Plasma Actuation for Active Control of Wind Turbine Power

Cette recherche évalue, optimise et démontre expérimentalement une nouvelle méthode pour réduire la portance et augmenter la traînée d'une pale de turbine éolienne pour contrôler la puissance éolienne à des vitesses de vent élevées. La méthode consiste à appliquer l'actionnement électro-fluidique du plasma pour accélérer la séparation de la couche limite sur les pales d'éolienne. L'effet de l'actionnement plasma sur un profil à deux dimensions d'éoliennes est d'abord évalué numériquement à de faibles nombres de Reynolds en utilisant un code commercial CFD auquel un modèle de l'actionneur plasma est intégré. Les résultats de ces simulations indiquent l'existence de conditions d'exploitation préférable pour l'actionneur plasma en termes de paramètres tel que sa force, la vitesse non-perturbée et sa position sens de la corde sur la pale. En ce qui concerne la force l'actionnement, il est constaté qu'il existe un seuil de la force au-delà duquel il y a un saut soudain dans la réduction de portance obtenue. Un bond semblable à l'effet d'actionnement est observé lorsque le nombre de Reynolds non-perturbé est réduit en deçà d'une certaine limite. L'existence de positions optimales pour l'actionneur plasma sur l'extrados de la pale est également observée. L'optimum est situé près du bord de fuite de l'aile pour les angles d'attaque avant le décrochage et il est déplacé en amont aux angles d'attaque près du décrochage et dépassés le décrochage. Toutes les simulations indiquent que la position de l'actionneur plasma par rapport au point de séparation de la couche limite est le facteur décisif à l'effet de l'actionneur sur la portance et la traînée. Ces simulations sont validées par des en soufflerie tests pour les mêmes conditions d'écoulement en soufflerie. Les mesures en soufflerie de la portance et la traînée se trouvent principalement à être cohérents avec les résultats de simulations. Le logiciel CFX validé expérimentalement est ensuite utilisé pour simuler l'écoulement à un Re réaliste pour les applications éoliennes. Cette étude montre que le niveau actuel de la force d'actionnement plasma est incapable d'exercer une influence perceptible sur les performances d'une éolienne. La théorie de l'élément de pale couplée à un bilan de quantité de mouvement est utilisée pour déterminer la quantité de la chute de portance qui serait nécessaire pour le fonctionnement à puissance nominale et cette exigence est comparée à l'impact de l'actuelle génération d'actionneurs plasma. Une tentative est faite pour estimer la force d'actionnement qui serait nécessaire pour réaliser la réduction de la puissance requise pour le fonctionnement nominal. Cette analyse montre qu'une force d'actionnement de deux ordres de grandeur serait nécessaire pour que le concept fonctionne sans l'aide d'un autre moyen de contrôle pour limiter la puissance des éoliennes.

Abstract

This research evaluates, optimizes and experimentally demonstrates a new method to reduce the lift and increase the drag of a wind turbine blade for controlling the turbine power at high wind speeds. The method consists of applying electro-fluidic plasma actuation to accelerate the separation of boundary layer on the wind turbine blade. The effect of plasma actuation on a two-dimensional wind turbine profile is first assessed numerically at low Reynolds numbers Re using a commercial CFD code to which a plasma actuator model is integrated. The results from these simulations indicate the existence of preferred operating conditions for the plasma actuator in terms of parameters such as its strength, the free-stream velocity and its chordwise position on the blade. With respect to the actuation strength, it is found that there exists a threshold strength beyond which there is a sudden jump in the lift reduction obtained. A similar jump in the actuation effect is observed when the free-stream Reynolds number is reduced past a certain limit. The existence of optimal positions for the actuator on the suction side of the blade is also observed. The optimum is situated near the airfoil's trailing edge for a pre-stall angle of attack and it is displaced upstream at stall and post-stall angles of attack. All the simulations indicate that the position of the actuator relative to the point of separation of the boundary layer is the key element in the actuator's effect on lift and drag. These simulations are validated by testing for the same flow conditions in wind tunnel. The wind tunnel measurements of lift and drag replicate the trends seen in the simulations. The experimentally validated CFD tool is then used to simulate wind turbine flows at a realistic Reynolds number. This study shows that the current level of plasma actuation strength is incapable of exerting any discernable influence on the performance of a wind turbine blade. The blade element momentum theory is used to determine the amount of lift drop that would be required for rated power operation and this requirement is compared with the impact of the current generation of plasma actuators. An attempt is made at estimating the actuation strength that would be necessary to bring about the power reduction required for rated operation. This analysis shows that actuator strength of two orders of magnitude higher would be required for the concept to work on its own to limit wind turbine power. This implies that it must be coupled with another method such as rotor speed control to have a realistic chance of application in the near future.