طراحی و مطالعه عملکرد یک توربین باد محور افقی جهت بکارگیری در سیستم اینولاکس با روش المان مومنتوم پره تصحیح شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

تا به امروز تلاش­های بسیاری برای استخراج انرژی از باد و افزایش ظرفیت توربین­های بادی انجام شده است. از جمله این سیستم­ها می توان به اینولاکس، روتورهای دارای شرود و داکت اشاره کرد. در بررسی­های صورت گرفته در خصوص سیستم توربین بادی اینولاکس، اغلب اثرات کارکرد روتور توربین باد تعبیه شده در بخش ونتوری، در مشخصه­های جریان، دخالت داده نشده است. مضافا طراحی و مدلسازی یک توربین باد بهینه متناسب با هندسه و شرایط ایرودینامیکی بخش ونتوری صورت نگرفته است. لذا در این مقاله با استفاده از نظریه BEM و با در نظر گرفتن ضرایب اصلاح نوک پره و توپی پرانتل و نیز تصحیح دنباله آشفته، یک کد نیمه تحلیلی توسعه داده شده و ابتدا یک توربین باد بهینه و اختصاصی بر مبنای داده های هندسی و عملکردی اینولاکس فرض شده، طراحی گردیده است. در ادامه مدلسازی و مطالعه عملکرد بصورت پارامتری حول مشخصه های هندسی توربین، نیز انجام شده است. نتایج اعتبارسنجی نشان می­دهد کد توسعه یافته توافق بسیار خوبی با نتایج تجربی، عددی و تحلیلی پیشین داشته و از این رو هندسه طراحی شده برای پره­ها قابل اتکا خواهد بود. بعلاوه بکارگیری تصحیحات گلوارت و برتون در همین بستر ارزیابی شده است. بر اساس دستاوردهای این پژوهش، در صورتی که توربین باد طراحی شده در بخش ونتوری سیستم اینولاکس استفاده شود، توان استحصال شده از آن 4425/2 برابر می­شود. همچنین در شرایط یکسان، تصحیح برتون مقادیر کمتری را نسبت به تصحیح گلوآرت پیش­ بینی می­کند. با فرض روتور 3 پره و سرعت باد 6/10 متر بر ثانیه و با در نظر گرفتن ضریب اصلاح نوک پره و توپی پرانتل، حداکثر ضریب توان و سرعت نوک پره متناظر با احتساب تصحیح برتون به ترتیب برابر 335/0 و 095/7 و با احتساب تصحیح گلوارت به ترتیب برابر 385/0 و 825/7 بوده است. از بستر فراهم شده به منظور بهینه سازی شکل پره و ساختار توربین باد اینولاکس می­توان بهره گیری نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Lilley, G., Rainbird, W., A preliminary report on the design and performance of ducted windmills, 1956.
[2] Allaei, D., Andreopoulos, Y., INVELOX: a new concept in wind energy harvesting. Proceeding of ASME 7th international Conference on energy Sustainability & 6/10th Fuel Cell Science, Engineering and Technology Conference ES-Fuel Cell 2013, pp. 14-19, 2013.
[3] Allaei, D., Andreopoulos, Y., INVELOX: Description of a new concept in wind power and its performance evaluation. Energy 69, 336-344, 2014.
[4] Allaei, D., Tarnowski, D., Andreopoulos, Y., INVELOX with multiple wind turbine generator systems. Energy 93, 1030-1040, 2015.
[5] Fereidoonnezhad, M., Tahani, M., Esfahanian, V., Analysis of Ducted Wind Turbine using Surface Vorticity Method. 3rd International Conference of IEA, Iran, Tehran, 2017.
[6] Kumar, N.M., Subathra, M., Cota, O.D., Design and wind tunnel testing of funnel based wind energy harvesting system. Procedia Technology 21, 33-40, 2015.
[7] Billah, S.B., Qasim, S., Development of MATLAB simulink model of Invelox to Analyze The Impact of Inlet Height On speed ratio. International Conference on Energy and Power Engineering (ICEPE), pp. 1-5. IEEE, 2019.
[8] Rezaey S., Numerical Investigation of a Globe Control Valve and Estimating its Loss Coefficient at Different Opening States. European Journal of Computational Mechanics. 2021 May 22:549-76.
[8] Golozar, A., Shirazi, F.A., Siahpour, S., Khakiani, F.N., Gaemi Osguei, K., A novel aerodynamic controllable roof for improving performance of INVELOX wind delivery system. Wind Engineering, 0309524X20910986, 2020.
[9] Sotoudeh, F., Kamali, R., Mousavi, S.M., Field tests and numerical modeling of INVELOX wind turbine application in low wind speed region. Energy 759-745, 181, 2019.
[10] Hosseini, S.R., Ganji, D.D., A novel design of nozzle-diffuser to enhance performance of INVELOX wind turbine. Energy, 117082, 2020.
[11] Anbarsooz, M., Amiri, M., Rashidi, I., A novel curtain design to enhance the aerodynamic performance of Invelox: A steady-RANS numerical simulation. Energy 168, 207-221, 2019.
[12] Anbarsooz, M., Hesam, M.S., Moetakef-Imani, B., Numerical study on the geometrical parameters affecting the aerodynamic performance of Invelox. IET Renewable Power Generation 11(6), 791-798 , 2017.
[13] Gohar, G.A., Manzoor, T., Ahmad, A., Hameed, Z., Saleem, F., Ahmad, I., Sattar, A., Arshad, A., Design and comparative analysis of an INVELOX wind power generation system for multiple wind turbines through computational fluid dynamics. Advances in Mechanical Engineering 11(4), 1687814019831475, 2019.
[14] Glauert, H., The analysis of experimental results in the windmill brake and vortex ring states of an airscrew. HM Stationery Office, 1926.
[15] Hsiao FB, Bai CJ, Chong WT., The performance test of three different horizontal axis wind turbine (HAWT) blade shapes using experimental and numerical methods. Energies. 2013 Jun, 6(6):2784-803.
[16] Tang X, Huang X, Peng R, Liu X., A direct approach of design optimization for small horizontal axis wind turbine blades. Procedia CIRP, 2015 Jan, 1;36:12-6.
[17] Masters I, Chapman JC, Willis MR, Orme JA., A robust blade element momentum theory model for tidal stream turbines including tip and hub loss corrections. Journal of Marine Engineering & Technology, 206/10 Jan 1;10(1):25-35.
[18] Karimian Aliabadi S, Rasekh S., Effect of platform disturbance on the performance of offshore wind turbine under pitch control. Wind Energy, 2020 May;23(5):1210-30.
[19] Tahani M, Kavari G, Masdari M, Mirhosseini M., Aerodynamic design of horizontal axis wind turbine with innovative local linearization of chord and twist distributions. Energy, 2017 Jul 15;131:78-91.
[20] Shin, J.H., Lee, J.H. and Chang, S.M., A Simplified Numerical Model for the Prediction of Wake Interaction in Multiple Wind Turbines. Energies, 12(21), p.4122.35, 2019.
[21] Hansen, M.O., Sørensen, J.N., Unsteady BEM Model. Aerodynamics of Wind Turbines, 2nd ed., Earthscan: London, UK, 85-102, 2008.
[22] Rommel DP, Di Maio D, Tinga T., Calculating wind turbine component loads for improved life prediction. Renewable energy, 2020 Feb 1;146:223-41.
[23] D. M. Eggleston and F. S. Stoddard., Wind Turbine Engineering Design, New York, NY, Van Nostrand Reinhold, 1987.
[24] M. L. Buhl., A New Empirical Relationship between Thrust Coefficient and Induction Factor for the Turbulent Windmill State A New Empirical Relationship between Thrust Coefficient and Induction Factor for the Turbulent Windmill State. Tech. Rep, NREL/TP- 500-36834, no. August, 2005.
[25] D. S. and E. B. T. Burton, N. Jenkins., Wind Energy Handbook. 2nd edition, John Wiley & Sons, 2001.
[26] Ding L, Guo T., Numerical Study on the Power Efficiency and Flow Characteristics of a New Type of Wind Energy Collection Device. Applied Sciences, 2020 Jan;10(21):7438.
[27] SnehalNarendrabhai, P., Desmukh, T., Numerical simulation of flow through invelox wind turbine system. International Journal of Renewable Energy Research 8(1), 291-301 , 2018.
[28] Tangier J. L., Somers D. M., Report on NREL Airfoil Families for HAAWTs. National Renewable Energy Laboratory, Colorado, Jan 1995.
[29] http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=s823-nr
[30] Peraro, R., Development of an Unsteady BEM Code for Wind Turbine Applications. 2019.
[31] Song Q, Lubitz WD., BEM simulation and performance analysis of a small wind turbine rotor. Wind Engineering, 2013 Aug;37(4):381-99.