بهبود عملکرد آیرودینامیکی توربین بادی محور عمودی ترکیبی داریوس-ساونیوس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران)، تهران، ایران.

چکیده

پره‌های پشت به باد توربین‌های ساونیوس اثر منفی در تولید گشتاور این توربین‌ها دارند. با افزایش نسبت سرعت نوک پره این اثر منفی در تولید گشتاور بیشتر می‌شود. به همین علت بخش ساونیوس در توربین‌های ترکیبی داریوس- ساونیوس پس از شروع به حرکت و با افزایش نسبت سرعت نوک پره، گشتاور منفی تولید می‌نماید. در پژوهش حاضر، مقابل پره‌های پشت به باد توربین ساونیوس یک دیواره قرار داده شده است تا اثرات منفی این پره‌ها در تولید گشتاور کاهش یابد و در نتیجه عملکرد آیرودینامیکی آن بهبود داده شود. دو نوع پره ساونیوس با طول قوس مختلف و سه نوع دیواره با جانمایی مختلف به‌صورت سه‌بعدی شبیه‌سازی شده و گشتاور تولیدی و مقدار نوسانات گشتاور آنها در یک دور کامل محاسبه شده است. توربین ساونیوسی که بیشترین گشتاور متوسط و کمترین نوسانات گشتاور را دارد روی یک توربین داریوس پره مستقیم سوار شده و توربین ترکیبی را تشکیل داده است. در مقایسه با توربین داریوس پره مستقیم، در نسبت سرعت نوک پره 0/9 توربین ترکیبی پیشنهادی 2/3  درصد گشتاور متوسط بیشتر و 40 درصد نوسانات گشتاور کمتری دارد. این امر نشان می‌دهد توربین ترکیبی پیشنهادی در مقایسه با مدل‌های متداول خود از نظر نسبت سرعت نوک پره، حوزه کاری گسترده‌تری دارد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Aerodynamic Performance Improvement of Hybrid Darrieus-Savonius Vertical Axis Wind Turbine

نویسندگان [English]

  • Abolfazl Abdolahifar
  • S.M.H Karimian
Department of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran.
چکیده [English]

Returning blades of Savonius vertical axis wind turbines make negative effects on the total moment produced by the turbines especially at high tip speed ratios. For hybrid Darrieus[1]Savonius vertical-axis wind turbines at the dynamic mode, with tip speed ratio increment from self[1]starting to that of high values, returning blades of its Savonius part make the whole part to produce negative moment. In the present work, in order to reduce negative effects of returning blades of Savonius vertical-axis wind turbines and consequently improve its aerodynamic performance, a wall is placed in front of them. Several configurations including two types of blade shapes with three types of wall placements are simulated three-dimensionally and their output-moment and moment fluctuations are computed for one complete cycle. Desired Savonius vertical-axis wind turbine with suitable wall which produces the most average-moment and the least moment fluctuations are mounted on a straight-blade Darrieus vertical-axis wind turbine and they formed a hybrid vertical-axis wind turbine. In comparison to straight-blade vertical-axis wind turbine, at the tip speed ratio of 0.9 proposed hybrid vertical-axis wind turbines produces 2.3% more average-moment along with 40% fewer moment fluctuations. This means in term of tip speed ratio values, proposed hybrid vertical-axis wind turbine has wider operating range in comparison to its general types.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Darrieus
  • Savonius
  • Hybrid turbine
  • Dynamic mode
  • Numerical simulation

مراجع

[1] D.Y. Leung, Y. Yang, Wind energy development and its environmental impact: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1) (2012) 1031-1039.
[2] P. Mahale, N. Jangid, A. Gite, T.D. Patil, Vertical axis wind turbine: A lucid solution for global small scale energy crisis, Journal of Academia and Industrial Research (JAIR), 3(8) (2015) 393.
[3] A. Tummala, R.K. Velamati, D.K. Sinha, V. Indraja, V.H. Krishna, A review on small scale wind turbines, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 56 (2016) 1351-1371.
[4] A. Shires, Design optimisation of an offshore vertical axis wind turbine, Proceedings of the ICE-Energy, 166(EN1) (2013) 7-18.
[5] A. Rezaeiha, H. Montazeri, B. Blocken, Characterization of aerodynamic performance of vertical axis wind turbines: Impact of operational parameters, Energy Conversion and Management, 169 (2018) 45-77.
[6] M. Ghasemian, Z.N. Ashrafi, A. Sedaghat, A review on computational fluid dynamic simulation techniques for Darrieus vertical axis wind turbines, Energy Conversion and Management, 149 (2017) 87-100.
[7] R. Howell, N. Qin, J. Edwards, N. Durrani, Wind tunnel and numerical study of a small vertical axis wind turbine, Renewable energy, 35(2) (2010) 412-422.
[8] H. Riegler, HAWT versus VAWT: Small VAWTs find a clear niche, Refocus, 4(4) (2003) 44-46.
[9] L. Battisti, A. Brighenti, E. Benini, M.R. Castelli, Analysis of Different Blade Architectures on small VAWT Performance, in:  Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2016, pp. 062009.
[10] Y.-T. Lee, H.-C. Lim, Numerical study of the aerodynamic performance of a 500 W Darrieus-type vertical-axis wind turbine, Renewable Energy, 83 (2015) 407-415.
[11]  F. Scheurich, T. Fletcher, R. Brown, The influence of blade curvature and helical blade twist on the performance of a vertical-axis wind turbine, in:  48th AIAA aerospace sciences meeting including the new horizons forum and aerospace exposition, 2010, pp. 1579.
[12] T. Wakui, Y. Tanzawa, T. Hashizume, T. Nagao, Hybrid configuration of Darrieus and Savonius rotors for stand‐alone wind turbine‐generator systems, Electrical Engineering in Japan, 150(4) (2005) 13-22.
[13] R. Gupta, A. Biswas, K. Sharma, Comparative study of a three-bucket Savonius rotor with a combined three-bucket Savonius–three-bladed Darrieus rotor, Renewable Energy, 33(9) (2008) 1974-1981.
[14]  R. Gupta, R. Das, K. Sharma, Experimental study of a Savonius-Darrieus wind machine, in:  Proceedings of the International Conference on Renewable Energy for Developing Countries, University of Columbia, Washington DC, 2006.
[15]  M.J. Alam, M.T. Iqbal, Design and development of hybrid vertical axis turbine, in:  Electrical and Computer Engineering, 2009. CCECE’09. Canadian Conference on, IEEE, 2009, pp. 1178-1183.
[16] S. Bhuyan, A. Biswas, Investigations on self-starting and performance characteristics of simple H and hybrid H-Savonius vertical axis wind rotors, Energy Conversion and Management, 87 (2014) 859-867.
[17] N. Akbari, A. Abdolahifar, Performance investigation of hybrid Darrieus-Savonius wind turbine compared to straight-bladed Darrieus turbine by Threedimensional numerical simulation, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 51(6) (2018) 171-180. (In Persian).
[18]  A. Roshan, M.J. Maghrebi, Performance improvement of hybrid Darrieus-Savonius wind turbine, Journal of Solid and Fluid Mechanics, 6(3) (2016) 195-212 (In Persian).
[19]   M. Elkhoury, T. Kiwata, E. Aoun, Experimental and numerical investigation of a three-dimensional vertical-axis wind turbine with variable-pitch, Journal of wind engineering and Industrial aerodynamics, 139 (2015) 111-123.
[20]  N. Fujisawa, On the torque mechanism of Savonius rotors, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 40(3) (1992) 277-292.
[21]  D.C. Wilcox, Turbulence modeling for CFD, DCW industries La Canada, CA, 1998.
[22]  F.R. Menter, Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications, AIAA journal, 32(8) (1994) 1598-1605.
[23]  K. McLaren, S. Tullis, S. Ziada, Computational fluid dynamics simulation of the aerodynamics of a high solidity, small‐scale vertical axis wind turbine, Wind Energy, 15(3) (2012) 349-361.
[24]  R.E. Sheldahl, Comparison of field and wind tunnel Darrieus wind turbine data, Journal of Energy, 5(4) (1981) 254-256.
[25]  K.A. Hoffmann, S.T. Chiang, Computational Fluid Dynamics Volume I, Engineering Education System, Wichita, Kan, USA,  (2000).
[26]   A. Fluent, 15.0 User’s Manual, ANSYS Documentation N Fluent N User’s Guide & Theory Guide—Release 15.0, ANSYS Inc., ANSYS Inc.
[27]   M. Vaughn, C. Chen, Error versus y+ for three turbulence models: Incompressible flow over a unit flat plate, in:  18th AIAA Computational Fluid Dynamics Conference, 2007, pp. 3968.
[28]   P.R. Wolf, C.D. Ghilani, Adjustment computations: statistics and least squares in surveying and GIS, Wiley-Interscience, 1997.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 7
مهر 1399
صفحه 1865-1884

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار