Dynamic Modeling, Analysis, and Control of a Vertical Axis Wind Turbine

Dynamic Modeling, Analysis, and Control of a Vertical Axis Wind Turbine. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (PhD Dissertation)
Revised_Final_PhD_Dissertation_Amin_g201302850_201_04_Jan2021.pdf - Published Version
Restricted to Repository staff only until 28 April 2022.

Download (3MB)

Arabic Abstract

أدت المخاوف المتزايدة بشأن سلامة البيئة إلى الحاجة إلى مصادر الطاقة الأكثر صداقة للبيئة. الخيار العملي في هذا الإعتبار هو طاقة الرياح. علاوة على ذلك ، توفر توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs) ح ا لا تفاعلياا للمواقع النائية بعيداا عن أنظمة الشبكة المتكاملة. ومع ذلك ، لديهم قيود محددة مصاحبة للتشكيلات المختلفة. للتغلب على هذه المزالق ، من الضروري تحسين الأداء العام وعزم بدء تشغيل التوربين لأن هذه من بين القضايا الأكثر شيو ا عا. لتحقيق هذه الأهداف ، من الضروري فحص الديناميكا الهوائية لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي واستجابتها الديناميكية لزيادة الطاقة المولدة وتقليل الاهتزاز . في النهج المعتمد ، تمت نمزجة الديناميكا الهوائية للتوربينية على أساس ما يسمى نماذج كمية التحرك أو نظرية تيار الأنبوب. ثم يتم إجراء تحليل الأداء والدراسة البارامترية لفهم آثار ظروف التشغيل والمعايير المختلفة على الأداء بشكل فعال. تمت دراسة الأداء على صلابات الدوار المختلفة ونسب العرض إلى الارتفاع للعثور على أفضل شكل للتوربين. من خلال مقارنة النماذج المختلفة ، تم تأسيس مزايا نموذج التدفق المتعدد المزدوج ) DMST (. تم التحقيق في ثلاث جنيحات )سطوح انسيابية( مختلفة ، ووجد أن NACA0015 هو الافضل بين NACA0012 و NACA002 . من خلال دراسة تأثير عدد الشفرات المختلفة ، وجد أن الدوار ذي الشفرتين والثلاث شفرات هما الاكثر فائد ة. لتعزيز خصائص عزم بدء الدوران، تم استخدام مفهوم التحكم في درجة النصل ) pitch ( المتغيرة. تم التحقق من تأثير درجات النصل الثابتة والمختلفة ، ووجد أن استخدام خطوة ثابتة بمقدار 2.5 درجة يمكن أن يعزز الأداء بشكل كبير على الرغم من عدم تحسين قدرة عزم بدء الدوران. ثم تم فحص تأثير زاوية النصل ) pitch xviii المتغيرة ذات الطبيعة الجيبية حيث تمت دراسة ومقارنة أربعة زوايا محتلفة. تم تحسين معاملات )angle الدوال الجيبية باستخدام خوارزمية التطور التفاضلي (DE) مع دوال تكلفة )هدف( مختلفة. وقد وجد أن استخدام خوارزمية DE مع سالب متوسط معامل الطاقة كدالة تكلفة قد أسفر عن أفضل قدرة بدء مقارنة بالحالات الأخرى المدروسة على الرغم من انخفاض قمة معامل القدر ة . علاوة على ذلك ، من أجل التحليل الديناميكي والهيكلي لشفرة توربينات الرياح ذات المحور الرأسي ذات الشفرة المستقيمة ) VAWT-SB (، تم تقديم نهج مبسط لمعادلات الطاقة لعارضة أويلرية معرضة لانحرافات التواء وانحرافات عرضية. ثم ت م فرض نمذجة الترتيب )الدرجة( المخفض بنا ا ء على الأنماط الأولى للاهتزاز للانحناء والالتواء ، وت م تقدير أحمال الديناميكا الهوائية باستخدام ما يسمى بنموذج التدفق المتعدد المزدوج ( DMST (. بعد ذلك ، ت م إدخال الأحمال الهوائية في النموذج الديناميكي للنظام في الاقتران الهوائي حيث تمت تغذية الإزاحة الهيكلية لتحديث الأحمال الهوائية ، حيث تم استخدام طريقة التسارع المتوسط للتكامل العددي للمعادلات. وجد أن الإزاحة الهيكلية لها تأثير ضئيل على الأحمال الهوائية. تتعرض VAWTs -SB إلى إزاحة عرضية عالية بقيمة متوسطة تبلغ 156 سم.

English Abstract

Increased concerns for the safety of the environment have resulted in a need for energy sources that are more environmentally friendly. A practical choice in this concern is wind energy. Moreover, vertical axis wind turbines (VAWTs) provide optimistic solution for remote locations far from the systems of integrated grid. Nevertheless, they have specific limitations accompanied with various configurations. To overcome such pitfalls, it is necessary to optimize the overall performance and the starting torque of the turbine as these are among the most dominant issues. To achieve such goals, it is necessarily to investigate the aerodynamics of vertical axis wind turbines and their dynamic response to increase the generated power and to minimize the vibration. In the adopted approach, the turbine aerodynamics is modeled based on the so-called momentum models or streamtube theory. Performance analysis and parametric study is then conducted to effectively understand the effects of different operating conditions and parameters on the performance. The performance over different rotor solidities and aspect ratios is studied to find the best configuration of the turbine. By comparing different models, the merit of double multiple streamtube (DMST) model is established. Three different airfoils were investigated, and it is found that NACA0015 is advantageous among xvi NACA0012 and NACA0021. By studying the effect of different number of blades, it is found that a two and three-bladed rotor are both advantageous. To enhance the starting torque characteristics, the concept of variable blade pitch control is utilized. The effect of different fixed pitches is investigated, and it is found that using a fixed pitch of 2.5 could greatly enhance the performance though without improving the starting torque capacity. The effect of variable pitch angle of sinusoidal nature is then examined where four pitch schemes are studied and compared. The parameters of the sinusoidal functions have been optimized using the differential evolution (DE) algorithm with different cost functions. It is found that, using DE algorithm with the negative of the average power as a cost function has yielded best starting capacity compared to other studied cases though with reduced peak power coefficient. Moreover, for dynamic and structural analysis of straight-bladed vertical axis wind turbine (SB-VAWT) blade, a simplified approach for energy equations for an Eulerian beam subjected to twist and transverse bending deflections is introduced. Reduced order modeling is then imposed based on the first modes of vibration for bend and twist, and the aerodynamics loads are estimated using the so-called DMST model. Then, the aerodynamic loads are introduced into the dynamic model of the system in the aeroelastic coupling where the structural displacements are fed back to update the aerodynamic loads, where average acceleration method was utilized for the numerical integration of the equations. It is found that structural displacement has little effect on the aerodynamic loads. SB-VAWTs experience high transverse displacement with a mean value of 156 cm.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Engineering
Aerospace
Mechanical
Department: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Sahin, A.
Committee Members: Khulief, Yehia A. and Hawwa, M.A. and Goude, Anders and Ouakad, Hassen
Depositing User: AMIN ABDELGADER MOHAMMED (g201302850)
Date Deposited: 06 May 2021 11:19
Last Modified: 06 May 2021 11:19
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141863