Increasing the Power Production of Vertical-Axis Wind-Turbine Farms Using Synergistic Clustering

Abstract

Vertical-axis wind turbines (VAWTs) are being reconsidered as a complementary technology to the more widely used horizontal-axis wind turbines (HAWTs) due to their unique suitability for offshore deployments. In addition, field experiments have confirmed that vertical-axis wind turbines can interact synergistically to enhance the total power production when placed in close proximity. Here, we use an actuator line model in a large-eddy simulation to test novel VAWT farm configurations that exploit these synergistic interactions. We first design clusters with three turbines each that preserve the omni-directionality of vertical-axis wind turbines, and optimize the distance between the clustered turbines. We then configure farms based on clusters, rather than individual turbines. The simulations confirm that vertical-axis wind turbines have a positive influence on each other when packed in well-designed clusters: such configurations increase the power generation of a single turbine by about 10 percent. In addition, the cluster designs allow for closer turbine spacing resulting in about three times the number of turbines for a given land area compared to conventional configurations. Therefore, both the turbine and wind-farm efficiencies are improved, leading to a significant increase in the density of power production per unit land area. Keywords Vertical-axis wind turbines • Wind energy • Wind farms • Wind-farm layout B Elie Bou-Zeid

Theoretical Modeling of Vertical-Axis Wind Turbine Wakes

“…Case (4) corresponds to the LES study conducted by Shamsoddin and Porté-Agel [19] in which the wake behind a 1MW wind turbine was simulated. In Case (5), performed by Hezaveh et al [42], LES was employed for wake-flow simulations and the results were validated against the field measurement data collected by Kinzel et al [43] for two neighboring wind turbines separated by 1.6 rotor diameters (a schematic is shown in Figure 6). All the wind turbines considered in the above-mentioned studies consist of three straight blades.…”

“…Schematic of the two turbines immersed in the flow (red circles are the measurement locations) (left), and wall-normal profiles of the normalized velocity defect (right) for Case(5). The LES (open circle) and field measurement (asterisk) data were extracted from Hezaveh et al[42].…”

Das Potenzial von vertikalen Windenergieanlagen im Kontext wachsender Flächennutzungskonflikte und Akzeptanzprobleme der Windenergie

“…Der Hauptgrund für diesen Abstand ist, dass Anlagen, die als erstes vom Wind angeströmt werden, Turbulenzen verursachen, die bei stromabwärts liegenden Anlagen zu Energieverlusten führen (Dabiri 2011). Des Weiteren dienen Distanzen dazu, die Ermüdungsbelastungen die auf die Anlagen wirken, zu reduzieren und damit die Haltbarkeit der Anlagen zu verlängern (Hezaveh et al 2018). Damit die entstehenden aerodynamischen Interferenzen komplett vermieden werden können, müsste der Abstand zwischen zwei HAWT-Anlagen nach Brownstein et al (2016) ca.…”

“…In den Berechnungen von Dabiri, die in Abb. 6 zu sehen sind, ist der Unterschied der Energiedichte zwischen 1 Verwendetes Rechenmodell: (Hezaveh et al 2018), welches in Abb. 7 als Schaubild zu erkennen ist.…”

“…Zudem wurden diese mit den klassischen Windparkanordnungen bei konventionellen HAWTs, die sehr häufig linienförmig oder staffelförmig aufgebaut sind, verglichen. Es konnte festgestellt werden, dass die trianguläre Form die Strömungsbeschleunigungen am besten ausnutzt (Hezaveh et al 2018). Die Auswirkungen auf den Energieoutput wurden mit Abständen des 3-, 4-und 5-fachen Rotordurchmessers zwischen den Einzelanlagen in einem triangulären Cluster getestet, da diese die höchsten Wirkungsgrade zeigten.…”