بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی عملکرد نیروگاه بادی منجیل توسط مدل محاسباتی دانشگاه الدنبورگ(FlaP )
چکیده
در این مقاله ضمن معرفی مدلهای محاسباتی جریان ویک پشت توربینهای بادی به کمک مدل دانشگاه الدنبورگ به بررسی عملکرد نیروگاه بادی منجیل پرداخته می شود . مدل دانشگاه الدنبورگ توسط دانشگاه الدنبورگ آلمان فراهم و بسط داده شده است .
توربینهای بادی منجیل (سال ۵۷۳۱ تا ۱۸۳۱) در سه ردیف به فاصله ۶۲۱ متر از یکدیگر قرار گرفته اند و فاصله هر یک از این ردیفها از یکدیگر ۰۸۱ متر می باشد. توربینهای پایین دستی به دلیل قرار گرفتن در جریان ویک توربینهای بالادستی و کاهش سرعت ناشی از آن انرﮊی کمتری نسبت به حالت ایده آل تولید می کنند . با استفاده از مدل دانشگاه الدنبورگ قدرت خروجی و راندمان مزرعه بادی منجیل محاسبه شده است و نتایج بدست آمده راندمان توربینهای ردیف اول و دوم را ایده آل و برای ردیف سوم متوسط نشان می دهد .
واﮊه های کلیدی : ویک - (Wake) مزرعه بادی –(Windfarm) مدل محاسباتی دانشگاه الدنبورگ (FLaP)
۱- مقدمه
انرﮊی باد یکی از منابع تجدید پذیر انرﮊی است که امروزه برای تولید انرﮊی سرمایه گذاری زیادی روی آن صورت می گیرد.
منابع سوختهای فسیلی رو به اتمام می باشند و همچنین آلودگی زیادی تولید می کنندبنابراین بشر به فکر جایگزین کردن آنها با انرﮊیهای پاک و تجد ید پذ یر می باشد . در ا ین میان استفاده از انرﮊی باد سر یعتر ین رشد را در میان سا یر انرﮊ یهای تجد ید پذ یر داشته است . توربینهای بادی که برای تبدیل انرﮊی بادی به برق استفاده می شوند ، بازار جهانی را در سالهای اخیر تحت تأثیر قرار داده است و استفاده کشورها از ا ین انرﮊی روز به روز در حال گسترش می باشد . برای استفاده از ا ین انرﮊی مجموعه ای از توربینهای بادی مولد جریان برق به نام مزارع بادی توسعه داده شده و به خطوط شبکه برق متصل شده اند . به دلیل استفاده وسیع و موثر از مزارع بادی ، مطالعه روی جر یان و یک پشت توربینهای بادی و ارائه الگوی بهینه آرایش توربینها از مباحث مورد توجه محققان می باشد . در ا ین مقاله نیز به معرفی مدلهای ر یاضی جر یان و یک پشت توربینهای بادی و بررسی عملکرد نیروگاه بادی منجیل به کمک یکی از این مدلها یعنی مدل دانشگاه الدنبورگ (FLaP) پرداخته شده است .
۲- جریان ویک پشت توربین بادی
جریان هوایی که به روتور توربین بادی می رسد ، توسط تیغه های آن جدا شده و در پشت توربین ناحیه متلاطم و کم فشار ویک را تشکیل می دهد . جریانی که از روتور توربین بادی عبور می کند ، در اثر برخورد با پره های توربین از انرﮊی جنبشی و در نتیجه سرعت آن کاسته شده و بر شدت اغتشاش آن افزوده می شود . پس از عبور جریان از روتور مجددا شرایط جریان به جریان اولیه میل می کند و سرعت بازیابی می شود .
هندسه جریان ویک پشت توربین بادی طبق نظریه هایی که تاکنون ارایه شده ، به دو صورت کلی می باشد . نظریه اول که توسط لیسامن٤ ]۱[ ارایه شده و جریان ویک پشت توربین را به سه ناحیه ویک نزدیک ، ناحیه گذر و ناحیه ویک دور تقسیم می کند و نظریه دوم که در مدل FLaP از آن استفاده می شود ، توسط انسلی٥ ]۲[ ارایه و توسعه داده شده است که در آن جریان ویک پشت توربین به دو ناحیه ویک نزدیک و دور تقسیم می شود . در شکل (۱) شکل هندسی ویک که توسط انسلی پیشنهاد شده است ، مشاهده می شود .
علت تقسیم جریان ویک پشت توربین بادی به دو ناحیه ویک نزدیک و دور رفتار کاملا متفاوت جریان در این دو ناحیه می باشد . در ناحیه ویک نزدیک حداکثر کاهش سرعت جریان و حداکثر شدت اغتشاش وجود دارد . شدت اغتشاش در این ناحه توزیع کاملا نامتقارنی به خود می گیرد و نرخ بازیابی سرعت در این ناحیه بسیار ناچیز است . در ناحیه ویک دور شدت اغتشاش توزیع متقارنی دارد و شرایط جریان به سمت شرایط جریان قبل از برخورد با روتور نزدیک می شود و نهایتا به شرایط اولیه باز می گردد . ]۳[
شکل(۱): مشخصات ویک پشت یک توربین بادی برای مدل ] Anisle۲[
۳- مدلهای محاسباتی جریان ویک پشت توربین بادی
از نظر منشأ پیدایش مدلهای محاسباتی جریان ویک پشت توربینهای بادی را می توان به چهار گروه کلی تقسیم کرد :
۱- مدلهای مبتنی بر ناهمواری سطح (Surface Roughness)
۲- مدلهای نیمه تجربی (Semi-Emperical)
۳- مدلهای مبتنی بر ویسکوزیته اغتشاش ( eddy-viscosity)
۴- مدلهای مبتنی بر حل کامل معادلات ناویه استوکس (Navier-Stokes)
این چهار نظریه ، پایه و اساس مدلهای محاسباتی جریان ویک پشت توربین بادی را تشکیل می دهند و برای طراحی مزارع بادی تعمیم داده شده اند. تا کنون شش مدل مختلف با ویژگیهای خاص جهت محاسبات جریان ویک پشت توربینهای بادی و اثرات آن طی سالهای ۰۸۹۱ تا ۶۰۰۲ ارائه شده و تکامل یافته است .
۱- مدل آزمایشگاه ملی دانمارک ( RISOE)
ترکیبی از یک مدل نیمه تجربی و مدلی مبتنی بر ویسکوزیته اغتشاش می باشد .
۲- مدل دانشگاه اپسالا ( MIUU)
مدلی مبتنی بر ویسکوزیته اغتشاش و شدت اغتشاش جریان می باشد .
۳- مدل جراد حسن ( GH)
بر مبنای حل معادلات ناویه استوکس با فرض جریان متقارن محوری می باشد .
۴- مدل دانشگاه روبرت گردون (Robert Gordon University)
مبتنی بر توسعه مدل GH و استفاده از مدل اغتشاشی k − ε می باشد .
۵- مدل دانشگاه الدنبورگ ( FLaP )
مبتنی بر روابط نیمه تجربی است که از ویسکوزیته اغتشاش نیز در آن استفاده شده است .
۶- مدل آزمایشگاه تحقیقات انرﮊی هلند (ECN)
مدلی مبتنی بر حل کامل معادلات ناویه استوکس در جریان سه بعدی می باشد ].۴[
۴- مدل دانشگاه الدنبورگ : (FLAP)
برای مطالعه عملکرد نیروگاه بادی منجیل و محاسبات مربوط به آن مدل دانشگاه الدنبورگ (FLaP) از میان شش مدل محاسباتی موجود انتخاب شده است . همچنانکه گفته شد این مدل ترکیبی از مدلهای نیمه تجربی و مدل اغتشاشی k − ε می باشد و با بسط آن از یک توربین به نیروگاه بادی عملکرد آن نیروگاه مورد بررسی قرار می گیرد .
۱-۴- محاسبه طول ویک نزدیک :
در این مدل طول ویک نزدیک xn با یک رابطه تجربی بدست می آید . در اینجا ویک نزدیک به دو ناحیه تقسیم می گردد که طول ناحیه اول آن xH کاملا وابسته به شدت اغتشاش محلی ، اغتشاش ناشی از تیغه های روتور و اغتشاش جریان ویک دارد .
که در این معادله r0 شعاع مؤثر دیسک روتور می باشد .
: D قطر روتور توربین
m وابسته به ضریب پیشرانه روتور است و از رابطه زیر محاسبه می شود :
: Ct ضریب پیشرانه روتور توربین
اثرات اغتشاش و سهم قسمتهای مختلف در هندسه جریان ویک بدین بصورت می باشد :
سهم اغتشاش اولیه :
: I a شدت اغتشاش اولیه
سهم اغتشاش ناشی از تیغه های روتور :
: B تعداد پره های روتور
: λ نسبت سرعت دورانی روتور به سرعت باد در ارتفاع دماغه
ﻭ سهم اغتشاش ناشی از جریان ویک :
شدت اغتشاش پارامتر مهمی در هندسه جریان ویک پشت توربین بوده و دو مکانیسم بسیار مهم برای افزایش شدت اغتشاش در جریان ویک وجود دارد . یکی بر اثر برخورد جریان با نوک پره های روتور بوجود می آید که اغتشاش تولید شده بوسیله روتور نامیده می شود و دیگری نیز ناشی از تداخل لایه مرزی اتمسفری سطحی با جریان ویک پشت توربین بادی می باشد. شدت اغتشاش جریان محلی در شرایط اتمسفری خنثی از رابطه زیر محاسبه می شود ]:۵[
