25749

مدلسازي و بهينه سازي توربين بادي عمود محور

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك-تبديل انرژي

1397

1400/08/24

سپهر صنايع

مهندسي مكانيك

توربين‌هاي عمود محور با پره خميده (داريوس) به دليل سازگاري با شرايط محيطي و باد در جهت‌هاي مختلف و همچنين توانايي كاركرد در سرعت‌هاي زياد مورد توجه هستند. مهم‌ترين عيب اين توربين‌ها ضريب توان كم آن‌ها و نيروهاي عمودي زيادي است كه به پره‌هاي آن اعمال مي‌شود. بنابراين، به حداكثر رساندن ضريب توان و به حداقل رساندن نيروي عمودي كل وارد بر اينگونه توربين‌هاي عمود محور يك مسئله مهم در جهت بهبود عملكرد و طول عمر توربين است كه تاكنون مورد مطالعه قرار گرفته نشده است. مدل لوله جريان چندگانه دوتايي (DMST) يكي از روش‌هاي بسيار پر كاربرد و دقيق براي تجزيه و تحليل عملكرد و بهينه‌سازي توربين‌هاي عمود محور است، كه روتور توربين را به دو بخش بالادست و پايين‌دست روتور تقسيم مي‌كند. نوآوري اين پژوهش مدلسازي و بهينه‌سازي يك توربين عمود محور 3 متري با هندسه روتور جديد با هدف افزايش ضريب توان و به حداقل رساندن نيروي عمودي كل وارد به توربين است. فرآيند بهينه‌سازي توربين با تعريف توابع هدف به عنوان ضريب توان (تابع هدف І) و نيروي عادي كل (تابع هدف ІІ) و همچنين متغير‌هاي طراحي مانند نسبت قطر به ارتفاع (β)، نسبت ابعاد تيغه (μ)، سرعت چرخشي (ω)، زاويه گام (αp)، نسبت سرعت نوك (λ) و ضريب شكل (j) انجام شده است. نتايج بهينه‌سازي نشان مي‌دهد كه در نقطه بهينه نهايي طراحي توربين بهينه شده داراي هندسه روتور بيضوي (0/5=j) با سرعت چرخشي 121/5 دور بر دقيقه، ˚1/4-=β=1/3،μ=19/8،λ=4/3،αp و مقادير تابع هدف اول (ضريب توان) و تابع هدف دوم (نيروي عمودي كل) به ترتيب 0/49 و 158/7 نيوتون است. در نهايت تاثير ايرفويل‌هاي متقارن NACA 0012، NACA 0015 و NACA 0018 و ايرفويل نامتقارن NACA 7512 روي ضريب توان، نيروي عمودي و توزيع گشتاور توربين بهينه بررسي شده است كه نتايج نشان مي‌دهد كه NACA 0018 از ايرفويل‌هاي ديگر مناسب‌تر است.

1400/09/22

Modeling and Optimization of Vertical Axis Wind Turbine

11/15/2022 12:00:00 AM

Curved-blade (Darrieus) vertical axis wind turbines (VAWTs) are taken into consideration due compatibility with environmental conditions and wind at various directions and also ability to operate at high speeds. The major disadvantage of these turbines is their low power coefficient and high normal forces which applied to its blades. Therefore, maximizing the power coefficient and minimizing the total normal force of VAWTs is a significant issue in order to improve the performance and life span of the turbine which has not been studied so far. The double multiple stream tube (DMST) is one of the most used and accurate methods for performance analysis and optimization of VAWTs, which divides the rotor of the turbine into upstream and downstream sections. The novelty of this article is modeling and optimizing a new rotor geometry for a 3m curved-blade VAWT in order to maximize the power coefficient and minimize the total normal force. By defining the objective functions as power coefficient (objective function І) and total normal force (objective function ІІ) and design variables of diameter/height (β), blade aspect ratio (μ), rotational speed (ω), pitch angle (αp), tip speed ratio (λ) and shape coefficient (j) that represents the geometry the turbine modeled and optimized. Optimization results show at the final optimal design point the optimal turbine has the elliptical rotor geometry (j=0.5) with rotational speed of 121.545 rpm, αp= -1.442º, β=1.374 and μ=19.865 and the values of the first objective function (power coefficient) and second objective function (total normal force) are 0.4903 and 158.7N respectively. Finally, the effect of NACA 0012, NACA 0015 and NACA 0018 symmetric airfoils and NACA 7512 asymmetric airfoil as well as the effect of the number of blades 2, 3 and 4 on the power coefficent, vertical force and torque distribution of the optimal turbine have been investigated. The results show that NACA0018 and the number of three blades at λopt =4.298 are more suitable than other airfoils and blades.

توربين عمود محور , توربين پره خميده , مدل لوله جريان چندگانه دوتايي , بهينه سازي چند هدفه , ضريب توان , نيروي عمودي , توزيع گشتاور , موج گشتاور

verical axis wind turbine , Curved-blade turbine , Double multiple streamtube , Multi objective optimization , Power Coefficient , Normal Force , Torque distribution , Torque ripple