ساخت و آزمایش یک توربین بادی محوری با بیشترین توانایی در جذب انرژی جنبشی جریان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک و هوا-فضا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، تهران، ایران

چکیده

هدف از مقاله حاضر ساخت و آزمایش یک توربین بادی محوری با ضریب توان بالاتر از  55% است. چرا که این ضریب توان بالاترین مقدار در جدیدترین نمونه‌های توربین‌های محوری ساخته شده است. بررسی حاضر منجر به ساخت طرحی جدید از یک توربین بادی کوچک شده که در اندازه‌گیری‌های تجربی حداکثر ضریب توان 68 الی 80 درصد را نشان داده است. اندازه‌گیری ضریب توان روتور دو پروانه ای توربین بادی با نتایج تئوری دو دیسک انتقال توان، که دست یابی به ضریب توان در حد 64 درصد را اثبات کرده، هم‌خوانی دارد. روتور توربین بادی شامل یک پروانه محوری سه پره ای و یک پروانه ترکیبی شش پره ای بهینه سازی شده است. قطعات توربین بادی با تکنولوژی چاپ سه‌بعدی ساخته شده اند. یک فن محوری بزرگ به صورت افقی نصب شده است تا جریان باد را ایجاد کند. روی محور روتور یک ترمز مکانیکی کوچک نصب شده است و برای ایجاد گشتاور ترمزی ثابت قابل تنظیم است. نیروی پسای روتور با استفاده از نیروسنج نوع اِس که درون یک سازه ایرودینامیکی جاسازی شده، اندازه‌گیری شده است. توربین بادی کوچک ضریب توان بهینه خود را در جریان باد کم سرعت )در محدوده 1 تا 3 متر بر ثانیه( حفظ کرده است. آزمایش برای روتور توربین و برای توربین بادی دارای جدار و بازوهای تکیه‌گاهی انجام شده و نتایج تقریباً یکسان به دست آمده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Fabrication and Test of an Axial Wind Turbine with the Most Power During Absorbing Flow Kinetic Energy

نویسندگان [English]

  • M. Rad 1
  • Ali Zahedi Nejad 2
1 Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

The aim of the present paper is fabrication and testing an axial wind turbine with power-coefficient greater than 55 percent. Since this power-coefficient is the highest value among the most recent fabricated axial turbines. The present study has led to manufacturing new design of a small wind turbine that has shown power-coefficient of 68 to 80 percent in experimental measurements. Measuring power-coefficient of two-propeller rotor of the wind turbine is in accordance with double-actuator-disc theory, which has proved achievement to power-coefficient of 64 percent. The rotor of the wind turbine consists of an axial three-blade propeller and an optimized six-blade combined-propeller. The parts of the wind turbine have been manufactured with three-dimensional print technology. A large axial fan has been installed horizontally to produce wind flow. A miniature mechanical brake has been installed on the rotor’s axis and it is adjustable for generating constant braking torque. The rotor’s drag force has been measured with the S-type load-cell that was accommodated in an aerodynamic structure. The small wind turbine has preserved its optimum power-coefficient in the low speed wind flow (in the range 1 to 3 m/sec). Experiment has been accomplished for the rotor of turbine and for the wind turbine having walls and supporting arms and nearly the same results has been achieved.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Axial wind turbine
  • double-propeller rotor
  • mechanical brake
  • Optimum power-coefficient
[1] B. Blocken, 50 years of computational wind engineering: past, present and future, Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 129 (2014) 69-102.
[2] S.Z. Roshan, S. Alimirzazadeh, M. Rad, RANS simulations of the stepped duct effect on the performance of ducted wind turbine, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 145 (2015) 270–279.
[3] A. Lotfi, M. Rad, Drag performance of divergent tubular-truncated cones: a shape optimization study, International Journal of Environmental Science and Technology, 9 (2012) 105-112.
[4] Y. Niknafs Abrebekooha, M. Rad, Experimental and numerical investigation of drag force over tubular frustum, Scientia Iranica; International Journal of Science and Technology, 18(5) (2011)1133-1137.
[5] A. Zahedi Nejad, M. Rad, M. Khayyat, Conceptual duct shape design for horizontal axis hydro-kinetic turbines, Scientia Iranica; International Journal of Science and Technology, Transactions B: Mechanical engineering, 23(5)( 2015) 2113-2124.
[6] X. Li, K. Yang, J. Bai, J. Xu, A new optimization method to improve the overall performance of thick wind turbine airfoils, Energy. 116 Part 1 (2016) 202-213.
[7] R. Belamadi, A Djemili, A. Ilinca, R. Mdouki, Aerodynamic performance analysis of slotted airfoils for application to wind turbine blades, Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 151 (2016) 79-99.
[8] A. Hassanzadeh, A. Hassanzadeh-Hassanabadi, A. Dadvand, Aerodynamic shape optimization and analysis of a small wind turbine blades employing the Viterna approach for post-stall region, Alexandria engineering journal, 55(3) (2016) 2035-2043.
[9] C. J. Bai, W. C. Wang, Review of computational and experimental approaches to analysis of aerodynamic performance in horizontal-axis wind turbines (HAWTs), Renewable and sustainable energy reviews, 63 (2016) 506-519.
[10] M. H. Giahi, A. Jafarian Dehkordi, Investigating the influence of dimensional scaling on aerodynamic characteristics of wind turbine using CFD simulation, Renewable energy, 97 (2016) 162-168.
[11] L. Wang, R. Quant, A. Kolios, Fluid structure interaction modelling of horizontal-axis wind turbine blades based on CFD and FEA, Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 158 (2016) 11-25.
[12] Q. Li, J. Murata, M. Endo, T. Maeda, Y. Kamada, Experimental and numerical investigation of the effect of turbulent inflow on a horizontal axis wind turbine (part II: wake characteristics), Energy, 113(15) (2016) 1304-1315.
[13] A. Zahedi Nejad, M. Rad, M. Khayat, Numerical and experimental investigations for design of a high performance micro-hydro-kinetic turbine, International Journal of Engineering, Transactions B: Applications, 30(5) (2017) 785-790.
[14] B. G. Newman, Multiple actuator-disc theory for wind turbines, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 24(3) (1986) 215-225.