Article

Conception d’une turbine éolienne installée dans une cheminée solaire

Revue des Energies Renouvelables 01/2008;

ABSTRACT

An approach based on the calculation of rotational dynamics coupled with the
speed calculation is applied to the design of turbomachines or wind turbines. In the case
of turbomachines, 3D flow is analyzed in two stages by the quasi-dimensional S2
(meridian flow) - S1 (flow dawn to dawn). In the first stage, bound and free vortices
simulating the blades are spread in a consistent way along the azimuthal direction, the
flow becomes axisymmetric and can be analyzed in the meridian S2. In the second step,
we analyze the flow blade to blade assumed confined in each layer of revolution defined
by the first step. This reverse calculation is used to the design of a wind turbine in a solar
chimney.

Full-text

Available from: Hocine Belahia
Revue des Energies Renouvelables CISM’08 Oum El Bouaghi (2008) 265 - 276
265
Conception d’une turbine éolienne
installée dans une cheminée solaire
B. Negrou
*
, H. Belahia, B. Dokkar, M. Drid et N. Settou
Département de Mécanique et Electronique, Laboratoire de Valorisation
et de Promotion des Ressources Sahariennes, ‘VPRS’
Université Kasdi Merbah, Ouargla, Algérie
Résumé - Une approche basée sur le calcul dynamique du rotationnel couplé au calcul
de la vitesse est appliquée pour la conception des turbomachines ou des turbines
éoliennes. Dans le cas des turbomachines, l’écoulement 3D est analysé en deux étapes
par l’approche quasi-tridimensionnelle S2 (écoulement méridien) - S1 (écoulement aube à
aube). En première étape, les tourbillons liés et libres simulant les aubes sont étalés
d’une façon homogène suivant le sens azimutal, l’écoulement devient axisymétrique et
peut donc être analysé dans le plan méridien S2. En seconde étape, on analyse
l’écoulement aube à aube supposé confiné dans chaque nappe de révolution définie par la
première étape. Ce calcul inverse est utilisé pour la conception d’une turbine éolienne
dans une cheminée solaire.
Abstract - An approach based on the calculation of rotational dynamics coupled with the
speed calculation is applied to the design of turbomachines or wind turbines. In the case
of turbomachines, 3D flow is analyzed in two stages by the quasi-dimensional S2
(meridian flow) - S1 (flow dawn to dawn). In the first stage, bound and free vortices
simulating the blades are spread in a consistent way along the azimuthal direction, the
flow becomes axisymmetric and can be analyzed in the meridian S2. In the second step,
we analyze the flow blade to blade assumed confined in each layer of revolution defined
by the first step. This reverse calculation is used to the design of a wind turbine in a solar
chimney.
Mots clés: Conversion d’énergie - Cheminée solaire - Conception - Turbomachine -
Calcul inverse.
1. INTRODUCTION
Pour définir la géométrie des aubages, les méthodes inverses conventionnelles
prennent, jusqu’à présent, la distribution de vitesse sur les deux faces de l’aube comme
données initiales. En appliquant cette approche, on perd le contrôle de l’épaisseur de
l’aube. D’autres approches, voulant remédier à ce problème de fermeture des profils
d’aubes, imposent cette fois-ci, la distribution de vitesse uniquement sur l’une des faces
de l’aube. Mais il s’avère que procédant ainsi, elles sont incapables de contrôler la
déviation de l’écoulement liée au niveau d’échange énergétique souhaité.
L’approche proposée dans ce travail, prend comme données initiales, la loi
d’épaisseur de l’aube exigée par la structure et la distribution du moment cinétique. Il
faut toutefois noter que l’imposition d’une répartition de charge optimisée produit une
distribution de pression statique sur l’aube permettant d’éviter, soit la formation de la
cavitation, soit le décollement de la couche limite au régime nominal. De plus, il est
possible d’incorporer un schéma de pertes moyennant l’imposition d’une valeur
*
settou@hotmail.com _ b.negrou@yahoo.fr
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B. Negrou et al.
266
plausible du rendement de chaque organe, valeur pouvant provenir bien évidement de
mesures expérimentales ou à partir de résultats d’analyse simulant l’écoulement réel.
L’écoulement tridimensionnel est analysé en deux étapes par l’approche
tridimensionnelle S2-S1 proposée par Wu pour la conception des turbomachines [1].
2. CALCUL AXISYMETRIQUE
Dans cette première étape, on mène un calcul axisymétrique en étalant, suivant le
sens azimutal, les tourbillons liés et libres que doivent engendrer les pales, et dans
lequel le rotationnel provenant de l’infini amont est pris en compte. Ce calcul permet de
déterminer la géométrie approximative des pales et la géométrie approchée du squelette
et les surfaces de courant axisymétriques dans le cas des turbomachines.
Dans cette étape, la résolution du champ est faite par la fonction de courant. En
utilisant des coordonnées curvilignes épousant les frontières du domaine, et en se basant
sur la formulation tensorielle, on écrit l’équation discrétisée régissant le rotationnel, et
ceci en prenant la circulation de la vitesse méridienne sur un circuit fermé élémentaire
du maillage. On obtient l’équation régissant la variation du flux rotationnel traversant ce
circuit considéré. Ce type de formulation permet d’avoir un contrôle rigoureux sur la
variation dynamique du flux rotationnel dans le champ [2, 3].
2.1 Formulation
Les équations régissant le problème sont écrites dans un système de coordonnées
curvilignes. Ce dernier est choisi de manière à épouser les frontières du domaine de
calcul, ce qui permet d’avoir plus de précision dans la résolution numérique. Le fluide
est considéré non visqueux, l’écoulement est supposé incompressible et permanent.
Fig. 1: Maillage et domaine de calcul
D’autre part, l’hypothèse d’axisymétrie nous permet d’écrire,
(
)
0)( =θ
. La
figure 1 montre le maillage dans le plan méridien utilisé. Un maillage curviligne
épousant les frontières du domaine de calcul (
1
ξ ,
3
ξ ) est créé avec θ=ξ
2
, la vitesse
méridienne donnée par:
3
3
1
1
3
3
1
1
eWeWeVeVU +=+=
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CISM’2008: Conception d’une turbine éolienne installée dans une cheminée solaire
267
L’équation de continuité peut s’écrire:
0
Ug
~
Ug
~
.
g
~
1
3
3
1
1
=
ξ
+
ξ
(1)
g
~
représente le tenseur métrique modifié dû à la striction de la section de passage
du fluide, qui compte tenu de la conservation du débit, entraîne une augmentation de la
vitesse méridienne.
Par conséquent,
1
g
représente le volume élémentaire du cube :
213
e.)ee( × ,
dans l’espace hors grille
rge
222
== , par contre dans l’espace grille, l’épaisseur
des pales réduit la section de passage, si on représente par
e
r
θ
, l’épaisseur d’une
section mesurée dans la direction périphérique et par
b
N , le nombre de pales de
l’hélice, le terme modifié
22
g
~
du tenseur métrique sera donné par:
2
2
eb
22
r
2
N
1g
~
π
θ
=
qui représente donc le volume élémentaire avec effet de striction utilisé seulement dans
l’équation de continuité. En utilisant la fonction de courant
Ψ
pour représenter le
champ de vitesses, on pourra écrire:
3
1
g
~
1
U
ξ
Ψ
ρ
=
et
1
3
g
~
1
U
ξ
Ψ
ρ
=
(2)
L’équation gouvernant la fonction de courant
Ψ
est obtenue à partir de la définition
de la composante azimutale du rotationnel
2
, qui s’écrit:
2
1
3
3
1
.g
U
U
=
ξ
ξ
1
U et
3
U sont les composantes covariantes de la vitesse s’exprimant à partir de la
fonction de courant
Ψ
, en utilisant les relations
n
mnm
UgU = et la relation (2).
L’équilibre dynamique du rotationnel dans le sens radial permet d’avoir la composante
azimutale du rotationnel.
Soit
H l’enthalpie et I la rothalpie données par:
ρ
=+
ρ
=
t
2
p
2
Vp
H
et )rV(H
2
r
2
Wp
I
222
θ
ω+=
ω
+
ρ
=
L’équation de quantité de mouvement peut s’écrire:
ρ
+
ρ
+=×
ρ
+
ρ
+=×
stator
FF
HV
rotor
FF
IW
db
db
Dans le cas réel, la présence des pales va créer une dépression sur l’extrados et une
surpression sur l’intrados de chaque pale. Cette différence de pression se traduit dans
l’espace inter-pales par un gradient de pression dans la direction azimutale qui donnera
la déviation nécessaire à l’écoulement.
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268
Un schéma axisymétrique ne va retenir que le niveau de pression moyenné dans
l’espace inter-pales, et il est alors bien clair qu’un gradient azimutal ne peut plus exister
dans ce schéma. Il est nécessaire de traduire l’effort exercé par les pales sur le fluide par
l’introduction d’une force de pales qui devient une force volumique
ρ
b
F . Cette force
est supposée dirigée suivant la direction normale au squelette des pales. L’approche
inverse est développée dans le cadre de fluide non visqueux afin de pouvoir utiliser la
notion de tourbillons liés pour schématiser les pales.
Il est donc nécessaire d’introduire un schéma de pertes, où l’on traduit les effets
visqueux sur les pales par une force volumique de dissipation
ρ
d
F , selon l’approche
suggéré par Horlock [4], qui consiste à écrire que
ρ
d
F est un vecteur colinéaire et de
sens opposé au vecteur vitesse relatif
W .
U
U
cos.d
U
C
F
2
f
d
β
=
ρ
)N2(rd
eb
θπ= ,
β
l’angle d’inclinaison du squelette et
f
C un coefficient
de frottement constant et ajustable en fonction du nombre de Reynolds de l’écoulement
et de la rugosité des pales.
La répartition du moment cinétique
rV
θ
dans une nappe de courant est liée à la
circulation produite par les tourbillons liés engendrés par les sections de pales. En effet,
si on considère un circuit fermé autour d'une section de pale clé, et compte tenu de la
périodicité des circuits interpales, la circulation de la vitesse absolue
V prise sur ce
circuit fermé se réduisant aux contributions prises seulement à l’entrée et à la sortie de
l’écoulement.
La projection de l’équation de mouvement suivant
3
e traduit l’équilibre dynamique
du rotationnel suivant le sens radial, donnée par:
rotor
)rV(
n
n)rV(
n
n
F
I
W
1
g
1
2
3
3
2
1
3d
31
2
ξ
ξ
+
ρ
ξ
=
θθ
stator
)rV(
n
n)rV(
n
n
F
H
V
1
g
1
2
3
3
2
1
3d
31
2
ξ
ξ
+
ρ
ξ
=
θθ
grillehors
)rV(
r
)rV(
H
V
1
g
3231
2
ξ
ξ
=
θθ
L’incorporation du schéma de pertes conduit à une dégradation de la rothalpie dans
la zone grille. En prenant le produit scalaire de l’équation de mouvement par la vitesse
W , on obtient:
rotor
m
)rV(
)1(
m
I
ωη=
θ
stator
m
)rV(
)1(
m
H
ωη=
θ
grillehors0
m
H
=
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CISM’2008: Conception d’une turbine éolienne installée dans une cheminée solaire
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Ces équations permettent la mise à jour de l’enthalpie H et de la rothalpie I au
cours du calcul itératif. En écrivant
2
2
eU =× , nous obtenons l’équation
gouvernant la fonction de courant
Ψ
:
2
3
31
11
13
3
1
33
13
11
3
g
g
~
g
g
~
g
g
~
g
g
~
g
=
ξ
Ψ
ρ
ξ
ξ
Ψ
ρ
ξ
ξ
Ψ
ρ
ξ
+
ξ
Ψ
ρ
ξ
2.2 Conditions aux limites
Les conditions relatives au problème méridien sont les suivantes:
A l’infini amont, l’écoulement est supposé à entrée axiale, le profil de vitesse est à
priori connu. Le débit massique et l’enthalpie sont calculés, ceci nous conduira à
imposer une condition de type Dirichlet sur la fonction de courant
Ψ
; le moyeu et la
limite supérieure du domaine de calcul seront des lignes de courant (
cte
=
Ψ
).
A l’infini aval, l’écoulement est supposé redevenu axial (
0n
=
Ψ
, où n est la
direction de la normale extérieure à la section de sortie de l’écoulement).
Au bord d’attaque, on impose une condition d’adaptation, c’est-à-dire que la vitesse
sur l’extrados
+
V y est égale à celle sur l’intrados
V , ceci se traduit par une pente
nulle de la fonction de répartition de charge.
Au bord de fuite, on impose une condition de Kutta-Joukowsky qui revient à y
imposer une égalité des pressions extrados et intrados, ce qui se traduit par la relation
0)rV(.W
=
θ
.
Une condition de glissement sur les pales (
0n.W
=
, où n est la normale au
squelette de la pale), cette condition permet de définir la géométrie des pales.
3. APPLICATION AU CALCUL DES TURBINES EOLIENNES
L’énergie solaire occupe une grande importance pour les programmes de recherches
des énergies renouvelables. Des études modernes montre qu’avec l’exploitation de
l’énergie solaire, on peut créer un mouvement d’air, sous forme de vent artificiel. Cet
écoulement de l’air est utilisé pour entraîner une ou plusieurs turbines éoliennes et
produire de l’énergie électrique. Cette exploitation se fait par un dispositif appelé la
cheminée solaire. Elle est constituée de trois composantes principales: la serre chaude
(le collecteur solaire), la cheminée qui est une longue structure tubulaire et la turbine
éolienne. Ces trois éléments essentiels ont été familiers depuis un temps immémorial,
mais la cheminée solaire les combine dans un nouveau système de fonctionnement.
Le collecteur est ouvert à la périphérie pour introduire l’air frais qui sera chauffé par
les rayons solaires, sous l’effet de serre, où la différence de température entre l’intérieur
et l’extérieur produit un gradient de la masse volumique de l’air interne qui se relève;
une turbine éolienne est mise dans la trajectoire de l’écoulement de l’air pour convertir
l’énergie cinétique en énergie mécanique, et le générateur, entraîné par la turbine
convertit l’énergie mécanique en énergie électrique.
La cheminée solaire a été conçue la première fois en 1931 par un ingénieur
Allemand, H. Gunther, et le premier prototype a été conçu par le Professeur J. Schlaich
de Stutgart, en 1968. Après 12 ans de calcul et de théorie, et avec des fonds fournis par
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270
le ministère allemand de la recherche et de la technologie, la construction a commencé à
Manzanares (environ 150 km au sud de Madrid).
Fig. 2: Principe de fonctionnement d’une cheminée solaire
Une station expérimentale d’une cheminée de 195 m de hauteur et 10 m de diamètre
a été construite, entourée par un collecteur de 240 m de diamètre et de 2 m de hauteur,
pour une production électrique de 50 kW. En 1983, L’ensemble des organes principaux
de la cheminée solaire est en amélioration continue, grâce aux études menées sur leur
performance [5].
Les turbines dans la cheminée solaire sont toujours placées à la base de la cheminée
où la vitesse d’écoulement d’air est plus élevée, pour transformer le maximum d’énergie
cinétique en énergie mécanique, le générateur entraîné par la turbine transforme
l’énergie mécanique en énergie électrique. Le nombre de turbines utilisées est, soit une
turbine dont les pales couvrent la coupe transversale de la cheminée, soit de petites
turbines distribuées sur toute la section de la cheminée. Mais il est aussi possible
d’arranger entre le collecteur et la base de la cheminée un grand nombre de petites
turbines avec des axes horizontaux à la périphérie de la section du passage
.
Le petit prototype dans Manzanares (Espagne), a une simple turbine axiale, posée
verticalement, avec quatre aubes. Elle a des caractéristiques entre les turbines éolienne
et les turbines à gaz: elle a plus d’aubes que les turbines éoliennes, mais non autant
comme les turbines à gaz. Les aubes de rotor sont réglables, comme ceux des turbines
éoliennes, mais, comme dans la turbine à gaz, l’écoulement est inclus, et la turbine de la
cheminée solaire peut avoir les ailettes de guidage d’admission radiales [6]. La fonction
principale de la turbine est la conversion efficace de l’énergie cinétique du fluide en
énergie mécanique sur l’axe.
Récemment, la turbine éolienne pour les cheminées solaires a été étudiée en détail
[7]. Elle se compose de: (i) des aubages d’admission qui donnent à la circulation d’air
une direction, (ii) la turbine, et (iii) un diffuseur. La littérature existante sur la cheminée
solaire n’est pas importante pour fournir l’ensemble des caractéristiques
hydrodynamiques des machines utilisées dans de tels systèmes de conversion. Certains
auteurs ont obtenus pour le rendement de la turbine les valeurs suivantes: e.g, 83 %,
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271
(Haaf et al., 1983) [8], 80 % (Schlaih, 1995) [9], 77.0, 78.3 et 80.1 % (Pasumarthi et
Sherif, 1998) [10].
3.1 Effet des pertes sur le calcul S2 inverse
La méthode décrite, dans cet article, concernant le calcul méridien S2 a été testée
pour concevoir des aubages d’une turbine éolienne installée dans une cheminée solaire
basée sur les dimensions globales du prototype de Manzanares en Espagne [5]. Dont
l’objectif principale est de développer un modèle efficace pour la prévision des
caractéristiques d’efficacité et de fonctionnement, qu’il nous aide dans l’optimisation de
la conception de la turbine. Une loi de charge
f soigneusement choisie nous permet
d’éviter tout phénomène de décollement de la couche limite au régime nominal (Fig. 3).
Fig. 3: Fonction de charge f initialement imposée dans le calcul S2 inverse
On suppose que les pertes se produisent uniquement dans les zones grille et qu’elles
sont exprimées en terme de rendement
η
supposé constant. Dans le but de déterminer
l’effet des pertes, en zone grille, sur la forme du squelette d’aubes obtenue par le calcul
S2 inverse, ce dernier a été effectué pour les valeurs du rendement 0.7 et 1.0, en
conservant une même loi de fonction de charge
f , c’est-à-dire celle qui a servi à
obtenir des aubes avec un bord d’attaque adapté. La variation du rendement entraîne une
augmentation du moment cinétique au bord de fuite de la roue, ce qui modifie toute la
répartition de la charge sur l’aube.
La figure 4 montre la géométrie de la turbine éolienne ayant 4 aubes dans une vue en
perspective. La géométrie obtenue des aubes pour quelques sections du plan méridien
est présentée dans les figures 5-a et 5-b.
Fig. 4: Géométrie des aubages de turbine éolienne
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B. Negrou et al.
272
Les figures 6 (a) et (b) présentent la distribution de pression obtenue par le calcul S2
inverse sur les deux faces extrados et intrados des aubes.
Fig. 5-a: Géométrie du squelette des
aubages pour
7.0=η
Fig. 5-b: Géométrie du squelette des
aubages pour 0.1
=
η
Fig. 6-a: Distribution des pressions sur les deux faces pour
7.0
=
η
3.2 Effet de l’orientation de l’écoulement sur le calcul inverse S2
Pour voir l’effet de la direction de l’écoulement sur le calcul S2 inverse, nous avons
intégré dans le domaine de calcul une zone grille fixe. Le stator dans une turbine appelé
distributeur, il est situé en amont de la roue mobile (rotor). Le rôle principal d’un
distributeur est d’orienter l’écoulement de l’air vers le rotor avec une direction. Aussi il
provoque une giration de l’écoulement, pour cela il transforme une partie de l’énergie
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de pression statique disponible sous forme d’énergie cinétique. Cette énergie est ensuite
récupérée au niveau du rotor.
Le calcul S2 inverse effectuée pour une valeur de rendement
7.0
=
η
, donne la
forme d’aube pour le distributeur (Fig. 7). Les figures 8-a et 8-b montrent les aubes des
deux étages (fixe et mobile) avec une vue de face et une vue 3D.
Fig. 6-b: Distribution des pressions sur les deux faces pour
0.1
=
η
Fig. 7: Géométrie des aubes du distributeur
La figure 9 montre une comparaison entre la géométrie d’aubage de la roue mobile
obtenue avec distributeur et sans distributeur sur la section moyeu.
Nous remarquons qu’avec un distributeur, la géométrie d’aubages de la roue mobile
est moins cambrée. Le distributeur dirige l’orientation de l’air qui attaque la roue
mobile, donc le moment cinétique va changer. Ce qu’il résulte une modification sur
l’inclinaison des aubes.
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B. Negrou et al.
274
Lorsqu’on compare les valeurs calculées de l’énergie cinétique adimensionnelle à
l’entrée de la roue mobile pour les deux cas étudiés, nous trouverons que l’on va
récupérer 21 % de l’énergie disponible au niveau du rotor.
Fig. 8-a: Vue de face des aubages
(distributeur et roue mobile)
Fig. 8-b: Vue tridimensionnelle des
aubages (distributeur et roue mobile)
Fig. 9: Géométrie des aubages du rotor avec et sans distributeur
4. CONCLUSION
Le calcul inverse S2 méridien développée pour traiter la conception des
turbomachines et des turbines éoliennes présente plusieurs avantages qui résident
essentiellement sur l’imposition correcte des conditions aux limites, et peuvent se
résumer comme suit:
(i) respect de la loi d’épaisseur des pales exigée par la structure,
(ii) contrôle de la déviation de l’écoulement liée au niveau d’échange énergétique
souhaité,
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CISM’2008: Conception d’une turbine éolienne installée dans une cheminée solaire
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(iii) optimisation du tracé des pales. Ce calcul inverse a été fait pour la conception
d’une turbine éolienne installée dans une cheminée solaire, où nous avons essayé de
développer un modèle efficace pour la prévision des caractéristiques d’efficacité et de
fonctionnement.
NOMENCLATURE
V : Vitesse absolue W : Vitesse relative
: Rotationnel de la vitesse absolue
ψ
: Fonction de courant
x , y , z : Système de coordonnées
Cartésiennes
z ,
θ
,
r
: Système de coordonnées
Cylindriques
1
ξ ,
2
ξ ,
3
ξ : Systèmes de coordonnées
curvilignes, Bâti dans le plan méridien
1
U ,
2
U ,
3
U : Composantes covariantes
de la vitesse absolue ou relative
1
e ,
2
e ,
3
e : Base covariante du
système curviligne
1
e
,
2
e
,
3
e
: Base contravariante du
système curviligne
ω : Vitesse de rotation (pales ou aubes)
ρ
: Masse volumique
p
: Pression statique
H
: Enthalpie totale
b
F : Force des pales ou des aubes
I
: Rothalpie,
ω
+
θ
VrH
d
F : Force de dissipation
f
C : Coefficient de frottement
g : Déterminant du tenseur métrique
ji
g
: Eléments du tenseur métrique
η: Rendement
R: Rayon de références
Q
K : Coefficient du couple moteur,
)Dn(/Q
52
ρ
T
K : Coefficient de propulsion,
)Dn(/T
42
ρ
A
J : Coefficient d’avancement,
Dn/V
A
Γ
: Section de circulation autour de
l’aube
n : Vecteur normal à l’aube
b
N : Nombre de pales
REFERENCES
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Turbomachines of Axial, Radial and Mixed Flow Type
’, NACA TN 2604, 1952.
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Demonstration Solar Chimney Model: Part I: Mathematical Model Development
’,
International Journal of Energy Research, Vol. 22, pp. 277 – 288, 1998.
Page 12
  • [Show abstract] [Hide abstract] ABSTRACT: The solar chimney is a natural draft device which uses solar radiation to provide upward momentum to the in-flowing air, thereby converting the thermal energy into kinetic energy. A study was undertaken to evaluate the performance characteristics of solar chimneys both theoretically and experimentally. In this paper, a mathematical model which was developed to study the effect of various parameters on the air temperature, air velocity, and power output of the solar chimney, is presented. Tests were conducted on a demonstration model which was designed and built for that purpose. The mathematical model presented here, was verified against experimental test results and the overall results were encouraging. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.
    No preview · Article · Mar 1998 · International Journal of Energy Research
  • [Show abstract] [Hide abstract] ABSTRACT: The fundamental investigations into atmospherothermic solai chimney power plants and the construction of the pilot plant were commissioned by the Minister of Research and Technology of the Federal Republic of Germany. The work was supervised by the energy research project management department of Kernforschungsanlage Jiilich GmbH (The Jiilich Nuclear Energy Research Establishment).
    No preview · Article · Oct 1983 · International Journal of Solar Energy
  • [Show abstract] [Hide abstract] ABSTRACT: Thesis (PhD (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2002. This project investigates the performance of solar chimney power plant turbines. A solar chimney power plant consists of a tall chimney surrounded by a transparent deck or solar collector. The sun heats the air in the collector through the greenhouse effect. A turbine extracts energy from the hot air rising up the chimney. An investigation of the requirements and operation of such turbines is needed. Correct matching of the turbine to the plant requires the determination of the turbine operational range and other requirements. An air-standard cycle analysis is extended to include component and system losses. Simple steady-state and transient collector models are added to take into account the coupling effect of the collector air temperature rise and mass flow rate on the turbine operation. The predicted turbine operational range for a representative day shows that the expected pressure drop in a full-scale solar chimney turbine is significantly higher than has previously been predicted. A turbine design method is developed and used to design a turbine for the representative day. The methods can easily be extended to include more operating points for a full year of operation. A turbine layout is suggested that uses the chimney support pillars as inlet guide vanes (IGVs). These introduce pre-whirl to the turbine and reduce the amount of exit whirl thus decreasing the kinetic energy at the turbine exit. Non-radial inlet guide vanes add to the torsional stiffness of the chimney base. A matrix throughflow method is used to design the radial to axial duct between the IGVs and rotor. The turbine blade profiles are simulated using a surface-vortex method. This is coupled to an optimisation scheme that minimises both the chord length and maximum flow velocity of the profile to reduce blade drag. An experimental program investigates the performance of the turbine. Volume flow, pressure drop, torque and speed are measured on a scale model turbine to map the turbine performance over a wide range. The velocity and pressure profiles are measured at two design points to investigate the flow through the turbine in more detail. These are compared to the design predictions and used to improve the design method. The experiments show that the design of a solar chimney turbine with a total-to-total efficiency of 85 % - 90 % and total-to-static efficiency of 75 % - 80 % is possible. Analysis of the experimental results shows that the turbine efficiency can be improved.
    No preview · Article · Jan 2003 · Journal of Solar Energy Engineering
  • No preview · Article · Jan 1971
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    [Show abstract] [Hide abstract] ABSTRACT: A typical layout of a solar chimney power plant has a single axial turbine with radial inflow through inlet guide vanes at the base of the chimney. Turbine efficiency depends on the turbine blade row and turbine diffuser loss coefficients. The paper presents analytical equations in terms of turbine flow and load coefficient and degree of reaction, to express the influence of each coefficient on turbine efficiency. It finds analytical solutions for optimum degree of reaction, maximum turbine efficiency for required power and maximum efficiency for constrained turbine size. Characteristics measured on a 720 mm diameter turbine model confirm the validity of the analytical model. Application to a proposed large solar chimney plant indicates that a peak turbine total-to-total efficiency of around 90% is attainable, but not necessarily over the full range of plant operating points.
    Full-text · Article · Mar 2004 · Solar Energy
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    Preview · Article · Jan 1952
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    [Show abstract] [Hide abstract] ABSTRACT: Current energy production from coal and oil is damaging to the environment and non-renewable. Many developing countries cannot afford these energy sources, and nuclear power stations are an unacceptable risk in many locations. Inadequate energy supplies can lead to high energy costs as well as to poverty, which commonly results in population explosions. Sensible technology for the use of solar power must be simple and reliable, accessible to the technologically less developed countries that are sunny and often have limited raw materials resources, should not need cooling water or produce waste heat and should be based on environmentally sound production from renewable materials. The solar chimney meets these conditionsand makes it possible to take the crucial step towards a global solar energy economy. Large scale solar chimneys can be built now without any technical problems and at defined costs.
    Full-text · Article · Jan 1996
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