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An approach for the transient behavior of horizontal axis wind turbines using the blade element theory

2016; Volume: 24; Issue: 2 Linguagem: Inglês

10.14393/19834071.2015.31498

1983-4071

Sérgio Andrés Jaimes Rueda, Jerson Rogério Pinheiro Vaz,

Wind and Air Flow Studies

In this work, an efficient mathematical model applied to transient behavior of Horizontal-Axis Wind Turbines (HAWT) was developed. The influence of the power drive on HAWT dynamic modelling was taken into account, in order to present an improved approach for the design of wind power systems. In all simulations, a rotor with 30 m diameter operating at 20 m/s wind velocity was used. The driveline comprises the mass-moment of inertia, electromagnetic torque, and the friction torque of whole system. To solve the nonlinear dynamic equation at each time step, 4th order Runge-Kutta numerical method was considered, while a Newton-Raphson scheme was applied to the steady-state regime. In addition, to calculate the aerodynamic torque, the Blade Element Theory (BET) was implemented, since such a parameter is usually obtained through approximated mathematical functions, mainly those applied to large wind turbines as described in several works available in the literature. BET is a well-known method applied to design and aerodynamic analysis of wind turbines, which presents good agreement with experimental data. To conclude, the results show the rotational speed, output power and torque dependents on time, and depict good behavior when compared with Bao and Ye (2001). An application using BET was also carried out, which yielded consistent results. Keywords: Wind turbine, Dynamic behavior of HAWT, Blade Element Theory. RESUMO Neste trabalho foi desenvolvido um modelo matematico eficiente aplicado ao comportamento transiente de Turbinas Eolicas de Eixo Horizontal (HAWT). Foi levado em consideracao a influencia da unidade de transmissao na modelagem dinâmica a fim de se obter uma abordagem melhorada para o projeto de sistemas de energia eolica. Em todas as simulacoes, um rotor de 30 m de diâmetro operando a 20 m/s de velocidade de vento foi utilizado. O sistema de transmissao compreende o momento de inercia, torque eletromagnetico e o torque de atrito de todo o sistema. Para solucionar a equacao dinâmica nao linear em cada intervalo de tempo, o metodo de Runge-Kutta de 4a ordem foi considerado, enquanto que o metodo de Newton-Raphson foi aplicado ao regime estacionario. Alem disso, para calcular o torque aerodinâmico, a teoria do elemento de pa (BET) foi implementada, uma vez que o torque do rotor e frequentemente calculado atraves de funcoes matematicas aproximadas, principalmente quando aplicados a grandes turbinas eolicas, tal como descrito em varias obras disponiveis na literatura. BET e um metodo bem conhecido aplicado ao projeto e analise aerodinâmica de turbinas eolicas, o qual apresenta boa concordância com dados experimentais. Para concluir, os resultados para a velocidade de rotacao, potencia de saida e torque dependentes do tempo mostram bom comportamento quando comparados com Bao; Ye (2001). Uma aplicacao utilizando o metodo BET tambem foi realizado, o qual produziu resultados consistentes. Palavras-chave: Turbinas eolicas, comportamento dinâmico de HAWT, teoria do elemento de pa.