Progetto "Archimede's": la vera energia dal vento.

ARCHIMEDES: LA VERA ENERGIA EOLICA, PERALTRO VIETATA PER LEGGE

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544224039355#:~:text=The%20Archimedes%20wind%20turbine%20(AWT,which%20just%20uses%20lift%20force.
<< turbina eolica Archimede utilizzando l'algoritmo genetico

Punti salienti:

•È stato sviluppato un algoritmo genetico-CFD per ottenere la progettazione ottimale di una turbina eolica di Archimede (AWT).

•Modello CFD e SST k-ω utilizzato per la valutazione delle prestazioni.

•Confrontando i risultati della simulazione con gli studi precedenti, l'errore assoluto medio (MAE) è stato del 5,9%.

•Ottenuto un AWT ottimale con un aumento dell'efficienza del 27,72% e una riduzione della forza di spinta del 7,94%.

Questo studio mira a utilizzare algoritmi genetici (GA) per ottimizzare la struttura della turbina eolica Archimedes (AWT). Il design distintivo dell'AWT richiede una metodologia diversa rispetto alle turbine eoliche standard. La fluidodinamica computazionale (CFD) è stata utilizzata per valutare le prestazioni del progetto sulla base del modello SST k-ω. Per convalidare i risultati della simulazione, i dati acquisiti sono stati confrontati con quelli di studi di progettazione precedenti. I risultati della simulazione hanno mostrato che le differenze tra l' errore assoluto medio (MAE) dei due studi erano solo del 5,9%. GA è stato selezionato in un collegamento iterativo con il software ANSYS per trovare la struttura ottimale della turbina. Questo studio ha esaminato diversi scenari in cui le variabili di progetto, tra cui angolo di apertura, passi e velocità di rotazione, sono state modificate, separatamente o in combinazione. Nello scenario più completo, è stato ottenuto un AWT ottimizzato con angolo di apertura di 63,49°, rapporto di velocità di punta (TSR) di 1,12, valore di passo1 di 115,03 mm e valore di passo2 di 389,54 mm, dove lo spazio di ricerca include tutti i parametri. Questo progetto ha prodotto un coefficiente di potenza pari a 0,2644, che mostra un aumento del 27,72% dell'efficienza e una riduzione del 7,94% della forza di spinta.

Introduzione
La turbina eolica Archimede (AWT), un concetto innovativo tra le turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT), è progettata sulla base dei principi della spirale di Archimede. L'AWT sfrutta sia la portanza che la resistenza per catturare l'energia eolica, a differenza del design HAWT convenzionale, che utilizza solo la portanza. Questo approccio unico consente alla turbina di catturare efficacemente l'energia cinetica del vento. I vantaggi del design a spirale di Archimede sono particolarmente evidenti in diverse situazioni, come gli ambienti urbani, poiché la turbina opera con basse velocità del vento. Nonostante la direzione del vento in costante cambiamento nelle aree urbane, l'AWT segue automaticamente la direzione del vento poiché l'imbardata è controllata passivamente dalla resistenza. Inoltre, la scelta progettuale contribuisce a ridurre i livelli di rumore grazie alla velocità di rotazione relativamente bassa della turbina. Tuttavia, è importante notare uno svantaggio dell'AWT: genera una forza di spinta maggiore rispetto al tradizionale HAWT a elica. Questo svantaggio deve essere valutato rispetto ai numerosi vantaggi offerti da questo innovativo design di turbina eolica [1].
Kim et al. [1] hanno studiato le prestazioni aerodinamiche dell'AWT utilizzando l'analisi di fluidodinamica computazionale (CFD). Hanno utilizzato il metodo bidimensionale Particle Image Velocimetry (PIV) per esaminare i risultati nel campo vicino della pala. I risultati indicano un coefficiente di potenza (Cp ) pari a 0,25 con un rapporto di velocità alla punta (TSR) di 2,5, che è relativamente più alto rispetto ad altri tipi di turbine eoliche progettate per uso urbano. Inoltre, la pala a spirale di Archimede offre valori di Cp più elevati su un intervallo più ampio di TSR. La ricerca ha anche rivelato vortici di punta a forma di spirale che sono stati osservati sia nelle simulazioni numeriche che nei risultati sperimentali.

Rao et al. [2] hanno sviluppato un innovativo AWT chiamato Archimedes Aero-foil Wind Turbine (AAWT), una versione migliorata dell'AWT che incorpora il profilo alare nel design della pala. L'obiettivo principale dello studio era confrontare la coppia prodotta dall'AAWT con quella dell'AWT. L'integrazione del profilo alare nel design della pala dell'AWT ha portato a un notevole aumento della coppia di quasi il 15% a basse velocità del vento.

Ebrahimi et al. [3] hanno utilizzato il software ANSYS-CFX per simulare e analizzare l'AWT, dove il coefficiente di potenza massimo era 0,26 a TSR = 2,5.

Nepal et al. [4] hanno condotto uno studio sulla progettazione di una turbina AWT utilizzando l'analisi CFD. Hanno utilizzato simulazioni per studiare una turbina con un diametro di 150 mm e vari angoli di apertura e valori di lunghezza totale dei passi. Hanno ottenuto un Cp massimo di 0,25 con un angolo di apertura di 60° e una lunghezza totale dei passi pari a 112,5 mm. Tuttavia, non hanno eseguito alcun metodo di ottimizzazione; di conseguenza, i risultati sono stati derivati ​​da una simulazione manuale.

Nawar et al. [5] hanno condotto una valutazione dei progetti di rotori per un AWT, considerando sia configurazioni ad angolo di apertura fisso che variabile, al fine di determinare le prestazioni più efficaci. La valutazione di questi due progetti di rotori è stata effettuata attraverso una combinazione di simulazioni numeriche e test sperimentali. Analisi dettagliate dei risultati per entrambi i progetti hanno chiaramente rivelato che il progetto ad angolo variabile ha superato il progetto ad angolo fisso. In particolare, il progetto ad angolo variabile ha dimostrato un aumento significativo del 14,7% della potenza rispetto al progetto ad angolo fisso.

Refaie et al. [6] hanno esaminato le caratteristiche aerodinamiche e le prestazioni dell'AWT utilizzando l'analisi numerica 3D. Inoltre, è stato aggiunto un concentratore all'AWT per migliorarne le prestazioni. Hanno concluso che l'AWT aumentato dai concentratori ha un Cp maggiore del 33,48% rispetto all'AWT semplice. Questa configurazione del concentratore è ottimale nella posizione pari a 0,1 del diametro del rotore, con un angolo del concentratore di 20°, con una distanza dalla punta di 0,05 del diametro del rotore e una lunghezza del concentratore di 0,6 del diametro del rotore.

Kamal et al. [7] hanno condotto un'analisi numerica e sperimentale sulle prestazioni dell'AWT con diversi profili alari. Hanno concluso, tramite calcoli numerici, che la turbina con profilo NACA 4401 offre il massimo fattore di potenza. Sono stati utilizzati anche test sperimentali per convalidare questa affermazione. I risultati indicano che il coefficiente di potenza massimo della turbina alare è 0,3045 a una velocità del vento di 10 m/s. Pertanto, la turbina alare mostra un miglioramento delle prestazioni del 26,88% rispetto all'AWT standard.

Il presente studio si propone di implementare l'algoritmo genetico (GA), un noto metodo di ottimizzazione [8,9], in combinazione con il software commerciale CFD ANSYS, per affrontare il problema della struttura aerodinamica ottimale di un AWT in una gamma di scenari. Ciò viene ottenuto selezionando il coefficiente di potenza Cp come funzione obiettivo, dove sono state calcolate diverse combinazioni di parametri di progettazione.

Nella Sezione 2 è stato modellato un progetto AWT di base tratto da studi precedenti e sono state selezionate le equazioni appropriate. La GA e i suoi collegamenti con il software ANSYS sono stati discussi nella Sezione 3.

La Sezione 4 introduce diversi scenari di progetto. La Sezione 5 presenta i risultati delle simulazioni del progetto AWT di base, la convalida delle simulazioni e i risultati di ciascun scenario. La Sezione 6 fornisce un'analisi approfondita delle prestazioni computazionali, delle strategie di ottimizzazione e dei risultati degli scenari di progetto, evidenziando i principali miglioramenti nel coefficiente di potenza e nella riduzione della forza di spinta rispetto al progetto AWT di base. Infine, nella Sezione 7, vengono discusse le conclusioni dello studio.>>