Numerical Analysis for Dynamic Stall Control Elements on Vertical-Axis Wind Turbines

Abstract

La energía eólica está demostrando ser un medio de generación de energía cada vez más fiable y eficiente, al ser posible una generación de energía en masa y libre de subsidios económicos. Esto está todo siendo conseguido por las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWTs). Sin embargo, existe otro tipo de turbinas de eje vertical (VAWTs), que tras una pausa de una década, están volviendo a ser investigadas. Las VAWTs podrían posibilitar generación de energía silenciosa y eficiente en ambientes urbanos o muy cambiantes, donde la naturaleza inflexible de las HAWTs (por ejemplo, las HAWTs no pueden adaptarse a cambios grandes en la dirección del viento) las limita. Uno de los principales problemas a los que se enfrenta la implementación de VAWTs es la ocurrencia de entrada en pérdida dinámica a ciertos ángulos relativos a la dirección del viento. La entrada en pérdida afecta gravemente a la turbina, decreciendo el par dinámico y por tanto la energía generada, además de creando momentos flectores que pueden afectar la estructura de la turbina en general. Por tanto, el objetivo de este proyecto es estudiar la posibilidad de evitar la entrada en pérdida implementando en la pala elementos pasivos simples de control, y determinar el efecto de estos elementos pasivos en la generación de energía, comparado con el caso de turbina base. Al contrario de los dispositivos activos de control (por ejemplo, ”jets” sintéticos o control de cabeceo), los elementos pasivos tienen como objetivo la simplicidad estructural, lo que es un requisito para las aplicaciones domésticas. De esta manera, es posible ofrecer costes bajos de adquisición y mantenimiento.

Wind energy is proving to be an increasingly more reliable, efficient means of generating energy, as mass, subsidy-free power generation becomes a reality. This is all being achieved by Horizontal-Axis Wind Turbines (HAWTs). Nonetheless, there is also another type of turbines, namely Vertical-Axis Wind Turbines (VAWTs), which after a decade-long hiatus, are being widely researched again. VAWTs could enable efficient, quiet power generation in urban or highly-changing environment, where the inflexible nature of HAWTs (for example, HAWTs cannot adapt to large wind heading changes) is limiting. One of the main problems faced by the implementation of VAWTs is the occurrence of dynamic stall at certain angles relative to the wind heading. Stall affects the turbine severely, decreasing torque and therefore power generation as well, and creating bending moments which can affect the structure of the overall turbine. Thus, the objective of this project is to study the avoidance of dynamic stall by implementing simple passive stall control devices on the blade, and determine their effect on power generation when compared to the clean turbine. As opposed to active stall control devices (for example, synthetic jets or pitch control), passive devices aim for structural simplicity, which is demanded for domestic application, so as to offer low upfront and maintenance costs.