مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عملکرد ایرودینامیکی و میدان جریان اطراف یک توربین بادی محور افقی چندروتور کوچک

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
آراز نادی 1
نگار نباتیان 1
پویان هاشمی طاری 2
شیوا عسگری مارنانی 3
1 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی
2 دانشگاه شهید بهشتی تهران
3 دانشکده مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، گروه انرژیهای تجدیدپذیر
چکیده
توربین های بادی رایج، برای تولید توان بالا نیاز به پره­هایی با طول بسیار زیاد دارند. این مسئله مشکلاتی از قبیل نحوه ساخت پره­های عظیم، افزایش هزینه­ ساخت و حمل و نقل آن را ایجاد می­کند. برای بهبود این شرایط، توربین­های بادی چند روتور پیشنهاد شده­اند. در حالیکه عملکرد توربین‌های چندروتور پیش‌تر توسط پژوهشگران مورد مطالعه قرار گرفته، رفتار جریان در ناحیه دنباله آن که در طراحی چیدمان مزارع بادی حائز اهمیت می­باشد، کمتر مورد توجه بوده است. لذا تمرکز پژوهش پیش‌رو بر روی این بخش است. بدین منظور جریان سیال توربین بادی سه روتور با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مدل‌سازی شده است. شبیه‌سازی عددی برای یک توربین تک­روتور و توربین سه­روتور با زاویه ۱۸۰ درجه نسبت به هم انجام شده و جهت اعتبار سنجی، نتایج به دست آمده حاصل از شبیه­سازی توربین تک روتور با نتایج تجربی مقایسه شد. نتایج عددی توربین تک روتور نشان می دهد که مدل ویکی ینسن- گوسیان می­تواند در پیش­بینی دنباله توربین تک روتور عملکرد بهتری داشته باشد. با مقایسه نتایج به دست آمده از شبیه­سازی توربین بادی سه روتور و نتایج حاصل از مدل­های ویکی برای توربین معادل، مشخص می­شود که به دلیل برهم کنش جریان­های دنباله­ای در پشت توربین سه روتور، اتلاف انرژی جنبشی سریع­تر اتفاق افتاده و سرعت در پشت توربین سریع­تر از توربین بادی تک روتور معادل بازیابی می­شود. همین امر اهمیت بسزایی در طراحی بهینه مزارع بادی دارد، چرا که توربین­ها می­توانند در فاصله کمتری تقریبا 4 برابر قطر معادل توربین تک روتور نسبت به یکدیگر قرار گیرند.
کلیدواژه‌ها
توربین بادی
توربین بادی چند روتور
جریان دنباله
مدل دنباله دور

موضوعات

عنوان مقاله English

Aerdyanmic Assessment and Wake Analysis of a Small Horizonatal Axis Multi-Rotor Wind Turbine

نویسندگان English

Araz Nadi 1
Negar Nabatian 1
pouyan hashemi tari 2
shiva asgari marnani 3
1 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University
2 Tehran Shahid Beheshti University
3 Renewable Energy Department, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University
چکیده English

New generation of wind turbines, in comparison to the old versions, have been designed with colossal blades to produce larger amount of power output. However, this has led into some unpredictable challenges including their construction procedure and expenses and particularly blades’ transportation. To overcome these issues, multi-rotor wind turbines have been suggested. Aerodynamic performances of such turbines have been previously assessed by other investigators. However, the wake characteristics of these turbines have been less studied. The focus of the present research is on the assessment of these characteristics, which are crucial in the process of any wind farm design. For this purpose, wake flow of a small three-rotor wind turbine is numerically simulated using computational fluid dynamics. A numerical simulation has been conducted for a single-rotor wind turbine and three-rotor small horizontal axis wind turbine with the angle of 180⸰ arrangement. The results of single rotor wind turbine indicated that far downstream wake extended up to 8D, with Jensen-Gaussian model can be better predicted. The comparison between three bladed wind turbine and the results of wake models for the equivalent turbine showed that because of wake interactions in the downstream of the rotor, the loss of turbulent kinetic energy and recovery of the stream speed will be faster. As a result, in the wind farms, the turbines in closer distances around 4D of the equivalent signle-rotor wind turbine can be installed.

کلیدواژه‌ها English

Wind turbine
Multi-rotor Wind Turbine
Wake flow
Far Wake Model
Jamieson P., Branney M., "Multi-Rotor; A sulotion to 20 MW and beyond," energy Procedia, 2012.
Verma. P., "Multi Rotor Wind Turbine Design And Cost Scaling," MSc thesis, 2013.
Chasapogiannis P., Prospathopoulos J., Voutsinas S. and Chaviaropoulos T., "Analysis of the aerodynamic performance of the multi-rotor concept," Journal of physics, 2014.
Rosenberg A., Selvaraj S. and Sharma A.,, "A novel dual-rotor turbine for increased wind energy capture," Journal of physics, 2014.
Huang Q., Shi Y., Wang Y., Lu L., Cui Y., "Multi-turbine wind-solar hybrid system," Renewable Energy, 2014.
Ohya Y., Miyazaki J., Göltenbott U. and Watanabe K., "Power augmentation of shrouded wind turbines in a multi-rotor system," Journal of energy resources technology, 2016.
Goltenbott U., "Aerodynamics of Multi-Rotor Wind Turbine Systems using Diffuser-Augmentation," Msc thesis, 2017.
Vermeer L., Sorenson J., Crespo A., "Wind turbine wake aerodynamics," Progress in Aerospace Sciences, 2014.
Sanderse B, Van der Pijl SP, Koren B., "Review of computational fluid dynamics for wind turbine wake aerodynamics" Wind Energy, 2011; 14: 799–819.
Steven R., Meneveau C., "Flow structure and turbulence in wind farms," Annual review of fluid mechanics, 2017.
Barthelmie R., Pryor S., Frandsen S., Hansen K., Schepers J. , "Quantifying the Impact of Wind Turbine Wakes on Power Output at Offshore Wind Farms," Atmospheric & Oceanic Technology, 2010.
Hamilton N., Tutkun M. and Bayoán Cal R., "Wind turbine boundary layer arrays for Cartesian and staggered configurations: Part II, low-dimensional representations via the proper orthogonal decomposition," Wind Energy, 2014.
Chamorro L., Port´e-Agel F., "Turbulent Flow Inside and Above a Wind Farm: A Wind-Tunnel Study," Energies, 2011.
Gocmen T., Laan P., Rethore P., Diaz P., Larsen G., Ott S., "Wind turbine wake models developed at the technical university of denmark: a review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016.
Bastankhah M., Porte-Agel F., "A new analytical model for wind-turbine wakes," Renewable Energy, 2014.
Xiaoxia G., Hongxing Y., Lin L., "Optimization of wind turbine layout position in a wind farm using a newly-developed two-dimensional wake model," Applied Energy, 2016.
W. D., Turbulence modeling for CFD, 3th edition, 2006.
Larsen G., "A simple stationary semi-analytical wake model," Technical University of Denmark, 2009.
K. Shirzadeh Ajirlo, P. Hashemi Tari, K. Gharali, and M. Zandi, “Development of a wind turbine simulator to design and test micro HAWTs,” Sustain. Energy Technol. Assessments, vol. 43, no. November 2020, p. 100900, 2021, doi: 10.1016/j.seta.2020.100900.
J. O. Mo, A. Choudhry, M. Arjomandi, and Y. H. Lee, “Large eddy simulation of the wind turbine wake characteristics in the numerical wind tunnel model,” J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol. 112, pp. 11–24, 2013, doi: 10.1016/j.jweia.2012.09.002.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 21، شماره 8
مرداد 1400
صفحه 551-561