EFFECTED STUDY OF BLADE NUMBER, ANGLE AND STAGE OF SAVONIUS WIND TURBINE PERFORMANCE

Abstract

The savonius type vertical axis wind turbine can be operated in all wind directions, is low cut in speed and high in torque. Therefore it is a potential source of energy in low wind areas. This research aimed to compare the performance using blades numbers blades angle and stages of Savonius vertical axis wind turbine, as well as that addition generated power was analyzed. The turbine containing the blades numbers was 4, 6, 8, 12, 16 and 18 blades with the blades angle being at -15°, -5°, 0°, 5° and 15°, respectively. Subsequently the number of stages including single stage to four stages were monitored.The rotor used is a semicircle shaped blade made from PVC material, has a blade diameter of 6 cm, diameter of rotor 30 cm and 30 cm height. Turbine was tested dead weight range of 0-0.49 kg at 2-7 m/s wind speed low speed-open type wind tunnel. The wind tunnel has cross section area and size was 1.2 x 1.2 m2 and 9.5 m length. Initially, it was found that the effect of blades number at 16 blades showed the maximum power coefficient of the wind turbine and tip speed ratio were 0.24 and 0.36 at wind speed less than of 4.5 m/s, respectively. The next research show the effect of blades angle for 4-18 blades turbine. The maximum power coefficient at the range of 4-12 blades turbine with an angle of 15°, and 5° for 16 blades turbine was compared with the baseline configuration (0°). It was also found that the power coefficient increased about 85.33, 77.20, 84.11, 127.37 and 4.54 %, respectively, using 18 blades at 0° blade angle when comparing all the blades angles. Finally, the study results show that the cut in wind speed was the lowest at 2.53 m/s and the rev up time of 25 s using 16 blades turbine. Also this result indicated that while the number of stages are increased from one to four the cut in wind speed along with the rev up time are decreased concluding that it can work in any wind direction. However, the power coefficient degrades when the number of stages are increased. The final research shows the assessment of power generated at the ranges of wind speed tested. Consequently, the wind turbine 16 blades produced 27.46 W/m2 and 4 m/s of wind energy,This wind energy has a potential for Thailand and can be possible to generate electricity up to 4.95 W/m2.

กังหันลมแกนตั้งแบบซาโวเนียสสามารถทำงานได้ที่ทุกทิศทางลม มีอัตราเร็วลมเริ่มหมุนต่ำ และให้แรงบิดสูง ซึ่งเหมาะกับพื้นที่ที่มีศักยภาพพลังงานลมต่ำอย่างประเทศไทย โดยเฉพาะพื้นที่ภาคเหนือของประเทศ สำหรับงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อเปรียบเทียบสมรรถนะของกังหันลมแกนตั้งแบบซาโวเนียสและวิเคราะห์กำลังไฟฟ้าที่กังหันลมสามารถผลิตได้ โดยทำการวิจัยอิทธิพลของจำนวนใบ มุมใบ และจำนวนชั้น ปรับจำนวนใบ 6 ค่า คือ 4, 6, 8, 12, 16 และ 18 ใบ มุมใบ -15°, -5°, 0°, 5°, 15° และจำนวนชั้น 1-4 ชั้น ตามลำดับ ซึ่งกังหันลมทดสอบมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 cm สูง 30 cm และเส้นผ่านศูนย์กลางใบ 6 cm ทำจากท่อพีวีซีผ่าครึ่ง โดยทดสอบภายในอุโมงค์ลมแบบเปิดอัตราเร็วลมต่ำ มีขนาดพื้นที่หน้าตัด 1.2 x 1.2 m2 ยาว 9.5 m ที่อัตราเร็วลมระหว่าง 2-7 m/s และปรับภาระโหลดระหว่าง 0-0.49 kg ผลการวิจัยพบว่า จากการศึกษาในส่วนแรกอิทธิพลของจำนวนใบ พบว่ากังหันลม 16 ใบ มีค่าสัมประสิทธิ์กำลังสูงสุดในช่วงอัตราเร็วลมต่ำกว่า 4.5 m/s ซึ่งมีค่าประมาณ 0.24 ที่อัตราส่วนอัตราเร็วปลายใบเท่ากับ 0.36 อัตราเร็วลมเริ่มหมุน และระยะเวลาที่กังหันลมหมุนคงที่ต่ำสุดเท่ากับ 2.12 m/s และ 28 s ตามลำดับ สำหรับกรณีศึกษาส่วนที่สองอิทธิพลของมุมใบสำหรับกังหันลมที่มีจำนวนใบต่างๆ พบว่า กังหันลมในช่วง 4-12 ใบ มีค่าสัมประสิทธิ์กำลังสูงที่สุดที่ มุมใบ 15° สำหรับกังหันลม 16 มุมที่เหมาะสมคือ 5° โดยคิดเป็นร้อยละที่เพิ่มขึ้นจากมุมอ้างอิง (0°) เป็น 85.33, 77.20, 84.11, 127.37 และ 4.54 % ตามลำดับ และกังหันลม 18 ใบ มีประสิทธิภาพสูงสุดที่มุม 0° เมื่อเปรียบเทียบมุมใบต่าง ๆ สำหรับกังหันลม 16 ใบ มุมใบ 5° พบว่าค่าอัตราเร็วลมเริ่มหมุนต่ำสุดเท่ากับ 2.53 m/s และระยะเวลาที่กังหันลมหมุนคงที่เท่ากับ 25 s ผลการวิจัยในส่วนต่อมาเป็นการศึกษาอิทธิพลของจำนวนชั้นของกังหันลม พบว่าการเพิ่มจำนวนชั้นส่งผลดีต่อค่าอัตราเร็วลมเริ่มหมุน และเวลาที่ใช้สำหรับการหมุนเข้าสู่อัตราเร็วรอบคงที่ที่ต่ำลง และสามารถรับลมได้ทุกทิศทาง แต่สัมประสิทธิ์กำลังจะมีค่าลดลงเมื่อจำนวนชั้นเพิ่มขึ้น สำหรับผลการวิจัยส่วนสุดท้ายสำหรับการวิเคราะห์กำลังไฟฟ้าที่ได้ในช่วงอัตราเร็วลมที่ทดสอบพบว่ากังหันลม 16 ใบ สามารถผลิตกำลังไฟฟ้าสูงสุด 27.46 W/m2 และจากศักยภาพพลังงานลมของประเทศไทยซึ่งมีอัตราเร็วลมเฉลี่ยประมาณ 4 m/s พบว่ากังหันลมสามารถผลิตกำลังไฟฟ้าสูงสุดได้ประมาณ 4.95 W/m2