بررسی تاثیر زبری سطح زمین بر بازدهی مزارع بادی بزرگ با استفاده از روش شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ

با گسترش انرژی بادی در جهان مساحت مزارع بادی برای تولید توان بیشتر به صورت چشمگیری در حال افزایش است. مساله مهم در مزارع بادی بزرگ، افزایش توان و بازده است. با افزایش توربین های بادی در قالب مزارع بادی بزرگ، بازده این نوع مزارع بادی به دلیل اندرکنش پیچیده بین توربین ها با خودشان و با لایه مرزی جوی کاهش می یابد. زمانی که طول مزارع بادی یک مرتبه از ارتفاع لایه مرزی جوی بیشتر باشد جریان به حالت کاملاً توسعه یافته سوق پیدا می کند. چون طول مزرعه باد نسبت به ضخامت لایه مرزی اتمسفری، بسیار بزرگتر است، مزرعه باد در راستای جریان نامحدود فرض شده و از تغییرات در راستای جریان صرف نظر شده است. در مزارع بادی بزرگ که در داخل لایه مرزی کاملاً توسعه یافته قرار می گیرند، انرژی جنبشی جذب شده توسط توربین های بادی به وسیله انتقال انرژی به صورت عمودی از لایه های بالای مزرعه باد به داخل آن تامین می شود. زبری سطح از عوامل مهمی است که تاثیر بسیار زیادی روی این پدیده می گذارد. در این پژوهش به بررسی اثر زبری سطح زمین روی بازده مزارع بادی بزرگ واقع در لایه مرزی جوی پرداخته شده است. برای این منظور از روش شبیه سازی گردابه های بزرگ برای حل معادلات جریان توربولانس بهره گرفته شده است. در این مقاله توربین های بادی با استفاده از روش دیسک محرک مدل سازی شده است. برای اعمال تاثیر زبری های متفاوت از توابع دیوار لگاریتمی روی دیواره ناحیه شبیه سازی استفاده شده است. نتایج این شبیه سازی نشان می دهد که با افزایش میزان زبری سطح توان مزرعه باد به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

Investigating the Effect of Surface Roughness on Efficiency of Large Wind Farms by Large Eddy Simulation

With the recognition of wind energy in the world, wind farms are expected to become more extended and cover increasingly larger surface areas. The most important issue in large wind farms is increasing power and efficiency. When wind turbines are deployed in large arrays, their efficiency decreases due to complex interactions among themselves and with the atmospheric boundary layer (ABL). When the length of the wind farms exceeds the height of the ABL by over an order of magnitude, a ldquo;fully developed rdquo; flow regime can be established. Since the length of the farm is larger than the atmospheric boundary layer thickness, changes in the streamwise direction can be neglected and the relevant exchanges occur in the vertical direction. In the wind farms established in the fully developed atmospheric boundary layer, the kinetic energy extracted by the wind turbines is transported into the windturbine region by vertical fluxes associated with turbulence. Surface roughness is one of the most important factors affecting this phenomenon. In this research, the effect of surface roughness on the efficiency of the large wind farm in the ABL by large eddy simulation is investigated. For this purpose, the large eddy simulation (LES) is applied to solve the turbulence flow equations. In this article wind turbines are modeled using the classical drag disk. The various surface roughnesses are modeled by logarithmic wall functions applied to the bottom of the domain. The results show that the efficiency and power of the wind farm are decreased by increase of surface roughness.