Document

Numerical study on analysis of wind turbine under variable wind conditions.

Identifier
Al-Balushi, Ahmed (2023). Numerical study on analysis of wind turbine under variable wind conditions. (Master's thesis, Sultan Qaboos University, Muscat, Oman).
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2023
Language
English
English abstract
The natural wind flow is an increasingly important source of power production worldwide, with wind energy providing more than half of the growth in renewable energy. However, the efficient utilization of wind energy strongly depends on the structural condition of the turbine blade. Therefore, evaluating turbine performance in varying wind conditions is crucial for developing and designing energy-efficient wind turbines. Developing and designing large wind turbines and determining their performance under varying wind loads is a challenging and costly process. Numerical simulations using Finite Element (FE) modeling provide a cost-effective substitute to develop and test the performance of large wind turbines. However, studies pertinent to coupling of turbine blade at minimum cost and estimation of fatigue life under varying wind conditions are limited. This study aims to compare the strength and deformation of blades of a horizontal axis wind turbine made of composite and aluminum alloy. The aerodynamic analysis of a Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) is performed, with a 3D geometric model generated and imported into a Finite Element code (ANSYS Workbench) for analysis. The Computational Fluid Dynamic (CFD) analysis is coupled with structural analysis using one-way fluid structure interaction. The power output and pressure coefficients obtained from CFD are compared with experimental data. The deformation and stresses produced in the two types of blades (aluminum alloy and composite) are analyzed and compared, and the tip deflection and stress on the blades are related to wind speed and Yaw angles. The results obtained from numerical simulations demonstrate higher blade tip deformation in aluminum blades compared to composite material. The obtained results are compared and discussed in the context of similar studies available in the published literature. This study can help in the development of cost effective and high-performance wind turbines for efficient utilization of wind energy.
Arabic abstract
يعد تدفق الرياح الطبيعي مصد ًرا متزايد الاهمية لإنتاج الطاقة في جميع أنحاء العالم ، حيث توفر طاقة الرياح أكثر من نصف النمو في الطاقة المتجددة. ومع ذلك ، فإن الاستخدام الفعال لطاقة الرياح يعتمد بشدة على الحالة الهيكلية لشفرة التوربين. لذلك ، فإن تقييم أداء التوربينات في ظروف الرياح المختلفة أمر بالغ الاهمية لتطوير وتصميم توربينات الرياح الموفرة للطاقة. يعد تطوير وتصميم توربينات الرياح الكبيرة وتحديد أدائها في ظل أحمال الرياح المتغيرة عملية صعبة ومكلفة. توفر المحاكاة العددية بديالً يرة. ومع ذلك ، فإن فعالا باستخدام نمذجة العناصر المحدودة (FE (من حيث التكلفة لتطوير واختبار أداء توربينات الرياح الكب الدراسات ذات الصلة بربط ريش التوربينات بأقل تكلفة وتقدير عمر الكالل في ظل ظروف الرياح المتغيرة محدودة. تهدف هذه الدراسة إلى مقارنة قوة وتشوه ريش توربينات الرياح ذات المحور الافقي المصنوعة من المركبات وسبائك الالومنيوم. يتم إجراء التحليل الديناميكي الهوائي لتوربينات الرياح ذات المحور الافقي (HAWT (، باستخدام نموذج هندسي ثالثي الابعاد تم إنشاؤه واستيراده إلى رمز العنصر المحدد (Workbench ANSYS (للتحليل. يقترن تحليل السائل الديناميكي الحسابي (CFD (بالتحليل الهيكلي باستخدام تفاعل هيكل السوائل أحادي الاتجاه. تتم مقارنة خرج الطاقة ومعامالت الضغط التي تم الحصول عليها من CFD مع البيانات التجريبية. يتم تحليل ومقارنة التشوه والضغوط الناتجة عن نوعي الشفرات )سبائك الالومنيوم والمركب( ، ويرتبط انحراف الطرف والضغط على الشفرات بسرعة الرياح وزوايا الانحراف. النتائج التي تم الحصول عليها من المحاكاة العددية أظهرت تشو ًها أعلى في طرف الشفرة في شفرات الالمنيوم مقارنة بالمواد المركبة. تتم مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها ومناقشتها في سياق الدراسات المماثلة المتوفرة في الادبيات المنشورة. يمكن أن تساعد هذه الدراسة في تطوير توربينات رياح فعالة من حيث التكلفة وعالية الاداء من أجل الاستخدام الفعال لطاقة الرياح.
Category
Theses and Dissertations