Document
Design and dynamic modelling of a broadband vortex bladeless wind turbine.
Source
Master's thesis
Other titles
التصميم والنمذجة الديناميكية لتوربينات الرياح ذات النطاق العريض الخالية من الشفرة
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2024
Language
English
Thesis Type
Master's thesis
English abstract
This research focused on the design and dynamic modeling of a broadband electromagnetic
Vortex Bladeless Wind Turbine (VBWT) with a non-linear tuned mechanism. Two
progressive-rate springs are part of the tunable mechanism, which are connected to two
oscillating magnets inside an electromagnetic coil. The Vortex-Induced Vibration (VIV)
caused by the wind flow crossing over the oscillating mast is tuned to match the shedding
frequency by gradually adjusting the spring stiffness as the wind speed varies. Using the
lumped-mass model and Newton formulation, the coupled nonlinear equations of motion for
the tunable turbine are derived. The tunable bladeless turbine operates well at high average
wind speeds, as demonstrated by numerical data, without experiencing any structural failures
(i.e., good damping). The optimum turbine's mechanical fundamental frequency is expressed
analytically, with respect to the non-linear stiffnesses and displacement. The numerical
evaluations and the analytical results agree rather well. The output power of the tunable
turbine reaches its maximum value at a particular non-linear stiffness beyond the threshold.
Comparing the 2 m long tunable turbine to a typical bladeless turbine under identical
conditions and at higher wind speeds, numerical studies also demonstrate that the output
power of the former is superior. For instance, the output RMS power of the tunable turbine
is approximately 37.5 W at a wind speed of around 24 m/s, compared to almost zero watts
for the traditional VBWT. Strong winds cause a decoupling between the emergence of
vortices and the structural oscillation frequency in the case of traditional VIV resonant wind
turbines. As lift forces become less significant than drag forces, resonance and oscillation
vanish. An ideal external load can help increase the power even more. Conventional small
bladeless wind turbines violently oscillate at high wind speeds, which primarily results in
uncontrollable resonance and system failure. In contrast, tuned turbines effectively sustain
wind speeds beyond 20 m/s. This study proved the viability and benefits of the suggested
tuned mechanism to improve the bladeless wind turbine's overall performance at high wind
speeds, particularly in urban grounds like Oman (i.e., 16-31 m/s). To boost the harvester
output power and expand the bandwidth frequency, a subset of the geometrical parameters
of the suggested harvester are optimized using the fundamental Cat Swarm optimization
algorithm (CSO). It has been discovered that the recommended harvester's maximum power,
when operating at its third natural frequency, is roughly 37.5 W. This can be achieved by
optimizing the harvester's physical parameters using a variety of objectives or fitness
functions.
Arabic abstract
إن تصميم ونمذجة توربينات الرياح الخالية من الشفرة ذات الدوامة الكهرومغناطيسية (VBWT (مع آلية ضبط غير خطية هي موضوع بحث هذه الدراسة. يعتبر النوابض ذات المعدل التقدمي جزءا من الالية القابلة للضبط، والتي ترتبط بمغناطيسين متذبذبين داخل ملف كهرومغناطيسي. يتم ضبط الاهتزاز الناجم عن الدوامة (VIV (الناتج عن عبور تدفق الرياح فوق الصاري المتأرجح ليتناسب مع تردد التساقط عن طريق ضبط صلابة الزنبرك تدريجيًا مع اختالف سرعة الرياح. باستخدام نموذج الكتلة المجمعة وصياغة نيوتن، تم اشتقاق معادالت الحركة غير الخطية المقترنة للتوربين القابل للضبط. يعمل التوربين الخالي من الشفرة القابل للضبط بشكل جيد عند متوسط سرعات رياح عالية، كما يتضح من البيانات الرقمية، دون مواجهة أي أعطال هيكلية )أي التخميد الجيد(. يتم التعبير عن التردد الاساسي الميكانيكي الامثل للتوربين بشكل تحليلي، فيما يتعلق بالصلابة والازاحة غير الخطية. تتفق التقييمات العددية والنتائج التحليلية بشكل جيد. تصل طاقة الخرج للتوربين القابل للضبط إلى سرعتها القصوى عند صلابة غير خطية معينة تتجاوز العتبة. وبمقارنة التوربين القابل للضبط الذي يبلغ طوله 2 متر مع توربين نموذجي بدون شفرات في ظل ظروف مماثلة وبسرعات رياح أعلى، تظهر الدراسات العددية أيضا أن طاقة الخرج للأول متفوقة. على سبيل المثال، تبلغ طاقة(RMS (الناتجة للتوربين القابل للضبط حوالي 37.5 واط عند سرعة رياح تبلغ حوالي 24 م/ث، مقارنة بما يقرب من صفر واط للتوربين VBWT التقليدي. تتسبب الرياح القوية في فصل بين ظهور الدوامات وتردد التذبذب الهيكلي في حالة توربينات الرياح الرنانة التقليدية .VIV عندما تصبح قوى الرفع أقل أهمية من قوى السحب، يختفي الرنين والتذبذب. يمكن أن يساعد الحمل الخارجي المثالي في زيادة الطاقة بشكل أكبر. تتأرجح توربينات الرياح التقليدية الصغيرة الخالية من الشفرات بعنف عند سرعات الرياح العالية، مما يؤدي في المقام الاول إلى رنين لا يمكن السيطرة عليه وفشل النظام. في المقابل، تحافظ التوربينات المضبوطة بشكل فعال على سرعة الرياح التي تتجاوز 20 م/ث. أثبتت هذه الدراسة جدوى وفوائد الالية المضبوطة المقترحة لتحسين الاداء العام لتوربينات الرياح الخالية من الشفرات عند سرعات الرياح العالية، وخاصة في المناطق الحضرية مثل عمان )أي 31-16 م / ث(. لتعزيز طاقة خرج الحصادة وتوسيع تردد النطاق الترددي، تم تحسين مجموعة فرعية من المعلمات الهندسية للحصادة المقترحة باستخدام خوارزمية تحسين Swarm Cat الاساسية .(CSO( لقد تم اكتشاف أن الطاقة القصوى الموصى بها آللة الحصاد، عند التشغيل بترددها الطبيعي الثالث، تبلغ حوالي 37.5 وات. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق تحسين المعلمات الفيزيائية لآلة الحصاد باستخدام مجموعة متنوعة من الاهداف أو . fitness functions
Category
Theses and Dissertations