25230

تحليل عملكرد و بهينه سازي توربين بادي محور عمودي گورلوف

دكتري تخصصي

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1395

14/6/1400

مهدي مقيمي

مهندسي مكانيك

تمامي اقدامات انساني، وجود منابع انرژي را الزامي مي‌كنند. در حال حاضر، بخش عمده‌اي از انرژي مورد نياز ما، از طريق سوخت هاي فسيلي تأمين مي‌شود كه در دهه‌هاي آينده با عدم‌قطعيت در مورد در دسترس‌بودن آن¬ها روبرو هستيم؛ اگرچه احتراق اين سوخت‌ها منجر به عواقب نامطلوب زيست‌محيطي مي‌گردد. انرژي باد در زمره يكي از منابع انرژي پاك و تجديدپذير قرار مي‌گيرد. انرژي باد با استفاده از توربين‌هاي بادي داراي محور افقي و عمودي توليد مي‌شود. توربين‌هاي بادي داراي محور عمودي، تحت شرايط سرعت باد كم به منظور توليد برق در مقياس‌هاي كوچك به‌ خوبي كار مي‌كنند. در طرف ديگر، طرح‌هاي متعددي براي افزايش عملكرد آن‌ها در چنين شرايطي ارائه شده ‌است. در اين پژوهش، هدف بر آن است كه يك مدل كم هزينه را به منظور ارزيابي طراحي آئروديناميكي و عملكرد توربين بادي محور عمودي گورلوف توسعه دهيم. بدين منظور، يك مدل لوله چند جريان دوبخشي كه مبتني بر تئوري مومنتوم المان پره است، براي توربين¬هاي بادي محور عمودي نوع داريوس با پره¬هاي مستقيم و نوع گورلوف، توسعه داده شده است. مدلهاي توسعهيافته از طريق مقايسه نتايج بدست‌آمده از آن‌ها با نتايج موجود در منابع اعتبارسنجي شده‌اند. به علاوه، مقايسه‌اي ميان توربين¬هاي بادي محور عمودي نوع داريوس با پره¬هاي مستقيم و نوع گورلوف از نقطه نظر عملكردي صورت گرفته است. علاوه بر اين، ارزيابي جامعي در مورد اثرات پارامترهاي هندسي و عملكردي از جمله پروفيل ايرفويل تيغه (پره)، تعداد تيغه‌ها، زاويه مارپيچ، نسبت ابعادي و سرعت باد آزاد براي عملكرد آئروديناميكي و منحني‌هاي گشتاور توربين گورلوف انجام شده‌است. اضافه بر موارد گفته شده، پارامترهاي طراحي اوليه روتور توربين گورلوف مورد مطالعه، مبتني بر مدل‌سازي بر اساس جايگزيني در هر نسبت سرعت نوك (λ) بهينه‌سازي شده است. بدين منظور، پس از تعيين پارامترهاي موثر و محدوده تغييرات آن‌ها، ماتريس نمونه با استفاده از روش طراحي آزمايش ، از تركيب پارامترهاي مورد مطالعه به عنوان متغيرهاي ورودي و ضريب توان (Cp) كه براي هر كدام از آن‌ها بر اساس مدل لوله چند جريان دوبخشي توسعه‌يافته محاسبه شده‌است، تشكيل شده‌است. مدل جايگزيني با استفاده از نتايج بدست‌آمده در هر نسبت سرعت نوك تعريف شده‌است. پس از آن، بهترين تركيب پارامترهاي هندسي مطالعه شده از فضاي طراحي با استفاده از روش الگوريتم ژنتيك و با هدف بيشينهسازي ضريب توان توربين براي هر λ از 1.5، 2، 2.5، 3، 3.5، 4 و 4.5 استخراج شده‌است. از نتايج مشاهده شده‌است كه با وجود كاهش اندك پيك ضريب توان توربين گورلوف در مقايسه با نوع داريوس، عملكرد روتور توربين گورلوف از نقطه نظر اثربخشي و نوسان با توجه به منحني ضريب گشتاور تيغه مارپيچ بهتر است. با در نظر گرفتن نتايج ارزيابي پارامتريك در توربين گورلوف، حداكثر ضريب توان برابر با 0.479 براي نسبت سرعت نوك 3.5 در ايرفويل 0018 NACA مي‌باشد. به علاوه، آشكار مي‌شود كه تعداد تيغهها و زاويه مارپيچ پارامترهاي مهمي در كاهش بارهاي آيروديناميكي و بهبود پايداري روتور هستند. هرچه طول وتر تيغه يا نسبت ابعادي افزايش يابد، عملكرد در مقادير پايين λ بهبود مي‌يابد. گرچه عملكرد در مقادير بالاي λ و پيك Cp كاهش مي‌يابد. افزون بر اين، رفتار خود-راه‌اندازي با افزايش طول وتر تيغه يا سرعت باد آزاد بهبود يافته و با استفاده از ايرفويلهاي نازك‌تر رو به وخامت مي‌گذارد. منحني‌هاي عملكردي تا زماني‌كه سرعت باد آزاد به سرعت نامي برسد، كه براي توربين گورلوف مورد مطالعه 12 متر بر ثانيه مي‌باشد، عريض‌تر مي‌شوند. با مقايسه نتايج روند بهينهسازي، حداكثر مقدار پيك Cp برابر با 0.503 به طراحي بهينه توربين گورلوف در λ برابر با 3.5 تعلق دارد. در حالي‌كه، طراحي بهينه توربين گورلوف در مقدار λ برابر با 3 بهترين منحني عملكردي Cp را نسبت به منحني‌هاي بهينه طراحي λ كمتر از 3 دارد.

1400/06/30

Performance analysis and optimization of Gorlov vertical axis wind turbine

1/1/1900 12:00:00 AM

All human actions necessitate energy resources. Currently, a major part of our energy requirements is supplied by fossil fuels, which are faced with uncertainties concerning their availability in the forthcoming decades. However, the combustion of fuels results in adverse environmental aftermaths. Energy of wind falls into one of the clean and renewable energy resources. Wind power is generated using horizontal and vertical axis wind turbines (HAWTs & VAWTs). VAWTs operate appropriately under low wind velocity conditions to generate power in small scales. On the other hand, numerous VAWT designs have been presented to enhance their performance in such circumstances. In this research, we aim to develop a low-cost model for evaluating the aerodynamic design and performance of Gorlov vertical axis wind turbine. To this end, a double multiple stream tube (DMST) model, which is based on the blade element momentum theory (BEM) has been developed for Darrieus-type straight-bladed and Gorlov VAWTs. The developed models are validated by comparing the obtained results with the available results in the literature; in addition, a comparison has been performed between the Darrieus-type straight-bladed and Gorlov VAWTs from the performance point of view. Furthermore, overall evaluation on the effects of geometrical and operational parameters, including profile of the blade airfoil, number of blades, helical angle, chord length, aspect ratio and free wind velocity have been performed for aerodynamic performance and the torque curves of Gorlov VAWT. Additionally, the initial design parameters of the studied Gorlov VAWT rotor have been optimized based on surrogate-based modeling (SBM) at each tip speed ratio (λ). For this purpose, after determining the effective parameters and their range of changes, the sample matrix has been formed by using design of experiment (DOE) technique from combination of the studied parameters as input variables and the power coefficient (C_P) for each of them which has been calculated by developed DMST model. The surrogate model has been defined by using the obtained results at each tip speed ratio. Afterwards, the best combination of the studied geometric parameters has been extracted from the design space by genetic algorithm method with the aim of maximum turbine power coefficient for each λ of 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4 and 4.5. It has been found that despite the slight reduction of peak power coefficient for Gorlov VAWT compared to Darrieus type, the performance of Gorlov VAWT rotor is better from the effectiveness and fluctuation standpoints according to the torque coefficient curve of helical blade. Considering the results of parametrical evaluation on Gorlov turbine, maximum power coefficient is 0.479 for the tip speed ratio of 3.5 in NACA 0018 airfoil. In addition, it becomes evident that the number of blades and helical angle are important parameters in reducing the aerodynamic loads and improving the rotor stability. As the blade chord length or aspect ratio increases, the performance improves at low λ values; however, it decreases at high λ values and peak C_P. Moreover, self-starting behavior has been improved with increasing the blade chord length or free wind velocity and deteriorated by the usage of thinner airfoils. For the studied Gorlov turbine, the performance curves become wider until free wind velocity reaches to the rated velocity, which is 12 m/s for the studied Gorlov turbine. Comparing the results of optimization procedure, the maximum peak value (C_P=0.503) belonges to optimum Gorlov VAWT design at λ of 3.5. While, the optimum Gorlov VAWT design at λ of 3 has the best C_P curve performance of optimum Gorlov VAWT design curves for less λ values than 3.

توربين بادي محور عمودي گورلوف , انرژي باد , مدل لوله چند جريان دوبخشي , توربين داريوس , عملكرد آئروديناميكي , روش طراحي آزمايش , مدل‌سازي بر اساس جايگزيني

Gorlov VAWT , Wind energy , Double multiple stream tube model , Darrieus-type , Aerodynamic performance , design of experiment , surrogate-based modeling