عنوان پایان‌نامه
طراحی و تحلیل آیرودینامیکی پره توربین باد مگاواتی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3049;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 70418
- تاریخ دفاع
- ۱۰ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- حمید مرادتبریزی
- استاد راهنما
- امیر نجات
- چکیده
- در سال های اخیر توجه ویژه ای به استفاده از انرژی های پاک و تجدید پذیر شده است که انرژی بادی یکی از مهم ترین آن ها است. بنابراین طراحی توربین هایی با ظرفیت بالا که بتوان هر چه بیشتر از باد موجود انرژی جذب کنند در حالی که هزینه کمتری داشته باشند اهمیت ویژه ای دارد و همین موضوع سبب رواج استفاده از توربین های رده مگاواتی شده است. هدف از انجام این پروژه بررسی دانش طراحی و تحلیل آیرودینامیکی پره توربین بادی مگاواتی می باشد. فرآیند طراحی آیرودینامیکی پره توربین باد که نقطه آغازین و اساسی ترین بخش در طراحی یک توربین می باشد، یک فرآیند بهینه سازی است که شامل یک ابزار تحلیلی، طراحی هندسه اولیه و تابع هدف خاص است. در این پروژه هر یک از بخش های این فرآیند به صورت جداگانه مورد بررسی قرار گرفته اند. ابتدا دو مورد از مهم ترین روش های تحلیل آیرودینامیکی پره توربین باد یعنی اندازه حرکت المان پره و دینامیک سیالات محاسباتی مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته اند. مقایسه نتایج به دست آمده از دو روش برای توربین مرجع 5 مگاواتی نشان می دهد هر دو روند یکسانی را طی می کنند و نقطه پیک یکسانی را پیش بینی می نمایند. در ادامه و در بخش اصلی پروژه، روشی کاربردی برای طراحی آیرودینامیکی پره توربین بادی مگاواتی بر پایه تئوری اندازه حرکت المان پره ارائه شده است. روش کار به این صورت است که ابتدا بر اساس تئوری اندازه حرکت المان پره ایده آل یک طراحی اولیه انجام گرفته و سپس روشی برای اصلاحات هندسی به منظور نزدیک کردن هندسه پره به شکل عملی و کاربردی ارائه شده است. مزیت این روش آن است که طراحی پره بر پایه تعداد متغیرهای ورودی کمتری انجام می گیرد و در عین حال نتایج به دست آمده از آن مطابقت خوبی با توربین مرجع در نظر گرفته شده، یعنی توربین 5 مگاواتی نشان می دهد. بنابراین استفاده از این روش می تواند برای دست یافتن به یک طراحی اولیه آیرودینامیکی، پایه ای مناسب باشد. در انتهای طراحی اولیه، یک بهینه سازی توسط روش الگوریتم ژنتیک و استفاده از خم بزیِر به روی منحنی زاویه پیچش و با در نظر گرفتن تولید انرژی سالیانه به عنوان تابع هدف انجام شده است. در نهایت با استفاده از این روش یک توربین 5/2 مگاواتی با در نظر گرفتن شرایط منطقه لوتَک در نزدیکی زابل در استان سیستان و بلوچستان طراحی شده و به منظور نشان دادن کارایی آن در شرایط واقعی، شبیه سازی و حل سه بعدی آن به روش دینامیک سیالات محاسباتی انجام شده و نتایج آن با نتایج به دست آمده از روش اندازه حرکت المان پره مقایسه شده است که مطابقت قابل قبولی را نشان داده و می توان همان نتیجه گیری مقایسه قبل را داشت. همچنین چگونگی تأثیر در نظر گرفتن تابع هدف های مختلف از جمله ضریب توان نامی، انرژی تولیدی سالیانه و هزینه انرژی و ... بر تغییرات هندسه و عملکرد توربین مرجع 5 مگاواتی و توربین 5/2 مگاواتی طراحی شده بررسی شده است و می توان دید که انتخاب هر یک از آن ها نیازمند مد نظر قرار دادن مسائل دیگر همانند مسائل سازه ای می باشد. به علاوه تأثیر روش حل عددی در فرآیند بهینه سازی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور بهینه سازی به روش اندازه حرکت المان پره انجام شده و تحلیل به روش دینامیک سیالات محاسباتی برای هندسه بهینه شده نیز نیز انجام شده است. نتایج نشان می دهند که میزان درصد بهینه شدن محاسبه شده توسط دو روش تقریباً یکسان هستند. واژه های کلیدی: توربین بادی مگاواتی، تئوری اندازه حرکت المان پره، دینامیک سیالات محاسباتی، طراحی آیرودینامیکی، اصلاحات هندسی پره، بهینه سازی توسط الگوریتم ژنتیک، مشخصات منطقه لو
- Abstract
- In recent years, special attention has been made to the use of clean and renewable energies that wind power is one of the most important ones. Therefore , design of the a turbine with a high capacity to absorb more energy from the wind while spending less is important and because of this use of MW class wind turbines are growing today. The aim of this project is study of aerodynamic design and analysis of megawatt wind turbine blade knowledge. Wind turbine blade aerodynamic design process that is the starting point in designing a turbine and the most basic, is an optimization process which contains an analytical tool, basic geometry design and a special goal function. In this project, each part of this process have been studied individually. First, two of the most important wind turbine blade's aerodynamic analysis methods: blade element momentum (BEM) and computational fluid dynamics (CFD) are investigated. Comparison of the results of the two methods for NREL 5 MW reference wind turbine demonstrates both have the same procedure and forecast the same peak point. After that and in the main part of the project, a useful method proposed for aerodynamic design of Megawatt wind turbine blade based on BEM theory¬. In this method first a preliminary design is done based on the ideal BEM and then a method have been offered for geometric modifications to approximate the geometry of the blade to a real and functionally one. The advantage of this method is that needed few design parameters that simplify the design procedure, however its results are in good agreement with NREL 5MW reference wind turbine assumed as validation case and show that with use of this method can achieve a good aerodynamic design. ، Then the twist angle has been optimized using Genetic algorithm and Bezier curve with annual energy production (AEP) as the goal function. At the end, a 2.5 MW wind turbine has been design based on this method with considering the Lootak site specifications in province of Sistan and Baloochestan. Then 3D model of the blade has been made and CFD simulation applied on that for showing the designed turbine operation in real conditions and comparison with BEM method. The results show that is acceptable compatibility between two analytical methods as showed at the first comparison. Also a study have been done on changes in geometry and performance of 5 and 2.5 MW designed turbines by consider the different objectives functions like the rated power coefficient, annual energy production and energy cost. And we can see that choose any of them need to consider other issues such as the structural problems. In addition, the effect of the numerical solution at the optimization process is also studied. To achieve this an optimization was performed using BEM and then the optimized geometry has been analyzed using CFD. The results show that the percentage rate of optimization calculated by the two methods are almost identical. Keywords: Megawatt class wind turbines, blade element momentum (BEM), computational fluid dynamics (CFD), aerodynamic design, blade geometric modification, optimization using genetic algorithm, Lootak site specifications
