بهينه‌سازي چند هدفه عملكرد توربين بادي محور افقي سايز كوچك بر اساس الگوريتم ژنتيك با چيدمان غيرغالب

Multi objective optimization of performance of small size horizontal axis wind turbine based on NSGA-II

هدف اين پژوهش بازطراحي يك پره از روتور توربين بادي كوچك در طيف سرعت باد با معيارهاي توام زمان راه اندازي و توان مي‌باشد. مدلسازي آيروديناميكي روتور و توربين باد با استفاده از تئوري اندازه حركت المان پره، ارايه شده. با انتخاب الگوريتم ژنتيك چندهدفه بهينه‌سازي پره روتور توربين بادي انجام شده. توان خروجي و زمان راه اندازي از حالت سكون توربين باد اهداف بهينه‌سازي مي‌باشند، توزيع زاويه پيچش و توزيع وتر متغيرهاي طراحي هستند. محدوده تغيير پارامتر‌هاي طراحي همچنين سرعت بيشينه نوك پره به عنوان قيد تعريف شده است. با تحقق بهينه‌سازي چند هدفه و بر مبناي نمودار پارتو مي‌توان دريافت عموما با افزايش ضريب توان، مدت زمان راه اندازي توربين افزايش مي‌يابد. در نهايت روي نمودار پارتو سه نقطه بهينه انتخاب شده كه توزيع وتر و زاويه پيچش براي هر يك از اين انتخاب‌ها محاسبه شده است. نتايج بهينه‌سازي توابع هدف نشان مي‌دهد كه با تغييرات اندكي در پيچش مقاطع و اندازه وتر، مي‌توان به ارتقاي ضريب توان به ميزان حدود 9 درصد و بهبود زمان راه اندازي به ميزان حدود 10درصد در شرايط نقطه مصالحه دست يافت.

The main aim of this research is to redesign and optimize blade of a small wind turbine rotor in a wind speed range in terms of starting time and power criteria. First, the aerodynamic modeling of the rotor and the wind turbine has been presented based on the blade element momentum theory, and based on this, the torque, power, thrust and the turbine starting time are calculated. To validate the model, the results are compared with NREL phase VI turbine data which shows a good corresponding. In order to optimization of the wind turbine blade rotor, the optimization algorithm of NSGA-II (multi-objective) has been selected. In this algorithm the output power of the rotor and the starting time are considered as the objective functions. In addition, the twist angle and chord length for each section of the turbine blade are assumed as the optimization design variables. The variation ranges of design variables as well as the maximum tip speed are defined as constraints in this problem. Pareto diagram of multi-objective optimization is derived in terms of the values of the objective functions; From the Pareto diagram, it can be found that by increasing the power coefficient, the starting time increases. Finally, three optimum points are selected on the Pareto diagram and for each of them the chord length and the twist angle are calculated. The results of the optimization show that with slight changes in sections’ twist and the chord length, enhancement of the power coefficient by approximately 9% and reduction of the starting time about 10% in the compromise point is achievable.