A floating wind turbine dynamic simulation program, WindHydro, is newly developed taking into account wind inflow and incident wave. WindHydro consists of 5 modules, HDFloat for hydrodynamics, HDProp for hydrodynamic property calculation, HDMoor for mooring dynamics, AeroDyn for aerodynamics, DAFUL for multi-body dynamics with nonlinear elasticity, and interface program that connects each calculation module. A turbulent wind and regular wave load case is simulated for the 5-MW OC3-Hywind with a spar bouy platform and catenary mooring lines. The results are compared with the results of the FAST(developed by NREL). As a result, the overall system responses from WindHydro and FAST agree well although some differences in the generator responses are observed.
There have been many academic researches on the aerodynamic design of wind turbine based on blade element method (BEM) and momentum theory (MT, or actuating disk theory). However, in the real world, the turbine blade design requires many additional constraints more than theoretical analysis. The standard procedure is studied in the present paper to design new blades for the wind turbine system ranged from the small size from 1 to 10 kW. From the experience of full design of a 10 kW blade, the authors tried to set up a standard procedure for the aerodynamic design based on IEC 61400-2. Wind-turbine scale, rotating speed, and geometrical chord/twist distribution at the segmented span positions are calculated with a suitable BEM/MT code, and the geometrical shape of tip and root should be modified after considering various parameters: wing-tip vortex, aerodynamic noise, turbine efficiency, structural safety, convenience of fabrication, and even economic factor likes price, etc. The evaluated data is passed to the next procedure of structural design, but some of them should still be corresponded with each other: the fluid-structure interaction is one of those problems not yet solved, for example. Consequently, the design procedure of small wind-turbine blades is set up for the mass production of commercial products in this research.
Static aeroelastic is investigated in a wind turbine blade. Imposed to different loadings, the very long and flexible structures of blades experience some changes in its preliminary geometry. This results in variations of aerodynamic loadings. An iterative approach is developed to study the interactions between structure and aerodynamics evaluating variations in induced stresses in presence of aeroelasticity phenomenon for a specific wind turbine blade. A 3D finite element model of the blade is constructed. Aerodynamic loading is applied to the model and deflected shape is extracted. Then, aerodynamic loadings are updated in accordance with the new geometry of the deflected blade. This process is repeated till the convergence is met. Different operational conditions consisting of stand-by, start-up, power production and normal shut-down events are investigated. It is revealed that stress components vary significantly in the event of power production at the rated wind speed; while it is less pronounced for the events of normal shut-down and stand-by.
In this paper, an integrator based method to estimate the effective wind speed in wind turbine systems is proposed. First, the aerodynamic torque was accurately estimated through a proportional gain based observer where the generator speed is the measured output of the system. The torque signal contains not only useful frequencies of the wind, but also high frequencies and the ones due to structural vibration. The useful information of the wind signal is low frequency. A spectral analysis permitted the determination of the useful frequencies. The high frequencies were then filtered before introducing the torque signal in the wind speed observer. The desired effective wind speed was extracted through an integrator based observer using the previously estimated aerodynamic torque. The strength of the method is to avoid numerical solutions used in literature of the wind speed estimation. The effectiveness of the proposed wind speed estimator and its use to control the generator speed has been tested under turbulent situations using the FAST software (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence), for large scale Megawatt turbine.
A floating wind turbine dynamic simulation program, 'WindHydro', is newly developed. In order to investigate the characteristics of the program, a series of loading cases are simulated such as (1) wind only case, (2) free decay cases with initial displacement, (3) wave only case (4) wind and wave case. The simulations are carried out for the 5-MW OC3-Hywind model which has a spar buoy and catenary mooring lines. As a result, the reliability of WindHydro is verified in most viewpoints although additional study is still necessary to clear out some uncertainty of the program.
The world is gradually running short of fossil fuel. Currently, the role of wind turbine is attracting great attention from all over the world. The objective of this study is to investigate blades of Vertical-axial wind turbine (VAWT) for optimum design using the CFD from the aerodynamics point of view. Because one of the performance of wind turbine depends on shape of blades, the study of comparing one gyro mill type blade and a modified one was carried out. Using the results of computation, we calculated and compared RPM for both models at same wind velocity. And we calculated angular acceleration and moment of inertia to find torque in every time-step. And the pressure contour and velocity profile around the blade were analyzed Also, this study is performed to calculate the wake effect.
Most airfoils for wind turbines commercially available have been developed for aircrafts, which are operated at high Reynolds numbers. However, Reynolds numbers of wind turbines are very low compared to those of aircrafts. In other to improve wind turbine performances, airfoils for the use of wind turbine shall be designed such as S-series airfoils developed by NREL in America. The authors have designed new airfoils for wind turbines considering designated operation conditions of wind turbines and even local wind resources in Korea. The designed airfoils are characterized by improved roughness insensitivities compared to other airfoils such as S814 and S820. The developed KWA005-240 and KWA009-127 are for root and tip sections of a wind turbine blade, respectively. Although the results show much improved performances against NACA airfoils, performance data of post-stall regulation loses some accuracies due to the characteristics of the simulation tool of XFOIL. Therefore, wind tunnel experiments are required for more accurate evaluation of the designed airfoils. Currently, the experiments has been completed and the data analysis works are going on now. The final results obtained from the experiments will be published soon.
This study aims to evaluate the dynamic responses of the jacket-type offshore wind turbine using FAST software (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence). A systematic series of simulation cases of a 5 MW jacket-type offshore wind turbine, including wind-only, wave-only, wind & wave load cases are conducted. The dynamic responses of the wind turbine structure are obtained, including the structure displacement, rotor speed, thrust force, nacelle acceleration, bending moment at the tower bottom, and shear force on the jacket leg. The calculated time-domain results are transformed to frequency domain results using FFT and the environmental load with more impact on each dynamic response is identified. It is confirmed that the dynamic displacements of the wind turbine are dominant in the wave frequency under the incident wave alone condition, and the rotor thrust, nacelle acceleration, and bending moment at the bottom of the tower exhibit high responses in the natural frequency band of the wind turbine. In the wind only condition, all responses except the vertical displacement of the wind turbine are dominant at three times the rotor rotation frequency (considering the number of blades) generated by the wind. In a combined external force with wind and waves, it was observed that the horizontal displacement is dominant by the wind load. Additionally, the bending moment on the tower base is highly affected by the wind. The shear force of the jacket leg is basically influenced by the wave loads, but it can be affected by both the wind and wave loads especially under the turbulent wind and irregular wave conditions.
Kim, Ki-Pyoung;Kim, Ill-Soo;Choi, Young-Do;Lee, Young-Ho
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2009.11a
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pp.492-492
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2009
Nowadays in Republic of Korea, there is no distinct reference for the related design technology of rotor blade of wind turbine. Therefore the optimum design and evaluation of performance is carried out with foreign commercial code softwares. This paper shows in-house code software that evaluates the aerodynamic design of wind turbine rotor blade using blade element-momentum theory (BEMT) and processes that is applied through various aerodynamics theories such as momentum theory, blade element theory, prandtl's tip loss theory and strip theory. This paper presents the results of the numerical analysis such as distribution of aerodynamic properties and performance curves using in-house code POSEIDON.
Floating wind turbines have been suggested as a feasible solution for going further offshore into deeper waters. However, floating platforms cause additional unsteady motions induced by wind and wave conditions, so that it is difficult to predict annual energy output of wind turbines by using conventional power prediction method. That is because sectional inflow condition on a rotor plane is varied by unsteady motion of floating platforms. Therefore, aerodynamic simulation using Vortex Lattice Method(VLM) were used to investigate the influence of motion on the aerodynamic performance of a floating offshore wind turbine. Simulation with individual motion of offshore platform were compared to the case of onshore platform and carried out according to the wave height and the wave angular frequency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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