27056

مدلسازي و بهينه سازي توربين باد محور عمودي با پره مستقيم

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1401

1401/6/28

دكتر سپهر صنايع

مهندسي مكانيك

توربين بادي عمود محور داراي محور دوار عمود بر جهت وزش باد مي‌باشد. وابستگي اين نوع توربين به جهت وزش باد كم است، اجزائي مانند جعبه‌دنده و ژنراتور نزديك به زمين قرار مي‌گيرند، از نظر آلودگي‌هاي صوتي قابل قبول و به دليل ابعاد كوچكتر از توربين محور افقي، براي محيط‌هاي شهري مناسب مي‌باشند. در اين پايان نامه بهينه سازي توربين باد عمود محور به صورت سه بعدي و با استفاده از سه ابزار CFD، شبكه عصبي و الگوريتم ژنتيك انجام شده است. براي اين كار ابتدا از نرم‌افزار فلوئنت و حل معادلات ناوير استوكس ميانگين‌گيري شده رينولدز استفاده شده است. مدل توربولانسي به كار رفته SST K-ω مي‌باشد كه نتايج آن در موارد استفاده مشابه، تطابق بسيار خوبي با نتايج آزمايشگاهي دارد. متغيرهاي طراحي در اين تحقيق طول وتر پره، زاويه گام پره و نسبت سرعت نوك پره مي‌باشند. تابع هدف ضريب توان توربين در نظر گرفته شد. پس از حل جريان در نرم افزار فلوئنت، متغيرهاي طراحي و ضرايب توان به دست آمده از شبيه سازي سه بعدي، به شبكه عصبي مصنوعي در نرم افزار متلب آموزش داده شدند. نتايج خروجي از شبكه عصبي با هدف بهينه سازي ضريب توان توربين، به الگوريتم ژنتيك در نرم افزار متلب وارد شد. در كارهاي انجام شده در مراجع با تغيير يكي از اين پارامترها و ثابت نگه داشتن بقيه پارامترها سعي در افزايش عملكرد توربين شده است. در اين پايان نامه با استفاده از شبكه عصبي كه هزينه محاسبات را به شدت كاهش مي‌دهد، با تغيير همزمان اين سه پارامتر بهينه سازي عملكرد توربين انجام مي‌شود. با انجام اين كار اثر متقابل اين سه پارامتر كه در ساير مراجع لحاظ نشده است، به طور همزمان لحاظ مي‌شود. در نهايت با بهينه سازي انجام گرفته توسط الگوريتم ژنتيك، مقدار ضريب توان بهينه 244/0 به دست آمد كه ميزان 13درصد بهبود در ضريب توان توربين را نسبت به توربين مبناء نشان مي‌دهد. طول وتر پره، زاويه گام پره و نسبت سرعت نوك پره در نقطه بهينه به ترتيب داراي مقادير 218/0 و 453/0- و 24/1مي باشند.

1401/07/09

Modeling and optimization of straight blade vertical axis wind turbine

9/19/2023 12:00:00 AM

Vertical axis wind turbine has rotating axis which is perpendicular to wind direction. Dependence of this turbine to Wind direction is few, Parts like gearbox and generator are near to ground, from the view point of noise pollution is acceptable and due to small size with respect to horizontal axis wind turbine, it is suitable for urban environments. In this research optimization of vertical axis wind turbine has been done in three dimension with using CFD, ANN and genetic algorithm. Fluent software and RANS equation have been used for this research. SST K-W turbulence model has been used which has good agreement with experiment results. Design variables are chord lenght, pitch angle and tip speed ratio. Objective function is power coefficient of turbine. After solving flow in fluent software, design variables and objective function have been trained to ANN. Output results from ANN have been imported to genetic algorithm in matlab software inorder to optimize power coefficient of turbine. In researches that have been done in references, increasing turbine performance have been done with changing one of these parameters and fixing the others. In this research with using ANN which decrease computational cost, with changing these three parameters simultaneously optimizing of turbine has been done. With doing this, reciprocal effect of these parameters that hasn’t considered in references, has been considered simultaneously. Optimized power coefficient is 0.244 which is improved 13% with respect to based turbine. Optimized chord lenght, pitch angle and tip speed ratio are 0.218, -0.453 and 1.24.

توربين بادي عمود محور، ديناميك سيالات محاسباتي، شبكه عصبي، الگوريتم ژنتيك

Vertical axis wind turbine, Computational fluid dynamic, Artificial neural network, Genetic algorithm

Parsa Rezaeian

Dr. Sepehr Sanaye