بخشی از مقاله
چکیده
توربین های بادی با توجه به آلودگی ناچیزشان یکی اصلی ترین منابع انرژی پاک کنونی و آینده می باشد. این توربین ها در مناطق با سرعت باد بالا نصب و راه اندازی می شود با توجه به این که بسیاری از مناطق بادخ زی همچون مناطق شرق ایران مناطقی خشک هستند جریان سیال موثر بر روی پره های توربین، هوایی است که دارای ذرات معلق است. وجود این ذرات علاوه بر تاثری در خواص سیال باعث بوجود آمدن زبری در سطح پره، بخصوص در لبه حمله می شود. در این مقاله به بررسی تاثری گردوغبار در طی زمان بر پره پرداخته شده است و میزان اتلاف انرژی ناشی از آن در طی زمان های مختلف مقایسه شده است.
مقدمه
به روند رو به رشد توربین های بادی یکی از تحولات شگرف دهه اخیر در زمینه گسترش انرژی های تجدیدپذیر می باشد. گسترش هر صنعت باعث خواهد شد تا مشکلات و برخی از کمبود ها ی فنی در آن زمینه بیشتر خود را نمایان کند و چالش های جدیدی را پیش روی صنعتگران قرار دهد. نصب و راه اندازی توربین های بادی در مناطق گرم و خشک که دارای سرعت باد قابل قبولی برای ایجاد مزارع بادی هستند نشان داده است که بلند شدن ذرات خاک و شن از روی زمین به دلیل سرعت بالای باد از سویی و نبود پوشش گیاهی مناسب در این مناطق از سوی دیگر، را در بر داشته است .
وجود ذرات معلق همراه با جریان باد علاوه بر تغییر در خواص سیال موثر در توربین خود دلیل برخورد ذرات با پره های توربین، باعث ایجاد زبری در نتیجه نشستن ذرات و یا فرسایش سطح پره های توربینهای بادی می شود. زبری ایجاد شده در پره ها بیشتر در لبه حمله پرهها اتفاق می افتد و باعث خواهد شد تا پدیده جدایش جریان از پره ها از حالت عادی خود خارج شود. این امر اغلب باعث می شود که نیرویهای برا و پسا دچار تغییرات نامساعد برای ایجاد توان شوند. حرکت نقطه سکون از سمت لبه فرار پره به سمت لبه حمله باعث افزایش نیروی پسا بعنوان یک نیروی مضر و کاهش نیروی برا بعنوان نیروی موثر در پره های توربین های بادی می شود.
آزمایش های میدانی در مقیاس بزرگ در توربین های بادی افقی مشخص کرده است که تغییرات شدیدی در عملکرد آنها در زمان ایجاد زبری روی پره اتفاق خواهد افتاد. نتایج اندازه گیری ها نشان می دهد که بردارهای توان در مزرعه بادی برای پره های تمیز و دارای کثیفی متفاوت است. اهمیت از بین رفتن صافی سطح پره در صنایع هوانوردی نیز به خوبی در کاهش سرعت و افزایش مصرف سوخت هواپیما ها کاملا روشن است. با افزایش سرعت باد بر روی شعاع پره، اندازه زبری هایی را که در قسمت های بیرونیتر ایجاد می شود را با افزایش شعاع پره افزایش می دهند. زبری سطح روی پره به مقدار گردوخاک نشسته بر روی پره بستگی دارد.
گردوغبار
باد مقدار زیادی از ذرات معلق را با خود جابجا می کند. این ذرات می تواند شن یا آب باشد که به لبه حمله توربین های بادی برخورد می کند و به پره ها صدمه وارد می کند. این صدمه باعث ازبین رفتن صافی سطح و ایجاد زبری در پره های توربین بادی می شود. این تاثیرات در عملکرد دینامیکی و کاهش توان خروجی دستگاه خود را نشان خواهد داد. البته برخورد حشرات نیز به همین طریق است و چسبیدن حشرات بر روی پره باعث از بین بردن صافی سطح می شود.
میزان صدمه ای که هر ذره به بال وارد می کند به میزان نیرویی که هر ذره داراست و روی پره تاثیر می گذارد بستگی دارد. البته شکل ناهمواری های زمین و سرعت نسبی پره و ذره برخورد کننده میزان نیروی موثر هر ذره را تعیین می کند. سرعت باد و سرعت چرخشی پره عوامل تعیین کننده در سرعت می باشند. سرعت باد در نوک پره که بیشترین شعاع را داراست بشترین مقدار را دارد.
تاثیر زبری بر عملکرد آیرودینامیکی بستگی به شکل هندسی طراحی شده برای پره توربین دارد چنانکه ممکن است پره ای طوری ساخته شود که کمترین اتلاف نیرویی ممکن را داشته باشد. به هر حال زبری سطح بدلیل در معرض برخورد ذرات بودن پره به طور مداوم در حال تغییر است و این امر منجر به ایجاد تلفات انرژی غیرقابل پیش بینی خواهد شد
بحرانی ترین مشکل برای روتور توربین های بادی تغییر و افت در کارکرد آنها و ایجاد افت های پیش بینی نشده در اثر جمع شدن ذرات گرد و خاک بر روی سطح پره می باشند. این امر بیشتر در سایت های دارای شن و طوفان شن اتفاق می افتد. آزمایش های میدانی در مقیاس بزرگ در توربین های بادی افقی مشخص کرده است که تغییرات شدیدی در عملکرد در طی این جریان اتفاق خواهد افتاد. نتایج اندازه گیری ها نشان می دهد که بردارهای توان در مزرعه بادی برای پره های تمیز و غیرتمیز متفاوت است.
زبری سطح می تواند در اثر فرآیندهای ساخت، طولانی بودن دوره تعمیرات، طولانی بودن دوره تمیزکاری پره و جمع شدن طبیعی ذرات معلقی چون گردوخاک، یخ زدگی، برف، طوفان و پاشش نمک ها و مواد اورگانیک بوجود بیاید.
آنالیز گردوخاک مزرعه بادی
گردوخاکی که بر روی یک توربین جمع می شود باید از طریق آزمایش مورد آنالیز قرار گیرد. مهمترین دستاورد این آزمایش تخمین چگونگی فرآیند ایجاد و جمع شدن گردوخاک بر روی پره توربین بادی است. معمولا در این مطالعات میزان زبری ماهیانه که به بیان میزان سطح و اندازه ذرات می پردازد مورد مطالعه قرار می گیرد. تخمین های هفتگی، سه ماهه، شش ماهه و سالانه نیز می تواند جزء دوره های زمانی این مطالعه می باشد.
شبیه سازی گردوخاک
تاثیر گردوخاک جمع شده بر روی پره با ایجاد شبیه سازی گردوخاک های مختلف بر روی یک پره تخمین زده می - شود. زبری سطح پره بستگی به اندازه دانه های گردوخاک دارد . این دانه ها بر روی پره در لبه حمله میچسبد و تقریبا ده درصد از کل مساحت پره را می گیرد. اندازه گیری ها در رنج وسیعی از سرعت های باد بالا و پایین انجام میشود. در این مطالعه تاثیر اندازه و سطح تحت تاثیر پره توسط گردوخاک بر روی توان اتلافی خروجی توربین تخمین زده می شود. در مطالعات انجام شده در برخی مناطق پس از بررسی و بدست آمدن اندازه زبری سطح استاندارد در آن محل تاثیر مساحت های مختلف بر روی توان مورد مطالعه قرار گرفته است. زبری سطح می تواند در اثر فرآیندهای ساخت، طولانی بودن دوره تعمیرات و تمیزکاری پره و جمع شدن طبیعی ذرات معلقی چون گردوخاک، یخ زدگی، برف، طوفان و پاشش نمک ها و مواد اورگانیک بوجود بیاید
تاثیر تغییر سرعت باد در طول سال در ایجاد زبری
شکل1 اندازه واقعی ذرات گردوخاک که بر روی پره توربین بادی جمع می شود را نشان می دهد. این اطلاعات به صورت ماهیانه از ماه مارس تا ماه اکتبر اندازه گیری شده است. اطلاعات در هر ماه پس از اینکه در ابتدای آن پره بصورت کاملا تمیز بوده است اندازه گیری شده است.
شکل2 نمودار اندازه ذرات و درصد سطح خاکی روی پره بر حسب هر ماه سال
همان طور که در شکل نشان داده شده است اندازه گردوخاک هر ماه نسبت به ماه دیگر تفاوت می کند. اندازه متوسط زبری سطح به سرعت باد نیز بستگی دارد. همچنین تغییر جهت باد و تعداد طوفان شن در ماه نیز از عوامل موثر در این پدیده می تواند باشد. ماکزیمم اندازه گردوخاک در ماه سپتامبر و در اندازه میلی متر بوده است و کمترین اندازه گردوخاک مربوط به ماه آوریل و در اندازهای حدود میلی متر بوده است.
شکل 3 اندازه گردوخاک جمع شده و سرعت متوسط ماهیانه باد را از اطلاعات تجربی نمایش می دهد مقدار سرعت باد در سایت بادی بر میزان نشستن گردوخاک روی پره توربین بادی تاثیر می گذارد. بنابراین افزایش سرعت باد باعث افزایش اندازه گردوخاک نشسته بر روی پره می شود.
شکل4 نمودار اندازه ذارت گردوغبار بر حسب ماه سال همراه با میانگین سرعت در هر ماه
