بررسی جریان و ضریب گشتاور توربین بادی داریوس بر حسب تغییرات زاویه گام و نسبت سرعت نوک پره

نوع مقاله: طرح پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد

2 دکتری مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

توربین داریوس، توربین بادی محورعمودی بر پایه نیروی برآ است که به دلیل طراحی ساده و عدم وابستگی به جهت باد، مورد توجه محققان قرارگرفته است. به دلیل افزایش زاویه حمله پره در سرعت‌های نوک پایین و ایجاد واماندگی، اساساً این توربین‌ها با مشکل راه‌اندازی مواجه بوده و بازدهی کمتری نسبت به توربین‌های بادی محور افقی دارند. در این مطالعه نشان داده می شود که استفاده از توربین‌های با زاویه گام پره متغیر، یک راه‌کار مناسب برای رفع مشکل راه‌اندازی و افزایش توان توربین بادی داریوس می‌باشد. در این مقاله، اثر زاویه گام متغیر پره با دامنه‌های مختلف بر میزان گشتاور خروجی، رفتار جریان حول پره و راه‌اندازی توربین بادی داریوس بررسی شده است. شبیه‌سازی‌ها به‌صورت غیردائمی و دوبعدی و با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی به کمک مدل آشفتگی SST- kω در نرم‌افزار انسیس فلوئنت صورت پذیرفته و برای شبیه‌سازی چرخش روتور توربین، از تکنیک شبکه‌بندی لغزشی استفاده شده است. بررسی عددی نشان می‌دهد که استفاده از روش گام متغیر با هدف کاهش اندازه زاویه حمله و کاهش نوسانات پره، شانس توربین برای تولید گشتاور در زوایای چرخش مختلف را افزایش می‌دهد. همچنین بررسی جزییات جریان حول پره همچنین نشان می‌دهد که استفاده از روش گام متغیر سبب افزایش اختلاف فشار حول ناحیه کم‌فشار و پرفشار پره شده و واماندگی جریان را به تأخیر می‌اندازد. به همین دلیل توربین با زاویه گام متغیر این توانایی را داراست تا در مقایسه با توربین با زاویه گام ثابت، در سرعت‌های نوک متوسط و پایین، توان بیشتری تولید کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Paraschivoiu I, Trifu O, Saeed F (2009) H-Darrieus wind turbine with blade pitch control. Int J Rot Mach 2009:1-7.

[2] Kiwata T, Yamada T, Kita T, Takata  S, Komatsu  N, Kimura S (2010) Performance of a vertical axis wind turbine with variable-pitch straight blades utilizing a linkage mechanism. J Environment Eng 5(1): 213-225.

[3] ArabGolarche A, Moghiman M, Javadi MalAbad  SM (2015) Numerical simulation of Darrieus wind turbine using interaction. Modarres Mech Eng 15(12): 143-152. (in Persian)

[4] Firdaus R, Kiwata T, Kono T, Nagao K (2015) Numerical and experimental studies of a small vertical-axis wind turbine with variable-pitch straight blades. J Fluid Sci  Tech 10(1): 11-21.

[5] Zhang LX, Liang YB, Liu XH, Guo J (2014) Effect of blade pitch angle on aerodynamic performance of straight-bladed vertical axis wind turbine. J  Central South University 21: 1417-1427.

[6] Bhutta MMA, Hayat N, Farooq AU, Ali Z, Jamil  SR, Hussain Z (2012) Vertical axis wind turbine–A review of various configurations and design techniques. Renew Sust Energ Rev 16(4): 1926-1939.

[7] Elkhoury M, Kiwata T, Aoun E (2015) Experimental and numerical investigation of a three-dimensional vertical-axis wind turbine with variable-pitch. J Wind Eng Ind Aerodyn 139: 111-123.

[8] ArabGolarche A, Moghiman M, Javadi MalAbad SM (2015) Investigation of effective parameters on darrieus wind turbine efficiency with aerodynamics models. Modarres Mech Eng 15(5): 295-301. (in Persian)

[9] Wang S, Ingham DB, Ma L, Pourkashanian M, Tao Z (2010) Numerical investigations on dynamic stall of low Reynolds number flow around oscillating airfoils. Comput  Fluids 39(9): 1529-1541.

[10] Dominy R, Lunt P, Bickerdyke A, Dominy J (2007) Self-starting capability of a Darrieus turbine. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: J Pow Energ 221(1): 111-120.

[11] Nobile R, Vahdati M, Barlow J, Mewburn-Crook A (2011) Dynamic stall for a vertical axis wind turbine in a two-dimensional study. World Renew Energ Congr 4225-4232.

[12] Qin N, Howell R, Durrani N, Hamada K, Smith T (2011) Unsteady flow simulation and dynamic stall behaviour of vertical axis wind turbine blades. Wind Eng 35(4): 511-528.

[13] Howell R, Qin N, Edwards J, Durrani N (2010)  Wind tunnel and numerical study of a small vertical axis wind turbine. Renew Energ 35(2): 412-422.

[14] Hill N, Dominy R, Ingram G, Dominy J (2009)  Darrieus turbines: the physics of self-starting  Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: J Pow Energ 223(1): 21-29.

[15] Islam M, Ting DS, Fartaj A (2007) Desirable airfoil features for smaller-capacity straight-bladed VAWT. Wind Eng 31(3): 165-196.

[16] Kirke BK (1998) Evaluation of self-starting vertical axis wind turbines for stand-alone applications (Doc diss , GRIFFITH UNIVERSITY GOLD COAST).

[17] Tao WYYCZ (2006) Numerical investigation of dynamic stall vortex movement of different-thickness airfoils. J Beij Un Aero Astron 2, 006.

[18] Beri H, Yao Y (2011) Effect of camber airfoil on self starting of vertical axis wind turbine. J Environ Sci Technol 4(3): 302-312.

[19] Paraschivoiu I (2002) Wind turbine design: with emphasis on Darrieus concept. Presses inter Polytechnique.

[20] Amet E, MaÃŽtre T, Pellone C, Achard JL (2009)  2D numerical simulations of blade-vortex interaction in a darrieus turbine. J fluids Eng 131(11): 103-113.

[21] Dyachuk E, Rossande M, Goude A, Bernhoff H  (2015) Measurements of the aerodynamic normal forces on a 12-kW straight-bladed vertical axis wind turbine. Energ 8(8): 8482-8496.

[22] Bos R (2012) Self-starting of a small urban Darrieus rotor. Delft University of Technology.

[23] Xisto CM, Páscoa JC, Leger JA, Trancossi M  (2014) Wind energy production using an optimized variable pitch vertical axis rotor.  ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition 1: V001T01A007-V001T01A007.

[24] Castelli MR, Englaro A , Benini E (2011) The Darrieus wind turbine: Proposal for a new performance prediction model based on CFD. Energ 36(8): 4919-4934.

[25] Mohamed MH, Ali AM, Hafiz AA (2015) CFD analysis for H-rotor Darrieus turbine as a low speed wind energy converter. Eng Sci  Tech 18(1): 1-13.

[26] Nobile R, Vahdati  M, Barlow  JF, Mewburn-Crook A (2014) Unsteady flow simulation of a vertical axis augmented wind turbine: a two-dimensional study. J Wind Eng  Ind Aerodyn 125: 168-179.

[27] Sun X, Wang Y, An Q, Cao Y, Wu G, Huang D (2014) Aerodynamic performance and characteristic of vortex structures for Darrieus wind turbine. I. Numerical method and aerodynamic performance.  J  Renew Sus Energ 6(4): 043134.

[28] Armstrong S, Fiedler  A, Tullis S (2012) Flow separation on a high Reynolds number, high solidity  vertical axis wind turbine with straight and canted blades and canted blades with fences. Renew Energ 41: 13-22.