عامل مهم تاثیرگذار در بازدهی توربین، دوران توربین است. هرچه دوران روتور در سرعت های مختلف به خصوص در سرعت های پایین، بیشتر باشد باعث افزایش توان می شود. در این راستا ابتدا ایرفویل NACA0015 انتخاب و برای تحلیل عددی از روش توربولانسی K-ω SST استفاده و با نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی شد. سپس توربین بادی در نرم افزار CATIA طراحی و ساخته شد. ورق آلومینیومی استفاده شده از آلیاژ سری یک که برای ساخت پره های صاف و متخلخل از ورق ساده و امباس لوزی شکل که به صورت خلل و فرج و به ضخامت 0/3میلی متر است. برای ایجاد جریان باد از دمنده چهار فن و برای محاسبه دقیق تر وسایل مورد استفاده در اندازه گیری، آزمون و ساخت کالیبره شده اند. نتایج نشان می دهد که توربین بادی محور عمودی داریوس پره متخلخل و صاف در سرعت 2/3 و 3/9متر بر ثانیه شروع به دوران کرده است. در سرعت 2/5 و 3متر بر ثانیه توربین بادی پره متخلخل دو برابر و در سرعت 4متر بر ثانیه سه برابر توربین بادی پره صاف دوران داشته است. در سرعت 4/5، 5، 5/5، 6، 6/5 و 7متر برثانیه ثانیه دوران توربین بادی پره متخلخل نسبت به توربین بادی پره صاف 56/25%، 20%، 22%، 15%، 7/5% و 12% بیشتر و در سرعت 8 تا 10متر بر ثانیه توربین بادی پره متخلخل و صاف دوران تقریبا برابری دارند.

تحولات در طراحی توربین های بادی با تقویت در سراسر جهان با هدف تولید برق نزدیک به کاربر در مناطق ساخته شده در حال پیشرفت است. این امر به کاهش بار تولید برق و همچنین هزینه های شبکه توزیع و انتقال با کاهش فاصله بین کاربر و منبع انرژی کمک می کند. اهداف اصلی توسعه و پیشرفت توربین های بادی محور عمودی، افزایش ضریب قدرت و ضریب گشتاور با بهینه سازی باد بالادستی است که به پره های روتور برخورد می کند. برخلاف توربین های بادی محور افقی، توربین های محور عمودی نه تنها گشتاور مثبت، بلکه گشتاور منفی نیز در حین کار تولید می کنند. گشتاور منفی تولید شده توسط پره برگشتی یک مسئله کلیدی برای توربین های بادی محور عمودی است که نتیجه معکوس دارد. استفاده از پره های متخلخل برای افزایش جریان به کاهش گشتاور منفی تولید شده توسط پره های برگشتی و همچنین افزایش گشتاور مثبت با ایجاد انحراف در باد بالادست به سمت پره پیشرو در حین کار کمک می کند. این مقاله طرح ها، آزمایش های مختلف انجام شده بر روی توربین بادی محور عمودی داریوس با پره های متخلخل گزارش شده تا به امروز را بررسی می کند. نتایج پژوهش-های انجام یافته نشان می دهد که توربین بادی محور عمودی داریوس با پره های متخلخل، خود راه اندازی و دوران بیش تری را نسبت به توربین بادی محور عمودی داریوس با پره های مستقیم ثبت کرده است و گشتاور، نیرو و توان راه اندازی کم تری نسبت به توربین بادی محور عمودی داریوس با پره های مستقیم نیاز دارد.

توربین بادی، انرژی جنبشی جریان باد را به انرژی دورانی محور روتور تبدیل می کند. استفاده از توربین­ بادی محور عمودی به عنوان یکی از منابع تولید انرژی پاک اهمیت بالایی دارد. از جمله مزیت­های توربین­ بادی محور عمودی نسبت به توربین بادی محور افقی هزینه ارزان تولید، سبکی، راحتی نصب و استفاده در مناطق مسکونی است. پره ی توربین های بادی عمود محور داریوس بیش­تر به صورت پره مستقیم یا مارپیچی است. مشکل اساسی توربین بادی محور عمودی داریوس، خودشروع کنندگی اولیه آن­هاست که اساس کار این پژوهش است که برای اولین بار از پره­ های امباس لوزی شکل که به صورت متخلخل است، استفاده شد تا با ایجاد نیروی درگ بر روی پره­ها باعث افزایش خودشروع شوندگی در سرعت­های پایین گردد. برای این منظور توربین بادی عمود محور داریوس در نرم ­افزار کتیا طراحی و ساخته شد. برای ساخت ایرفویل­ها از NACA0015 و جنس استفاده شده برای پره­های مستقیم و متخلخل، ورق آلومینیوم ساده و ورق امباس که به صورت خلل و فرج است، که هر دو از آلیاژهای سری یک آلومینوم هستند و وسایل مورد استفاده شده در ساخت و اندازه­گیری کالیبره شده است. نتیجه نشان داد که توربین بادی پره امباس تا سرعت نه متر بر ثانیه نسبت به توربین بادی عمود محور پره مستقیم، گشتاور لحظه­ای کم­تری برای راه ­اندازی لازم دارد.

امروزه، تولید انرژی از منابع پاک از قبیل باد، بیش ازپیش موردتوجه پژوهشگران و صنعتگران است. توربین های بادی محور عمودی، یکی از انواع توربین های بادی است که اغلب برای مصارف شهری و کم توان استفاده می شود. هدف از انجام مطالعه حاضر، طراحی و تحلیل یک توربین بادی محور عمودی است. در این مطالعه، برای منطقه ای با سرعت باد میانگین ده متر بر ثانیه، توربینی یک کیلوواتی از نوع محور عمودی داریوس با پره های مستقیم، طراحی ایرودینامیکی-مفهومی شد. با مشخص شدن ابعاد و هندسه توربین، با استفاده از روش تحلیلی و استفاده از کد پریکامپ طراحی سازه ای و لایه چینی کامپوزیتی پره، برای تحمل نیروی ناشی از باد شدید با حفظ سبکی پره انجام شد. این توربین یک کیلوواتی، دارای قطر روتور 2/5 متر، سه پره، سرعت دورانی 240 دور بر دقیقه، ارتفاع پره 18/2 متر، طول وتر 0/11 متر و ایرفویل DU06-W-200 است. پره، شامل لایه چینی کامپوزیتی مناسب در بخش های مختلف از مواد کامپوزیتی تک جهته و دوجهته، هسته، لایه پیوندی و ژل کوت در نظر گرفته شد. جرم هر پره حدود 600 گرم است که از مزایای به کاربردن مواد کامپوزیتی در آن است. طراحی سازه ای انجام شده با روش اجزای محدود، با اختلاف 3% تایید شد.

پژوهش کنونی با بهره گیری از شبیه سازی سه بعدی جریان حول توربین داریوس سه پره ای به بررسی توان راه اندازی توربین می پردازد. دو نوع توربین پره مستقیم و پره مارپیچ مجهز به پره هایی با پروفیل جی-شکل مورد بررسی قرار گرفته اند. تاثیر کمیت های گوناگون نظیر سرعت باد، ارتفاع پره ها و باز یا بسته بودن انتهای پره جی-شکل مورد مطالعه قرار گرفته و با توربین مجهز به پره های کامل مقایسه شده است. تحلیل جریان حول پره آشکار ساخت که گردابه های شکل گرفته در سطح فشار پره جی-شکل موجب افزایش گشتاور تولیدی می شوند. با بستن انتهای پره جی-شکل از خروج این گردابه ها در لبه های انتهایی جلوگیری می شود که تاثیر مثبت قایل ملاحظه ای در شرایط راه اندازی و شرایطی که روتور دارای چرخش است ، دارد. متوسط گشتاور تولیدی برای توربین پره مستقیم و پره مارپیچ مجهز به پره جی-شکل با انتهای بسته به ترتیب تحت شرایط راه اندازی 38/5 و 21 درصد و در نسبت سرعت نوک پره کم 49/5 و41/9 درصد نسبت به توربین با پره کامل افزایش داشته است. اثر مثبت استفاده از پره های جی-شکل تحت شرایط راه اندازی برای سرعت های کم باد و ارتفاع های بلندتر پره بارزتر می باشد که این پره را به گزینه مناسبی برای به کارگیری توربین در مناطق شهری بدل می کند.

توربین های بادی داریوس و ساونیوس که از جمله توربین های بادی محور عمودی محسوب می شوند، به دلیل طراحی ساده و عدم وابستگی به جهت باد، موردتوجه محققان قرارگرفته اند. توربین داریوس باوجود بازده بالاتر نسبت به ساونیوس، با مشکل اساسی راه اندازی خودکار روبرو است. هدف از مطالعه حاضر، ترکیب توربین داریوس با ساونیوس، جهت دست یابی به مدلی با گشتاور راه اندازی و محدوده عملکرد مناسب، است. ابتدا یک مدل شامل سه پره داریوس از نوع مستقیم و دو پره ساونیوس، شبیه سازی می گردد و به منظور بهبود عملکرد، زاویه کمان پره های ساونیوس و صلبیت پره های داریوس تغییر می یابند. با دستیابی به زاویه کمان و صلبیت بهینه و ترکیب آن ها، قابلیت مدل ترکیبی اولیه بهبود داده می شود. شبیه سازی به صورت دو بعدی و با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی انجام پذیرفته و برای چرخش توربین از شبکه بندی متحرک، استفاده شده است. مطابق با نتایج، ترکیب توربین داریوس با ساونیوس تاثیر مطلوبی بر راه اندازی خودکار و یکنواخت کردن منحنی عملکرد توربین دارد. همچنین مشاهده گردید که صلبیت 75.0 برای ایرفویل و زاویه 150 درجه برای کمان پره ساونیوس، حالت های بهینه شده از نظر بیشینه ضریب توان، گشتاور راه اندازی و محدوده عملکرد می باشند که با بهره گیری هم زمان، مدل ترکیبی با حداکثر عملکرد به دست می آید.

در این تحقیق برای انتخاب ایرفویل پره توربین باد محور عمودی داریوس سه ایرفویل NACA0015، NACA0018 و NACA0021 انتخاب و در نرم افزار Q-Blade نسبت ماکزیمم ضرایب برآ به پسا مشخص و در نهایت ایرفویل ناکا 0015 در سرعت 5 و 10متر بر ثانیه بیشترین مقدار نسبت ضریب برآ به ضریب پسا در زاویه حمله 13درجه برابر 2/58 و زاویه حمله 6/5درجه برابر 15/3 داشت و در ادامه ایرفویل ناکا 0015 انتخاب و برای تحلیل عددی از روش توربولانسی K-ω SST استفاده و با نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی شد. در ادامه توربین باد در نرم افزار CATIA طراحی و ساخته شد. برای ایجاد جریان باد از دمنده چهار فن و برای محاسبه دقیق تر وسایل مورد استفاده در اندازه گیری، آزمون و ساخت کالیبره شده اند. نتایج نشان داد که توان راه اندازی پره متخلخل در سرعت 3، 4، 5، 7 و 8متر بر ثانیه 35، 33، 31، 37 و 48% کمتر از توربین باد پره مستقیم بوده است.

هرچند که توربین داریوس نسبت به بقیه توربین های محور عمودی دارای بازده بالاتری است. اما گشتاور پایین این توربین ها در هنگام شروع به حرکت باعث می شود که این توربین ها شروع به حرکت خودکار نداشته باشند. در این مقاله به بررسی عددی و شبیه سازی دو بعدی یک توربین محور عمودی داریوس از نوع H روتور با شعاع 51.5cm و با سه پره ایرفویلی شکل با مقطع NACA0021 در نرم افزار فلوئنت پرداخته شده است. از آنجا که توربین های از نوع ساوونیوس دارای گشتاور اولیه بالایی هستند در این تحقیق برای رفع مشکل راه اندازی، یک توربین ترکیبی داریوس-ساوونیوس طراحی شده است که در آن توربین ساوونیوس به صورت هم محور با توربین داریوس به آن متصل شده است. تجزیه و تحلیل نتایج نشان داد که استفاده از یک توربین ساوونیوس با قطر D=24 cm بدون همپوشانی پره ها، در سرعت های زاویه ای زیر 25rad/s باعث افزایش 50 درصدی گشتاور اولیه توربین ترکیبی نسبت به توربین داریوس شده است. در سرعت های زاویه ای بالاتر، حذف توربین ساوونیوس منجر به افزایش راندمان توربین خواهد شد.