Optimization of torque and power produced from a small scale vertical axis wind turbine. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF
Mudhafar_201519510-MS_Thesis-May2018.pdf Download (1MB) | Preview |
Arabic Abstract
تم اختيار عنفة ريحية صغيرة ذات محور عمودي صغير، ذوقطردوار يصل الى 2.56 (م)، وطول الشفرات 1.5 (م)، وسرعة دوران 179 (دورة في الدقيقة)، مع افتراض شفرات ناسا0012 (ثلاث شفرات) للدراسه الحاليه. هذه الأطروحة تغطي مهمتين رئيسيتين. أولا، تحسين عزم الدوران والقوة المنتجة من عنفة ريحية ذات محور رأسي وأبعاد صغيره. ويجرى التحليل بقيم مختلفة ل TSR ( والتي تعرف بانها النسبه بين السرعه المحيطيه للدوار الى سرعة الريح) وتتراوح بين (1 إلى 4) ويتم اختيار زوايا الشفرات لتكون تابعه لزوايا السمت في كل موضع دوران للدوار. تتلخص الفكرة الأساسية في محاكاة حركة الشفرات (ثلاثة شفرات) عندما تدور حول دائرة من 360 درجه. بعد أن يتم تحديد واختيار زوايا الشفرات المرغوبه فانه بامكاننا حساب معاملات الرفع والسحب والتي تعتبر توابع لزوايا الشفرات ورقم رينولد. في نهاية المطاف، يتم تحديد قوات السحب و الرفع للحصول على عزم دوران وقوة مفيدة من النموذج المحدد. ثانيا، يتم تحديد إنتاج الطاقة السنوية وعامل القدرة على أساس العلاقات القياسية المتاحة في الكتب ذات العلاقه. وقد أجريت الدراسة من خلال تغيير زوايا الشفرات (β) لنموذج عنفه ريحيه ذات محور عمودي وشفرات مسطحه. واستخدم سيناريوهان لزيادة انتاج الطاقة للنموذج. تم استخدام السيناريو الأول لدراسة أداء النموذج عندما يتم تثبيت زوايا االشفرات (β). وتستخدم مجموعة واسعة من هذه الزوايا الثابتة. وقد ضمنت هذه الطريقة زيادة هامة في انتاج الطاقة وكانت القيمة المثلى لزاوية الشفرات الثابته هي 90 درجة. واستخدم السيناريو الثاني للتحقيق من أداء النموذج المدروس عند تعديل زوايا الشفرات (β) لتكون تابعه الزوايا دوران الدوار (θ). وقد تم إنتاج زيادة كبيرة في انتاج الطاقة كتسلسل من استخدام هذا التعديل. يميل نموذج الدراسة المختار إلى أن يمتلك عامل قدرة جيد وإنتاج الطاقة السنوية ممتازة. وعلاوة على ذلك، كان تأثير سرعة الرياح على الأداء وإنتاج الطاقة السنوية على النموذج المحدد أكثر فعالية من ارتفاع المحور. بشكل عام، النتائج العدديه للنموذج المختار في توافق جيد مع النتائج العدديه للنموذج بنفس الابعاد من الدراسات السابقه بانحراف أقصى لنتائج النموذج في حدود 13٪. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام اتجاه جديد (التعديل الثاني) لتحسين إنتاج الطاقة للنموذج وتم الحصول على نتائج هامة كنتيجه لاستخدام هذه التقنية.
English Abstract
A small-scale vertical axis wind turbine with 2.56 m rotor diameter, 1.5 m blade length, and rotational speed of 179 r.p.m, with NASA0012 airfoils (three straight-bladed rotor) has been chosen for the present study. This thesis covers two main tasks. First, optimization of the torque and power produced from a small-scale vertical axis wind turbine. The analysis is conducted at different values of tip speed ratio ranging from 1 to 4. The blade pitch angle is kept fixed at every position of the rotor for modification I as well as being used as a function of the azimuth angles at every position of the rotor for modification II to investigate the optimum value of the fixed blade pitch angle at the optimum value of TSR. The basic idea is to simulate the motion of the blades (three-blades) when they rotate around a circle of 360o. Once the desired pitch angles and angles of attack have been acquired, the lift and drag coefficients (functions of the angle of attack and Reynolds number) can be obtained. Then, the drag and lift forces can be evaluated. Finally, the lift and drag forces can be solved to find the useful torque and power of the model. The second task, annual energy production and capacity factor, is acquired based on the standard relationships available in the literature. The study was carried out by varying the pitch setting angles (β) of the straight-bladed VAWT. Two scenarios for enhancing the power output of the VAWT model were used. Scenario I was used to examine the performance of the VAWT model when pitch angles (β) were kept fixed. This method ensured an important increase in the power output, and the optimum value of the blade pitch angle was 90 degrees. Scenario II was used to investigate the performance of the VAWT model when the pitch angles (β) were adjusted to be functions of the azimuth angles (θ). The case study VAWT model tends to have a good capacity factor and an excellent annual energy production. Furthermore, the impact of wind speed on the performance and annual energy production of the selected model is more effective than the hub height. In general, the numerical model results of the modification I were found to be in good agreement with the numerical model results from the previous studies, as the maximum deviation of model results was within 13%. In addition, a new direction (modification II) was used to improve the power output of the VAWT model and significant results were obtained as a result of using this technique.
| Item Type: | Thesis (Masters) |
|---|---|
| Subjects: | Engineering Mechanical |
| Department: | College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering |
| Committee Advisor: | Bahaidarah, Haitham |
| Committee Members: | Sahin, Ahmet and Ouakad, Hassen |
| Depositing User: | MUDHAFAR MUDHAFAR (g201519510) |
| Date Deposited: | 25 Jun 2018 05:34 |
| Last Modified: | 30 Dec 2020 12:03 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140756 |