از مباحث چالش بر انگیز در بهره گیری از انرژی بادی، استفاده از توربین های بادی در مناطق شهری است. به علت ساختار پیچیده این مناطق، باد، مغشوش بوده و با تغییر سرعت ناگهانی همراه است. به این علت متداول است که در این مناطق از توربین های بادی محور عمودی (داریوس-ساوینیوس) که مستقل از جهت باد عمل می کنند استفاده شود. در پژوهش پیش رو مروری جامع و کامل بر مطالعه های اصلی در این حوزه انجام شده است. به علاوه، چالش های پیش رو در استفاده از انواع توربین های بادی محور عمودی مطرح گردیده اند. از چالش های مطرح در این حوزه استفاده ترکیبی (هیبریدسازی) دو نوع توربین بادی داریوس و ساوینیوس است. در توربین داریوس ضریب توان بالاتر بوده و در توربین ساوینیوس امکان راه اندازی در سرعت های پایین تر باد وجود دارد. در این پژوهش کاربردی تر کردن این سیستم (توربین بادی محور عمودی هیبریدی داریوس-ساوینیوس) مورد بررسی قرار گرفته است و پیشنهادها نیز ارائه شده است. طبق پژوهش انجام شده برای حذف تأثیر مخرب روتور توربین ساوینیوس بر روتور توربین داریوس در سرعت های بالای باد استفاده از یک کلاچ مکانیکی، برای جداسازی این دو روتور در سرعت های دورانی بالا، پیشنهاد شده است.

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.

از مباحث چالش بر انگیز در بهره گیری از انرژی بادی، استفاده از توربین های بادی در مناطق شهری است. با توجه به ساختار این مناطق، معمولا توربین های بادی محور عمودی (داریوس-ساوینیوس) که مستقل از جهت باد عمل می کنند استفاده شود. همچنین با توجه به محدودیت فضای مناطق شهری بررسی پارامترهای توربین ها در ابعاد مایکرو امری مهم و اجتناب ناپذیر به نظر می رسد. هدف این پژوهش بررسی این توربین ها، پارامترهای تأثیرگذار و بهبود عمل کرد آن ها است. به منظور روش انجام پژوهش دو توربین ساوینیوس و داریوس در ابعاد مایکرو طراحی و ساخته شده اند و عملکرد آیرودینامیکی آن ها با بدست آوردن نمودار ضریب توان بر حسب نسبت سرعت نوک پره مورد مطالعه قرار گرفته است. تأثیر سرعت باد بر توربین ساوینیوس به صورت تجربی بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که این توربین در سرعت های باد پایین عملکرد بهتری دارد. بخشی از خلاقیت و نوآوری این پژوهش ساخت توربین داریوسی بوده که امکان تغییر برخی پارامترهای تأثیرگذار را داشته باشد. این طراحی باعث کاهش هزینه ها است. دو پارامتر نسبت ابعاد و جایگاه بازوی نگه دارنده پره ها در توربین داریوس به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج آزمایش ها بهترین جایگاه بازوی نگه دارنده پره ها، ابتدا و انتهای پره است و توربین با نسبت ابعاد یک بهترین عملکرد را دارد.

استفاده از توربین‏های بادی کوچک مقیاس به منظور تولید پراکندۀ برق برای مناطق دور از شبکۀ سراسری، ضمن کاستن از هزینه‏های احداث نیروگاه‏های متمرکز حرارتی و انتقال برق به این مناطق، از انتشار گاز‏های گلخانه‏ای توسط این نیروگاه‏ها جلوگیری می‏کند و دسترسی به انرژی پایدار و پاک را برای ساکنان این ‏مناطق فراهم می آورد. شبیه‏سازی‏های نرم‏افزاری اطلاعات جامعی را از عملکرد توربین‏های بادی پیش از ساخت و نصب آن‏ها در اختیار قرار می دهد و امکان بهینه‏سازی طراحی را فراهم می‏کند. به همین منظور و در پژوهش حاضر، ارائۀ روشی عددی و شبیه‏سازی مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی در نرم‏افزار انسیس فلوئنت 18، به منظور پیش‏بینی عملکرد توربین ‏بادی محور عمودی با صلبیت بالا و سه پرۀ مستقیم و با هدف ارتقای عملکرد، مورد بررسی قرار گرفته ‏است. از این‏رو، پس از ایجاد هندسۀ دوبعدی میدان جریان، بهینه‏سازی شبکه‏بندی، اعمال شرایط‏ مرزی و تنظیمات حلگر نرم‏افزار، از مدل آشفتگی جریان گذار اس اس تی استفاده شد. بر اساس نتایج، بیشینۀ ضریب توان توربین معادل 29/0 در نسبت سرعت رأس پرۀ 62/1 است. همچنین، حداکثر توان تولیدی توربین برابر با 1/333 وات است. میانگین و حداقل میزان انحراف نتایج شبیه‏سازی و تست تونل‏ باد توربین، به ترتیب 22/19 و 25/6 درصد است که دقت قابل ‏قبولی دارد. نتایج این‏پژوهش روش شبیه‏سازی دینامیک سیالات محاسباتی دوبعدی را ابزاری قدرتمند و انعطاف‏پذیر در پیش‏بینی عملکرد و بهینه‏سازی طراحی توربین‏های محور عمودی در ابعاد مختلف معرفی می کند.

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.

زمینه و هدف: افزایش روز افزون جمعیت نیاز به توسعه پایدار انرژی را روز به روز بیشتر می کند. همچنین افزایش سطح گازهای گلخانه ای و کاهش سطح ذخایر انرژی فسیلی، مراکز تحقیقاتی دنیا را به سمت انرژی های تجدیدپذیر معطوف کرده است. در میان انرژی های تجدیدپذیر، انرژی باد یکی از مطرح ترین گونه های انرژی های تجدیدپذیر می باشد. در این مطالعه با استفاده از مانع ایرفویل شکل راندمان توربین بادی ساونیوس به طور قابل توجهی افزایش یافته است. این افزایش راندمان به صورت ارتقای قابلیت شروع بکار خودکار توربین بادی ساونیوس و کاهش گشتاور منفی ایجاد شده توسط پره برگشتی انجام شده است. روش بررسی: پیکربندی های مختلف سیستم منحرف کننده (مانع) پیشنهاد شده با استفاده از تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به صورت عددی بررسی شده است. شبیه سازی سه بعدی ناپایا معادلات ناویر-استوکس متوسط گیری شده رینولدز (URANS) همراه با مدل توربولانسی SST k-ω,انجام شده و با داده های تجربی موجود اعتبارسنجی گردیده است. یافته ها: نتایج پیش بینی شده نشان می دهد که عملکرد روتور ساونیوس بسیار به موقعیت و زاویه مانع بستگی دارد. بنابراین، مقادیر موقعیت و زاویه مناسب برای به دست آوردن بالاترین ضرایب گشتاور و توان وجود داشته است. استفاده از مانع مطلوب ایرفویل شکل، به طور قابل توجهی مقادیر ضریب گشتاور ایستاتیکی را در تمام محدوده زاویه ای خصوصاً در زاویه چرخش بین 0 تا 30 درجه و 150 درجه تا 180 درجه افزایش می دهد. با پوشش صحیح پره برگشتی با استفاده از مانع ایرفویل شکل، مقادیر ضریب گشتاور استاتیکی تا 2 برابر بیشتر از مقدار تولید شده در حالت بدون مانع افزایش می یابد. بحث و نتیجه گیری: توربین ساونیوس از راندمان پایینی برخوردار است. بنابراین، مطالعه حاضر با ارائه یک سیستم بهبود دهنده منحرف کننده (مانع) منجر به تولید توان و ضرایب گشتاور بالاتر می شود که در نهایت باعث ایجاد راندمان بالاتر و قابلیت شروع به کار خودکار بهتر می شود.