Abstract
This paper reviews the design optimization of wind turbine blades through investigating the design methods and analyzing the performance of the blades. The current research work in this area include wind turbine blade geometric design and optimization, aerodynamics analysis, wind turbine blade structural design and dynamics analysis. Blade geometric design addresses the design parameters, including airfoils and their aerodynamic coefficients, attack angles, design tip speed ratio, design and/or rated wind speed, rotor diameter, blade aerodynamic shape with chord length and twist distributions, so that the blade achieves an optimum power performance. The geometry of the blade is an aerodynamic shape with nonlinear chord and twist distribution, which can be obtained based on the BEM theory with respect to given aerofoil with known aerodynamic coefficients. In terms of blade aerodynamics analysis, there are four types of aerodynamic models which can be used to predict the aerodynamic performance of blades, including blade element momentum (BEM) model, lifting panel and vortex model, actuator line model, and computational fluid dynamics (CFD) model. Among the four, computational fluid dynamics (CFD) model has been used to calculate the aerodynamic effect on the blade airfoil. Critical Reynolds number and constant wind speed has been considered during analysis under different turbulence models Viz, spallart-almaras, k-epsilon, invicid flow. During investigation it is observed that only k-epsilon showed efficient results than others and 14 degree angle of attack (AOA) is the optimum value at which there is much lift coefficient and minimum drag
چکیده
این مقاله، بهینهسازی طراحی پرههای توربین بادی را از طریق بررسی روشهای طراحی و تحلیل عملکرد پرهها مرور میکند. کارهای تحقیقاتی که در حال حاضر در این زمینه انجام میشوند، شامل طراحی هندسی و بهینهسازی پره توربین بادی، تحلیل ایرودینامیکی، طراحی ساختاری پره توربین بادی و تحلیل دینامیکی هستند. طراحی هندسی پره، متغیرهای طراحی را معین میکند، شامل ایرفویلها و ضریبهای ایرودینامیکی آنها، زوایای حمله، نسبت سرعت نوک طراحی، سرعت باد نسبی و طراحی، قطر موتور، شکل ایرودینامیکی پره با طول وتر و توزیع زاویهی نصب. در نتیجه پره عملکرد قدرتی بهینه خواهد داشت. هندسهی پره یک شکل ایرودینامیکی با وتر غیرخطی و توزیع زاویه نصب است که میتوان آن را از نظریهی BEM برای ایرفویل دادهشده با ضرایب ایرودینامیکی مشخص به دست آورد. در تحلیل ایرودینامیکی پرهها، چهار نوع مدل ایرودینامیکی وجود دارند که میتوان از آنها برای پیشبینی عملکرد ایرودینامیکی پره استفاده کرد، شامل مدل تکانهی المان پره (BEM)، مدل پنل بالابرنده و ورتکس، مدل خط عملگر و مدل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD). از بین این چهار مدل، مدل دینامیک سیالات محاسباتی برای محاسبهی تاثیر ایرودینامیکی روی ایرفویل پره استفاده شده است. عدد رینولدز بحرانی و سرعت باد ثابت در طول تحلیل تحت مدلهای اغتشاش مختلف Viz، اسپالارت-الماراس، ک-اپسیلون و جریان غیرلزج در نظر گرفته شدهاند. در طی بررسی مشاهده شده است که فقط مدل ک-اپسیلون نتایج بهینه را نشان میدهد و زاویه حمله (AOA) 14 درجه، مقدار بهینه است که در آن مقدار ضریب برآ زیاد است و درگ در حالت کمینه قرار دارد.
1-مقدمه
باد، صورت مکانیکی انرژی خورشیدی است. بخش کوچکی (حدود 2 درصد) از تابش خورشیدی روی زمین به انرژی مکانیکی هوای متحرک، باد، تبدیل میشود. سرعت و جهت باد بستگی به گرادیان فشار تحمیلی دارد، به علاوهی برخی نیروهای مشخص دیگر و بهعلاوهی جغرافیای محلی. باد یک جریان سیال آزاد است. وسیلهی استحصال انرژی (از هر نوع آن) در داخل جریان غوطهور میشود و فقطمیتواند میزان مشخصی از کل انرژی در دسترس در جریان سیال را تبدیل کند، نه همه آن را. تبدیل انرژی از جریان سیال آزاد دارای محدودیت است زیرا گرفتن انرژی باعث کاهش سرعت جریان میشود (کاهش انرژی جنبشی جریان)، و این عدد نمیتواند به صفر برسد، چون جریان باید به حرکت خود ادامه دهد و نباید کاملا متوقف شود. همچنین، توربین مانعی برای حرکت جریان است. بعضی سیالها ممکن است از میان توربین رد نشوند و آن را دور بزنند...