Ice accretion prediction on wind turbine blades and aerodynamic shape optimization for minimizing power production losses

Dünya çapında rüzgar enerjisi kaynakları soğuk iklim bölgelerinde ve dağlık arazilerde bolca bulunmasınarağmen rüzgar türbin pallerinde buzlanmaya neden olur. Rüzgar türbin palasında buz şekillerini tahminedebilmek buzlanma kaynaklı güç üretim kayıplarını hesaplamayı olanaklı hale getirmiştir. Rüzgar türbinpallerinde buz birikimi kaydadeğer bir şekilde aerodinamik sürüklenme kuvvetinde bir artışave aerodinamik kaldırma kuvvetinde bir azalışa neden olur, ve hatta erken akış ayrışmasınasebep olabilir. Tüm bu olaylar güç kayıplarını doğurur ve bu kayıpların miktarı buzlanmanınşiddetine ve türbin pala profiline bağlıdır. Bu çalışmanın amacı, yatay eksenli rüzgar türbinlerindefarklı buzlanma koşulları altında buz birikim tahmini ve buna bağlı güç kayıplarını efektif ve doğrubir şekilde sayısal bir yöntem geliştirerek hesaplamaktır. Ayrıca, gradyen tabanlı aerodinamikşekil eniyileştirme yapılarak buz birikimi kaynaklı güç kayıbını minimize etmektir.Pala profillerinde buz birikim tahmini yapmak için Genişletilmiş Messinger Modelive temiz ve buzlanmış rüzgar türbinlerinde güç üretim tahmini için Pal Elemanı-Momentum(Blade Element Momentum - BEM) Teorisi uygulanmıştır.Rüzgar hızı, sıcaklık ve sıvı su içeriği gibi kritik parametrelerin buzlanma boyut ve şekilleri üzerindekirolü detaylı bir şekilde analiz edilmiştir.Değişik kanat profilleri üzerinde tahmin edilen buz şekilleri literatürde bulunandeneysel ve sayısal veriler karşısında doğrulandı.Bu geliştirilen aracın benzer atmosferik buzlanma koşullarında rüzgar türbin güçüretim kayıplarını etkin bir biçimde tahmin etmekte kullanılabileceği gösterilmiştir.Eniyileştirme sürecinde pala profili bump fonksiyonları kullanılarak hücüm kenarı cıvarında modifiyeedildi ve eniyileştirme sabit rüzgar hızında gerçekleştirildi.Eniyileştirilmiş pala profilinin buzlanma nedenli güç üretim kaybını azalttığı ve bu azalışın eniyileştimekoşulları altında daha etkin sonuç verdiği görülmüştür. The global wind energy resources are plentiful in cold climate regionsand mountainous areas, which cause ice formation on wind turbineblades. Prediction of ice accretion on wind turbine blades makes itpossible to estimate the power losses due to icing. Ice accretionon wind turbine blades is responsible for significant increases inaerodynamic drag and decreases in aerodynamic lift, and may even causepremature flow separation. All these events create power losses andthe amount of power loss depends on the severity of icing and theturbine blade profile shape. The main objective of this study is todevelop a cost-effective and accurate numerical methodology to predictice accretion on horizontal axis wind turbines and ice-induced powerlosses under various icing conditions. In addition, a gradient basedaerodynamic shape optimization is performed to minimize the powerproduction loss due to ice accretion.The Extended Messinger Model is implemented for the prediction of iceaccretion on blade profiles, and the Blade Element Momentum Methodologyis implemented for the prediction of power production of clean and icedwind turbines. The role of critical parameters such as wind speed,temperature and liquid water content on ice accretion is studiedin detail. The predicted ice shapes on various airfoil profilesare validated against available experimental and numerical data inliterature. It is shown that the tool developed may effectively beused in the prediction of power production losses of wind turbinesat representative atmospheric icing conditions. In the optimizationstudy, the blade profile is modified by using bump functions around theleading edge of the blade profile, and it is shown that the optimizedblade profile reduces the power production loss due to icing. 102