شماره ركورد
34239
پديد آورنده
محمد امين ولي زاده
عنوان
طراحي و بهينه سازي يك سيستم بادي با دو توربين موازي محور عمودي داريوس مجهز به پره J شكل
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
سيستم انرژي-تكنولوژي انرژي
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/07/29
استاد راهنما
دكتر ابوالفضل احمدي
استاد مشاور
دكتر سيد مجتبي ميرحسيني
دانشكده
فناوري نوين
چكيده
چكيده
امروزه در حوزه انرژي بادي شهري، توجه خاصي به توربينهاي بادي محور عمودي داريوس معطوف شده است. از جمله دلايلي كه موجب جلب توجه پژوهشگران به اين نوع توربينها ميشود، ميتوان به سادگي طراحي پرهها، عدم نياز به مكانيزم ياو، سر و صداي كم ناشي از چرخش پرهها نسبت به توربينهاي محور افقي، و مقاومت كم عملكرد توربين در برابر تغييرات جهت باد اشاره كرد. با اين حال، توسعه اين نوع توربينها با چالشهايي همچون قرار گرفتن پرههاي پاييندست جريان در شرايط آشفتگي، گشتاور منفي، ضعف در شروع خودكار، و ناپايداري زاويه حمله مواجه است. به همين دليل، پژوهشگران بسياري در تلاش هستند تا اين چالشها را برطرف كنند و يكي از راهحلهاي جديدي كه براي بهبود عملكرد اين توربينها ارائه شده، استفاده از پرههاي J شكل است. طبق تحقيقات انجام شده، اين طراحيها قادر به بهبود عملكرد توربينهاي داريوس ميباشند.
اين تحقيق به بررسي و بهينهسازي عملكرد سيستم دو توربين بادي عمودي داريوس با پرههاي J شكل و تحليل رفتار آيروديناميكي و اقتصادي آنها پرداخته است. هدف اصلي اين پژوهش، تحليل تأثير تركيب پارامترهاي جهت چرخش، زاويه پره و فاصله بين دو توربين بر عملكرد سيستم و همچنين ارزيابي كارايي اقتصادي اين سيستمها در بازار انرژي ايران است. در اين راستا، از روش طراحي آزمايش تاگوچي (DoE) و شبيهسازيهاي عددي CFD براي تحليل رفتار جريان استفاده شده است.
نتايج نشان داد كه در توربين اول، با تركيب پارامترهاي CW جهت چرخش، φ=45° و R_2/R_1=2.25، بهترين عملكرد حاصل ميشود. در تحليل آيروديناميكي توربين اول، مشاهده شد كه در زاويه صفر درجه، جريان به سطح پره چسبيده و گشتاور اوليه مثبت و كوچك است. در زاويه 120°، تشكيل گردابه لبه حمله و استال ديناميكي موجب افزايش گشتاور و بهبود عملكرد ميشود، در حالي كه در زاويه 240° جريان مجدداً پايدار ميشود و بيد باريك و يكنواخت به سمت توربين دوم حركت ميكند.
در توربين دوم، جريان ورودي از توربين اول شتابگرفته و باعث افزايش نيروي برآ و بهبود عملكرد آن ميشود. در اين حالت، ساختار جريان ورودي به توربين دوم پايدارتر و منظمتر شده است. همچنين، تحليلهاي فني نشان داد كه در فاصله 2/25D ، كانال تسريع جريان بهخوبي شكل ميگيرد و موجب بهبود عملكرد توربين دوم ميشود.
تحليلهاي اقتصادي نشان داد كه هر دو توربين از نظر اقتصادي پروژههاي سودآوري هستند. در حالت توربين اول، با در نظر گرفتن تعرفه فروش برق 3800 /kWh تومان ، دوره بازگشت سرمايه 1/48 سال و هزينه سطحي توليد برق (LCOE) برابر با/kWh 1/121تومان محاسبه شد. همچنين، در توربين دوم، با دوره بازگشت سرمايه 1/45 سال و LCOE پايينتر از تعرفه برق، اين سيستم بهعنوان يك گزينه مقرونبهصرفه براي توليد انرژي تجديدپذير در ايران شناخته ميشود.
نتايج كلي نشاندهنده بهبود عملكرد و پايداري سيستم دو توربينه در مقايسه با توربين تكرديفه است. اين پژوهش بهطور جامع به بررسي پارامترهاي فني و اقتصادي توربينهاي بادي داريوس پرداخته و نتايج آن ميتواند در طراحي و توسعه سيستمهاي بادي بهينه كمك كند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/03
عنوان به انگليسي
Design and optimization of a wind system with two parallel vertical axis Darius turbines equipped with J-shaped blades
تاريخ بهره برداري
10/22/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمدامين ولي زاده
چكيده به لاتين
Abstract
In recent years, vertical-axis Darrieus wind turbines (VAWTs) have attracted significant attention in the field of urban wind energy. This interest arises from several advantages, including the simplicity of blade design, the absence of a yaw mechanism, lower noise emissions compared to horizontal-axis wind turbines, and reduced sensitivity to variations in wind direction. Nevertheless, the development of Darrieus turbines faces several challenges, such as the exposure of downstream blades to turbulent flow conditions, negative torque generation, poor self-starting capability, and instability of the angle of attack. Consequently, numerous studies have focused on overcoming these limitations, among which the use of J-shaped blades has emerged as a promising solution for performance enhancement. Previous research has demonstrated that such blade configurations can significantly improve the overall performance of Darrieus turbines.
This study investigates and optimizes the performance of a dual Darrieus vertical-axis wind turbine system equipped with J-shaped blades, with a comprehensive analysis of its aerodynamic and economic behavior. The primary objective of this research is to examine the combined effects of rotational direction, blade pitch angle, and the spacing between the two turbines on the system’s performance, as well as to evaluate its economic feasibility in the Iranian energy market. To achieve this goal, the Taguchi design of experiments (DoE) method and computational fluid dynamics (CFD) simulations were employed to analyze the flow characteristics.
The results indicate that for the first turbine, the optimal performance is achieved with a clockwise (CW) rotation direction, a blade angle of φ = 45°, and a spacing ratio of R₂/R₁ = 2.25. Aerodynamic analysis of the first turbine shows that at a zero-degree azimuth angle, the flow remains attached to the blade surface, resulting in a small but positive initial torque. At an azimuth angle of 120°, the formation of a leading-edge vortex and the occurrence of dynamic stall significantly increase the torque and enhance turbine performance. At 240°, the flow re-stabilizes, and a narrow, uniform wake is directed toward the second turbine.
For the second turbine, the accelerated wake flow generated by the first turbine leads to an increase in lift force and an improvement in its performance. Under these conditions, the incoming flow structure becomes more stable and organized. Furthermore, technical analyses reveal that at a spacing of 2.25D, an effective flow acceleration channel is formed, which plays a crucial role in enhancing the performance of the second turbine.
Economic assessments demonstrate that both turbines are financially viable projects. For the first turbine, considering an electricity selling tariff of 3,800 IRR/kWh, the payback period is calculated as 1.48 years, and the levelized cost of electricity (LCOE) is estimated at 1,121 IRR/kWh. Similarly, the second turbine exhibits a payback period of 1.45 years and an LCOE lower than the electricity tariff, confirming the system as a cost-effective option for renewable energy generation in Iran.
Overall, the results highlight a significant improvement in performance and stability for the dual-turbine system compared to a single-turbine configuration. This research provides a comprehensive evaluation of both the technical and economic aspects of Darrieus wind turbines, and its findings can contribute to the optimal design and development of advanced wind energy systems.
كليدواژه هاي فارسي
توربين بادي عمودمحور , پرههاي J-شكل , بهينهسازي آيروديناميكي , تحليل اقتصادي توربين بادي , شبيه سازي CFD
كليدواژه هاي لاتين
Vertical-axis wind turbine , J-shaped blades , aerodynamic optimization , wind turbine economic analysis , CFD simulation
Author
Mohammad amin Valizadeh
SuperVisor
Dr.Abolfazl Ahmadi