عنوان پایان‌نامه
مدلسازی و بهینه سازی توربین باد محور عمودی با هدف هدایت جریان خروجی
- رشته تحصیلی
- مهندسی انرژیهای جدید پذیر
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72317;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72317
- تاریخ دفاع
- ۲۰ دی ۱۳۹۴
- دانشجو
- علی ربانی
- استاد راهنما
- مهدی مهرپویا, علی بخش کسائیان
- چکیده
- تأثیرات ناشی از آلودگی¬های حاصل از مصرف منابع متداول انرژی به منظور تولید توان به چالشی بزرگ جهت کاهش آلاینده¬ها و پیشروی به سمت استفاده از منابع جایگزین تجدیدپذیر از جمله انرژی بادی تبدیل شده است. در این میان توربین باد محور عمودی ساوینوسی با توجه به مزایایی از قبیل سادگی ساختار، عملکرد در سرعت¬های مختلف باد، قابلیت شروع خودبخودی و اقتصادی بودن مورد توجه می¬باشد. از طرفی این نوع توربین از عملکرد آیرودینامیکی پایین¬تری در قیاس با دیگر توربین¬ها برخوردار بوده که سبب انجام مطالعات بسیاری به منظور ارتقاء عملکرد آن توسط محققین شده است. در این پروژه به طراحی و مدل¬سازی نوعی توربین باد محور عمودی ساوینوسی با قابلیت هدایت جریان خروجی به منظور تهویه مطبوع در واحدهای مصرفی گوناگون پرداخته می¬شود. در گام اول روند مدل¬سازی یک توربین باد با استفاده از نرم¬افزار CFX ANSYS معرفی گردیده و با توجه به نتایج آزمایشگاهی مورد صحت¬سنجی و اعتبارسنجی قرار گرفته می-شود. در این مدل¬سازی از روش توربلانسی SST k-? با توجه به عملکرد بهتر آن استفاده شده است. در گام بعدی سه ایده¬ی اصلی ایجاد پیچش در توربین، سطح مقطع متغیر مطابق با تغییرات ارتفاع و بهره¬گیری از شفت مخروطی در قسمت میانی در این طراحی بکار گرفته شده است. پیچش در توربین بادهای محور عمودی سبب کاهش گشتاور منفی وارده بر توربین می¬گردد. سطح مقطع متغیر سبب ایجاد تغییرات فشار در فضای داخلی توربین گشته که این امر سبب جهت¬دهی به جریان ورودی به توربین می¬گردد، اما از طرفی این ایده سبب افزایش سطح پره¬ی برگشتی به جریان و افزایش گشتاور منفی وارده بر توربین می¬شود که سبب کاهش ضریب توان توربین باد خواهد شد. در خصوص ایده¬ی شفت مخروطی می-توان گفت که جریان عبوری با برخورد بر این سطح به سمت مقطع کم¬فشار حرکت کرده و سبب بهبود مقدار دبی خروجی می¬گردد. به منظور دستیابی به یک توربین با عملکرد آیرودینامیکی بهتر ترکیب توربین باد دارای شفت مخروطی و پیچش را می¬توان معرفی نمود. با توجه به نتایج بدست آمده توربین باد با شفت مخروطی دارای پیچش در مقایسه با توربین باد ساده ساوینوسی بترتیب از 18 درصد و 31 درصد افزایش در ضریب توان و دبی خروجی برخوردار است. همچنین توربین باد با سطح مقطع متغیر در مقایسه با توربین باد ساده ساوینوسی بترتیب 12 درصد کاهش و 5 درصد افزایش در ضریب توان و دبی خروجی را نشان می¬دهد که گویای عملکرد پایین این توربین می¬باشد. در گام نهایی به منظور بهینه¬سازی و دستیابی به یک هندسه¬ی ایده¬آل از توربین منتخب، طی یک الگوریتم مشخص سه پارامتر اصلی قطر، ارتفاع و زاویه¬ی پیچش مطالعه شده و بر این اساس تمامی توربین¬های طراحی شده ار بالاترین ضریب توان در زاویه¬ی 35 درجه و بیش¬ترین ضریب دبی خروجی در زاویه¬ی 60 درجه برخوردارند. از طرفی بر اساس روش انتخاب AHP توربین باد با قطر و ارتفاع 3/0 متر و زاویه پیچش 35 درجه از بهترین عملکرد برخوردار است. کلمات کلیدی: انرژی بادی، توربین باد محور عمودی ساوینوسی، توربین باد با شفت مخروطی دارای پیچش، ضریب توان، دبی خروجی
- Abstract
- Fossil fuels pollution and their eventual resources depletion, give rise to an important challenge to reduce the emissions by applying alternative renewable energies such as wind energy. The Savonius vertical axis wind turbine has several advantages such as low manufacturing cost, good self-starting capability, low noise emission which is suitable for urban areas and low dependency on the wind direction. Numerous experimental and numerical investigations have been carried out to enhance the performance of the Savonius rotor due to the relatively lower efficiency of this turbine compared with other wind turbine In this study, an innovative Savonius-style wind rotor which is capable of directing the discharge flow was designed to utilize the flow for ventilation and produce the power for electricity demand in buildings. Accordingly, a modeling procedure for wind turbine was defined in CFX software and validated and verified with experimental results. In this modeling the SST turbulence model is chosen due to the better performance. In the next step, three main ideas, twisting on the blade, variable cut plane respect to the height and conical shaft in the middle of rotor is considered. The twist on the blade can reduce the negative torque acting on the turbine. The variable cut plane cause to change the pressure in inner space of rotor which deviate the inlet flow. However, this idea increase the returning blade surface which increase the negative torque on the blade and decrease the power coefficient. The conical shaft idea, the inlet fluid flow on the conical shaft surface and flow to low pressure regions. This idea enhance the discharge flow rate. The twisted wind rotor with conical shaft can consider as an appropriate geometry due to the aerodynamic performance. Results of simple Savonius wind turbine compared to twisted wind turbine with conical shaft shows 18% increase and 31% increase in CP and discharge flow rate respectively. Moreover, Power coefficient and discharge flow rate for variable cut plane compared to simple Savonius wind turbine shows a 12% increase and 5% decrease that indicate a weaker operation. In the final step, according to optimize and reach a proper geometry of proposed design with the defined procedure, three main parameters, diameter and height and twist angle is investigated. Results indicate that all of modeled turbines have a higher power coefficient in twist angle of 35° and a higher discharge flow coefficient in twist angle of 60°. On the other hand, based on the AHP selection model, the wind turbine with diameter and height equal to 0.3m and twist angle of 35° has a best performance between other modeled turbines. Keyword: wind energy, The Savonius vertical axis wind turbine, Twisted wind turbine with conical shaft, Power coefficient, Discharge flow rate.
