بررسي تأثير سرعت جريان آزاد باد بر عملكرد توربين باد محور عمودي مقياس كوچك

Investigation of the effect of free-wind velocity on the performance of small-scale vertical axis wind turbine

در تحقيق حاضر، تأثير عوامل مختلف در شبيه‌سازي جريان اطراف يك توربين باد محور عمودي نوع H با پره‌هايي از مقطع ايرفويل NACA0018 مورد مطالعه قرارگرفته است. تمامي محاسبات با استفاده از روش ديناميك سيالات محاسباتي و روش حجم محدود انجام شده‌اند. سرعت‌هاي جريان باد 5، 10 و 15 متربرثانيه و نسبت سرعت نوك‌هاي 3 و 5 مورد بررسي قرارگرفته اند. استقلال نتايج عددي از شبكه بندي، گام زماني، قطر ناحيه‌ي چرخشي و ابعاد دامنه محاسباتي مطالعه شده است. تمامي نتايج عددي با داده‌هاي آزمايشگاهي اعتبارسنجي شده و تطابق خوبي را نشان مي دهند. با توجه به نتايج به‌دست‌آمده، با افزايش سرعت جريان آزاد باد، ماكزيمم مقدار ضريب مومنتوم در زواياي بزرگ‌تري اتفاق مي‌افتد. همچنين با كاهش نسبت سرعت نوك، به دليل نفوذ حجم هواي بيشتر به درون روتور، ميزان نوسانات افزايش يافته و در نتيجه عمر مفيد اجزاي روتور و راندمان توربين باد كاهش مي‌يابد. همچنين، تأثير نسبت سرعت نوك در راندمان توربين باد چشمگيرتر از تأثير سرعت جريان آزاد باد مي‌باشد به‌طوري‌كه با افزايش نسبت سرعت نوك از 3 به 5 در سرعت جريان باد ثابت 10 متربرثانيه، ضريب توان 81/87 % و با افزايش سرعت جريان آزاد باد از 5 به 10 متربرثانيه در نسبت سرعت نوك ثابت 3، ضريب توان 58/2% افزايش مي‌يابد.

In the present research, the effects of various parameters in simulating wind flow around an H-type vertical axis wind turbine with NACA0018 airfoils are studied. All computations are carried out using the computational fluid dynamics method and finite volume approach. Free wind velocities of 5, 10, and 15 m/s, and tip speed ratios of 3 and 5 are considered. Grid size, time-step size, rotating zone diameter, and domain size independence studies are investigated. All obtained results are compared with experimental data and show good agreement. Examination of obtained results reveals that by increasing free-wind velocity, maximum momentum coefficient occurs at higher azimuthal angles. Also, by decreasing tip speed ratio, more volume of air penetrates the rotor and therefore, fluctuations of wind turbine increase and, lifecycle and performance of wind turbine decrease. Furthermore, the effect of tip speed ratio on the performance of wind turbine is more significant than free wind velocity so that by increasing tip speed ratio from 3 to 5 at a constant free wind velocity of 10 m/s, the power coefficient increases by 81.87% and by increasing free wind velocity from 5 to 10 m/s at a constant tip speed ratio of 3, power coefficient increases by 58.2%.