This paper presents an innovative design for a low-speed, direct-drive, axial-flux permanent-magnet (AFPM) generator with a coreless stator and rotor that is intended for application to small wind turbine power generation systems. The performance of the generator is evaluated and optimized by means of comprehensive 3D electromagnetic finite element analysis. The main focus of this study is to improve the power output and efficiency of wind power generation by investigating the electromagnetic and structural features of a coreless AFPM generator. The design is validated by comparing the performance achieved with a prototype. The results of our comparison demonstrate that the proposed generator has a number of advantages such as a simpler structure, higher efficiency over a wide range of operating speeds, higher energy yield, lighter weight and better power utilization than conventional machines. It would be possible to manufacture low-cost, axial-flux permanent-magnet generators by further developing the proposed design.
Sundaresan, Aakhash;Arunvinthan, S.;Pasha, A.A.;Pillai, S. Nadaraja
Wind and Structures
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v.32
no.3
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pp.205-217
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2021
Cold regions with high air density and wind speed attract wind energy producers across the globe exhibiting its potential for wind exploitation. However, exposure of wind turbine blades to such cold conditions bring about devastating impacts like aerodynamic degradation, production loss and blade failures etc. A series of wind tunnel tests were performed to investigate the effect of icing on the aerodynamic properties of wind turbine blades. A baseline clean wing configuration along with four different ice accretion geometries were considered in this study. Aerodynamic force coefficients were obtained from the surface pressure measurements made over the test model using MPS4264 Simultaneous pressure scanner. 3D printed Ice templates featuring different ice geometries based on Icing Research Tunnel data is utilized. Aerodynamic characteristics of both the clean wing configuration and Ice accreted geometries were analysed over a wide range of angles of attack (α) ranging from 0° to 24° with an increment of 3° for three different Reynolds number in the order of 105. Results show a decrease in aerodynamic characteristics of the iced aerofoil when compared against the baseline clean wing configuration. The key flow field features such as point of separation, reattachment and formation of Laminar Separation Bubble (LSB) for different icing geometries and its influence on the aerodynamic characteristics are addressed. Additionally, attempts were made to understand the influence of Reynolds number on the iced-aerofoil aerodynamics.
The objective of this study is to evaluate the impact of the high resolution topographies and landuses data on simulated meteorological variables (wind speed at 10 m, temperature at 2 m and relative humidity at 2 m) in WRF. We compare the results with WRF simulation using each resolution of the topographies and landuses, and with 37 AWS observation data on the Seoul metropolitan regions. According to results of using high-resolution topography, WRF model gives better topographical expression over domain. And we can separate more detail (Low intensity residential, high intensity residential, industrial or commercial) using high resolution landuses data. The result shows that simulated temperature and wind speed are generally higher than AWS observation data. However, simulation trend with temperature, wind speed, and relative humidity are similar to observation data. The reason for that is that the high precipitation event occurred in CASE 1 and 2. Temperature have correlation of 0.43~0.47 and standard deviation of $2.12{\sim}2.28^{\circ}C$ in CASE 1, while correlation of more than 0.8 and standard deviation of $3.05{\sim}3.18m\;s^{-1}$ in CASE 2. In case of wind speed, correlation have lower than 0.5 and Standard Deviation of $1.88{\sim}2.34m\;s^{-1}$ in CASE 1 and 2. In statistical analysis shows that using highest resolution (U01) results are more close to the AWS observation data. It can be concluded that the topographies and landuses are important factor that affect model simulation. However, the tendency to always use high resolution topographies and landuses data appears to be unjustified, and optimal solution depends on the combination of scale effect and mechanisms of dynamic models.
Wind information is one of the major inputs for the prediction of urban air flow using computational fluid dynamic (CFD) models. Therefore, the numerical characteristics of the wind data formed at their mother domains should be clarified to predict the urban air flow more precisely. In this study, the formation characteristics of the wind data in the Seoul region were used as the inlet wind information for a CFD based simulation and were analyzed using numerical weather prediction models for weather research and forecasting (WRF). Because air flow over the central part of the Korean peninsula is often controlled not only by synoptic scale westerly winds but also by the westerly sea breeze induced from the Yellow Sea, the westerly wind often dominates the entire Seoul region. Although simulations of wind speed and air temperature gave results that were slightly high and low, respectively, their temporal variation patterns agreed well with the observations. In the analysis of the vertical cross section, the variation of wind speed along the western boundary of Seoul is simpler in a large domain with the highest horizontal resolution as compared to a small domain with the same resolution. A strong convergence of the sea breeze due to precise topography leads to the simplification of the wind pattern. The same tendency was shown in the average vertical profiles of the wind speed. The difference in the simulated wind pattern of two different domains is greater during the night than in the daytime because of atmospheric stability and topographically induced mesoscale forcing.
In this paper, an economic feasibility study of wind-diesel hybrid power systems for an island in the Yellow Sea, where the maximum power generation is about 500kW, was performed. For the study, annual electric load variation and wind resource data of the island were collected and analyzed. HOMER program - a typical hybrid optimization model for electric renewables including wind resource, developed by the National Renewable Energy Laboratory - was used. Wind speed and diesel price were picked out as variables for the sensitivity analysis in order to find the economic accountability for the wind-diesel hybrid power system. As the result, even though it is not feasible economically under the present condition, if mean wind speed is over 3 m/sec. or diesel price goes up to 2.4 $ per liter, the wind-diesel hybrid power system for the island becomes a prospective candidate.
Upon detecting a frequency event in a power system, the stepwise inertial control (SIC) of a wind turbine generator (WTG) instantly increases the power output for a preset period so as to arrest the frequency drop. Afterwards, SIC rapidly reduces the WTG output to avert over-deceleration (OD). However, such a rapid output reduction may act as a power deficit in the power system, and thereby cause a second frequency dip. In this paper, a hybrid reference function for the stable SIC of a doubly-fed induction generator is proposed to prevent OD while improving the frequency nadir (FN). To achieve this objective, a reference function is separately defined prior to and after the FN. In order to improve the FN when an event is detected, the reference is instantly increased by a constant and then maintained until the FN. This constant is determined by considering the power margin and available kinetic energy. To prevent OD, the reference decays with the rotor speed after the FN. The performance of the proposed scheme was validated under various wind speed conditions and wind power penetration levels using an EMTP-RV simulator. The results clearly demonstrate that the scheme successfully prevents OD while improving the FN at different wind conditions and wind power penetration levels. Furthermore, the scheme is adaptive to the size of a frequency event.
Giammanco, Ian M.;Schroeder, John L.;Powell, Mark D.
Wind and Structures
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v.15
no.1
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pp.65-86
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2012
Over the last decade substantial improvements have been made in our ability to observe the tropical cyclone boundary layer. Low-level wind speed maxima have been frequently observed in Global Positioning System dropwindsonde (GPS sonde) profiles. Data from GPS sondes and coastal Doppler radars were employed to evaluate the characteristics of tropical cyclone vertical wind profiles in open ocean conditions and at landfall. Changes to the mean vertical wind profile were observed azimuthally and with decreasing radial distance toward the cyclone center. Wind profiles within the hurricane boundary layer exhibited a logarithmic increase with height up to the depth of the wind maximum.
The long-term trend of surface wind speed in Korea is estimated by correcting wind measurements at 29 KMA weather stations from 1985 to 2019 with physical and statistical homogenization. The anemometer height changes at each station are first adjusted by applying physical homogenization using the power-law wind profile. The statistical homogenization is then applied to the adjusted data. A standard normal homogeneity test (SNHT) is particularly utilized. Approximately 40% of inhomogeneities detected by the SNHT match with the sea-level-height change of each station, indicating that an SNHT is an effective technique for reconciling data inhomogeneity. The long-term trends are compared with homogenized data. Statistically significant negative trends are observed along the coast, while insignificant trends are dominant inland. The mean trend, averaged over all stations, is -0.03 ± 0.07 m s-1 decade-1. This insignificant trend is due to a trend change across 2001. A decreasing trend of -0.10 m s-1 decade-1 reverses to an increasing trend of 0.03 m s-1 decade-1 from 2001. This trend change is consistent with mid-latitude wind change in the Northern hemisphere, indicating that the long-term trend of surface wind speed in Korea is partly determined by large-scale atmospheric circulation.
The wind speed at the altitude around 300 m is much higher and less variable than at the altitude around 80 m which is the same height of the MW class tower turbine's hub height. The wind power density is increased 0.37 W/$m^2$ per meter at the altitude around 6 to 7 km and 0.25 W/$m^2$ per meter at the altitude around 80 to 500 m. There are two types of power generation systems using lifting bodies. The one is that The generator is installed in the ground station and stretched into the lifting body through the tether. The other is that the generator is installed in the lifting body and stretched into the ground station through the tether. Many kinds of lifting bodies are also researched in the world, called kites, wings, single or twin aerostat, and so on. This article introduced the technical development status and the market prospects of the high altitude wind power generation system all over the world in detail.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.27
no.1
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pp.20-27
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2017
This study investigated the problems in current practice of drive-train resonance analysis procedure and suggested solutions. The first problem is the resonance occurrence at the un-identified resonance point by the current practice, as for a solution the force spectrum analysis for each critical force transmitting component was suggested. The second one is the inaccurate estimation of potential resonance point in eigenfrequency analysis because of the non-consideration about the eigenfrequency dependency on rotor-speed, the fine linearization at each rotor speed point all over operational range was proposed to account for the affection. Lastly the insufficient time for resonance activation under run-up simulation condition was recognized as a problem in resonance load increasing analysis, as an alternative, steady state condition was suggested to estimate the maximum load increasing level.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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