çalışan türbine göre nasıl değiştiği iki boyutlu bilgisayar benzetimleriyle incelenmiştir. Eşli çalışma durumunda türbin performansının tek çalışmaya göre %26 yükseldiği görülmüştür. Bu yükselişin ana etkeninin blokaj etkisi olduğu, yanal hızların ve iki türbin ara bölgesinde hızlanan akış gibi etkilerin ise daha az olduğu saptanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Düşey eksenli rüzgar türbini
• eşli
• iki boyutlu benzetim
• Vertical axis wind turbine 1
• pair 2
• two-dimensional numerical simulation 3

Kaynakça

1. [1] Whittlesey, R. W., Liska, S., & Dabiri, J. O., 2010. Fish Schooling as a Basis for Vertical Axis Wind Turbine Farm Design, Bioinspiration&Biomimetics 5, ABD.
2. [2] Dabiri, J. O., 2011. Potential order-of-magnitude enhancement of wind farm power density via counter-rotating vertical-axis wind turbine arrays. Journal of renewable and sustainable energy, 3(4), 043104.
3. [3] Howell, R., Qin, N., Edwards, J., Durrani, N., 2010. Wind Tunnel and Numerical Study of a Small Vertical Axis Wind Turbine. Renewable Energy, İngiltere.
4. [4] Korobenko, A., Hsu, M.-C., Akkerman, I., & Bazilevs, Y., 2013. Aerodynamic Simulation of Vertical-Axis Wind Turbines. Journal of Applied Mechanics.
5. [5] Zanforlin, S., Nishino, T., 2016. Fluid Dynamic Mechanisms of Enhanced Power Generation by Closely Spaced Vertical Axis Wind Turbines. Renewable Energy, 99.
6. [6] Alexander, A. S., Santhanakrishnan, A., 2020. Mechanisms of Power Augmentation in Two Side-by-side Vertical Axis Wind Turbines. Renewable Energy, 148, 600-610.
7. [7] Guilbot, M., Barre, S., Balarac, G., Bonamy, C., Guillaud, N., 2020. A Numerical Study of Vertical Axis Wind Turbine Performances in Twin-rotor Configurations. In Journal of Physics: Conference Series (1618, No. 5, s. 052012).
8. [8] Hara, Y., Jodai, Y., Okinaga, T., Furukawa, M., 2021. Numerical Analysis of the Dynamic Interaction between Two Closely Spaced Vertical-Axis Wind Turbines. Energies, 14(8), 2286.

9. [9] Balduzzi, F., Bianchini, A., Maleci, R., Ferrara, G., & Ferrari, L. 2016. Critical issues in the CFD simulation of Darrieus wind turbines. Renewable Energy, 85, 419-435.