Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 78-83.

This thesis undertakes a thorough investigation of various innovative strategies
devised to augment the efficiency of Vertical-Axis Wind-turbines (VAWTs).
Additionally, it delves into the creation of a ubiquitous framework for charging electric
vehicle (EV) batteries, which utilizes wind energy as its primary source. These goals are
accomplished through a blend of theoretical modeling, computational simulations, and
empirical experimentation.
The present study introduces the Guided-vane Airfoil as a novel passive flow control
approach to mitigate the adverse effects of dynamic stall, a phenomenon that significantly
impairs the aerodynamic performance of Vertical-Axis Wind-turbines (VAWTs). In this
regard, the NACA 0018 airfoil was selected due to its widespread use in turbine design.
The computational investigations of this approach were meticulously carried out using
ANSYS Fluent, involving the solution of unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes
equations with an SST k-ω turbulence model. This comprehensive analysis enables a
critical examination of the impact of the Guided-vane on the aerodynamic efficiency of
the airfoil.
A subsequent parametric analysis was executed to ascertain the optimal geometry
for the vane, thereby augmenting the aerodynamic efficiency of the airfoil. Additionally,
experimental investigations were conducted employing a specifically designed wind-
turbine test rig. A comparative evaluation of the performance of a standard wind-turbine
and one upgraded with the Guided-vane Airfoil indicated a remarkable escalation of
approximately 26% in the maximum power output of the latter.
The study introduces a second innovative technique that entails the integration of a
cross-flow fan (CFF) at the trailing edge of the airfoil to achieve active flow control. This
pioneering application of CFFs on VAWTs was subject to dynamic measurements from
a series of meticulously designed experiments. By situating the CFF at the trailing edge,
flow separation can be actively managed, leading to a significant improvement in the
VAWTs' output power.
In the realm of pragmatic implementations for renewable energy, the investigation
additionally puts forth a comprehensive framework for charging electric vehicle
batteries. This framework leverages wind energy as the primary energy source, thereby
presenting an eco-friendly and sustainable solution for electric vehicle charging. The
operational capabilities of a diminutive vertical-axis wind-turbine were prognosticated
across an extensive range of operating conditions utilizing a resilient artificial neural
network algorithm. This anticipated electrical power was then employed to charge an
electric vehicle battery, yielding optimal charging performance in spite of the intermittent
nature of wind energy.
The present study ultimately delves into the implementation of sophisticated control
methodologies for the purpose of optimizing the performance of Vertical-Axis Wind-
turbines (VAWTs). Specifically, the research endeavors to conduct artificial neural
network modeling of two innovative wind-turbine designs, which involve the utilization
of an automatic controller for the Guided-vane Airfoil and a controller for the CFF-
integrated turbine. Through the comparative analysis of these control techniques, the
research has demonstrated the superior efficacy of fuzzy logic controllers for the vane
wind-turbine, and the utilization of PID controllers for the fan wind-turbine

تقوم هذه الرسالة بتحقيق شامل لاستراتيجيات مبتكرة متعددة مصممة لزيادة كفاءة توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs). بالإضافة إلى ذلك، يتعمق في إنشاء إطار شامل لشحن بطاريات السيارات الكهربائية، الذي يستخدم طاقة الرياح كمصدر رئيسي له. تتحقق هذه الأهداف من خلال مزيج من النمذجة النظرية، المحاكاة الحاسوبية، والقياس التجريبي.
تقدم الدراسة الحالية الجناح الموجه كنهج فريد للتحكم السلبي في التدفق للتخفيف من الآثار السلبية للتأخر الديناميكي، وهي ظاهرة تؤثر بشكل كبير على الأداء الهوائي لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs). وفي هذا السياق، تم اختيار الجناح NACA 0018 بسبب استخدامه الواسع في تصميم التوربينات. تتم الدراسات الحاسوبية لهذا النهج بعناية باستخدام ANSYS Fluent، والتي تتضمن حل معادلات Navier-Stokes المتوسطة لرينولدز غير الثابتة باستخدام نموذج الاضطراب SST k-ω. يتيح هذا التحليل الشامل إجراء فحص دقيق لتأثير الريشة الموجهة على الكفاءة الديناميكية الهوائية لتوربينات الرياح.
تم إجراء تحليل بعدي لاحق للتأكد من الهندسة المثلى للريشة ، وبالتالي زيادة الكفاءة الديناميكية الهوائية للجناح. بالإضافة، تم إجراء تحقيقات تجريبية باستخدام منصة اختبار توربينات الرياح المصممة خصيصًا. أشار التقييم المقارن لأداء توربينات الرياح القياسية و آخر تم تحديثه بالجناح الموجه إلى ارتفاع ملحوظ بنسبة 26% تقريبًا في الطاقة القصوى للأخير.
كما تقدم الدراسة تقنية مبتكرة ثانية تتضمن دمج مروحة تدفق عرضي (CFF) في الحافة الخلفية للجناح لتحقيق التحكم النشط في التدفق. خضعت هذه الطريقة الرائدة لاستخدام CFFs على VAWTs لقياسات ديناميكية من سلسلة من التجارب المصممة بدقة. بوضع CFF في الحافة الخلفية، يمكن التحكم بشكل نشط في فصل التدفق، مما يؤدي إلى تحسين كبير في قدرة توربينات الرياح ذات المحور الرأسي.
تغوص الدراسة الحالية في النهاية في تنفيذ منهجيات التحكم المتطورة بهدف تحسين أداء توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs). تحديدًا، يسعي البحث إلى إجراء نمذجة شبكة عصبية اصطناعية لتصميمين مبتكرين لتوربينات الرياح، والتي تتضمن استخدام وحدة تحكم أوتوماتيكية للجناح الموجه و جهاز تحكم في التوربينات المدمجة CFF. من خلال التحليل المقارن لتقنيات التحكم هذه، أظهر البحث الكفاءة الفائقة لوحدات التحكم المنطقية الضبابية لتوربينات الرياح الريحية ، واستخدام وحدات التحكم PID لتوربينات الرياح المروحية.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.