بخشی از مقاله
چکیده
براي تولید انرژي الکتریکی ، سیستم کایت ، سیستمی براي تبدیل حرکت خطی بالا و پایین افسار کایت ، مانند تغییر زاویه حمله ، به یک حرکت چرخشی از یک محور است. از طریق اتصال محور به ژنراتور تولید جریان الکتریکی کردهایم. نکته قابل توجه در تولید انرژي توسط کایت اندازه زاویه جریان است که براساس طول و عرض کایت و فاصله آن نسبت زمین است. برخی بر این نظریهاند بدلیل جزئی بودن این زاویه میتوان آن را نادیده گرفت ، در صورتی حتی این مقدار جزئی تا حد زیادي در تولید انرژي موثر است. ما در این مقاله اهمیت این زاویه را نشان میدهیم3] ،.[5
کلمات کلیدي: زاویه جریان ، زاویه حمله ، ژنراتور ، کایت
.1 مقدمه
نگرانی به اتمام رسیدن سوخت فسیلی در طول چند دهه گذشته علاقه به منابع انرژي تجدیدپذیر افزایش داده است. اعتقاد بر این است که قدرت باد شکل مفیدي از انرژيهاي تجدیدپذیر است. تعداد زیادي از مفاهیم و طرحهاي ایجاد شده براي سیستمی براي تبدیل انرژي باد به انرژي الکتریکی در نظر گرفته شده است. در در حال حاضر به نظر میرسد اکثر سیستم-هایی که براي تولید انرژي الکتریکی طراحی شدهاند بسیار پیچیده و در اندازه بزرگ بودهاند.
کایت پیشگام یک تحول در چگونگی تولید انرژي پاك از باد است ، با تنها هدف رقابت در صنعت باد ، اما هنوز به ندرت اتفاق میافتد که با منابع تجدید پذیر ، به مصاف سوخت هاي فسیلی حرکت کنیم. امروز ه تکنولوژي ، تنها قادر به تراشیدن سطح ، در چند نقطه مطلوب ، در زمینه انرژي عظیم شامل باد - نگاه کنید به داده هاي باد - است. توربینهاي بادي نمیتوانند به ارتفاع بالاتر و لمس باد برسند ، آنها در حال حاضر داراي محدودیت ابعادي هستند : محورها به سختی میتوانند در فاصله بیش از 100 متر بالاتر از سطح زمین قرار گیرند ، ساختار نگه داشته شده به صورت تشریحی سنگینتر، بیثباتتر ومهمتر از همه گرانتر است1]، .[3 سیستم انرژي متحرك کایت داراي پتانسیلی است که به طور قابل توجهی هزینه پایینتر از یک توربین بادي بدون نیاز به برج بزرگ که یک توربین بادي نیاز دارد ، دارد.
بدون تیغه بزرگ چرخش توربین بادي آلودگی صوتی و نگرانیهاي خطر پرندگان حذف میشود. نگرانی آلودگی بصري نیز با سیستمهاي کایت حذف میشود ، علاوه بر آن تاثیر منفی بر مناظر طبیعی و جاذبههاي طبیعت ندارد. سیستم قدرتی کایت میتواند در مناطقی با تغییرات بزرگ سرعت باد از انجا که کایت توانایی رسیدن به ارتفاعات بسیار زیاد را دارد، اجرا شود. مزیت رسیدن به ارتفاعات بسیار زیاد است که در ارتفاعات بالاتر سرعت باد بیشتر و ثابتتر با تغییرات کمتري است. شکل 1 مقایسه بین خروجی قدرت بالقوه و سرعت باد در دسترس براي یک کایت 10 متر مربع و توربین بادي است. قدرت متناسب با مکعب سرعت باد، P α V3، افزایش مییابد و بنابراین موجب افزایش ارتفاع و در نتیجه افزایش بیشتر در توان توان خروجی میشود.
شکل - - 1 قدرت خروجی و سرعت باد براي توربین و بادبادك با مقطع 10متر مربع است.
.2 کایت و اهمیت زاویه جریان
سیستم انرژي متحرك کایت داراي پتانسیلی است که به طور قابل توجهی هزینهاي پایینتر از یک توربین بادي بدون نیاز به برج بزرگ که یک توربین بادي نیاز دارد ، دارد. بدون تیغه بزرگ چرخش توربین بادي که آلودگی صوتی و نگرانیهاي خطر پرندگان حذف میشود. نگرانی آلودگی بصري نیز با سیستمهاي کایت حذف میشود ، علاوه بر آن تاثیر منفی بر مناظر طبیعی و جاذبههاي طبیعت ندارد. سیستم قدرتی کایت میتواند در مناطقی با تغییرات بزرگ سرعت باد از انجا که کایت توانایی رسیدن به ارتفاعات بسیار زیاد را دارد، اجرا شود.
مزیت رسیدن به ارتفاعات بسیار زیاد است که در ارتفاعات بالاتر سرعت باد بیشتر و ثابتتر با تغییرات کمتري است. از آنجا که توربینهاي بادي نمیتوانند به ارتفاع بالاتر و لمس باد برسند ، و در حال حاضر داراي محدودیت ابعادي هستند : محورها به سختی میتوانند در فاصله بیش از 100 متر بالاتر از سطح زمین قرار گیرند ، و این ساختار نگه داشته شده به صورت تشریحی سنگینتر، بیثباتتر ومهمتر از همه گرانتر است2] ،.[4
مفهوم اصلی کایت در مقایسه با توربین بادي ، که بیشترین قسمت بازدهی در نوك بال است. جایی که به بالاترین سرعت میرسد ، اما تنها اجزاي مورد نیاز باقی میماند ، سرعت بالاي بالها و ژنراتور ، به راحتی به زمین منتقل میشود. ساختار ، شامل پایه ، که بسیار سبکتر و ارزانتر است. علاوه بر این ارتفاع عملی را میتوان با توجه به شرایط باد تنظیم کرد.
در طراحی و ساخت یک کایت ویژگیهایی که باید در نظر گرفت عبارتند از: ثبات، سهولت استفاده ، و دوام است.از آنجا که مزایت یک کایت بزرگ کشش خط در سرعتهاي بالاتر باد و پایداري بیشتر هنگامی که در بالاترین نقطه است و این بدلیل مساحت زیاد آن است. کایتهاي کوچکتر داراي مزیت معادل هستند ، بدین معنی که در باد با سرعت پایینتر، تنها یک نسیم ملایم میتوان آنها را در هوا نگه داشت ، اما داراي پایداري کمتر بدلیل مشخصات کوچکترشان هستند. اهمیت تولید انرژي توسط کایت متکی بر تغییر زاویه حمله کایت است.
در این مقاله ما با شبیه سازي یک کایت با طول 150و عرض 60 سانتیمتر توسط نرمافزار فلوئنت و قرار دادن آن در سرعت جریان باد 7 و 10 و 15 متر بر ثانیه با در نظر گرفتن زاویه جریان 0 و 3 درجه بصورت مجزا اهمیت این زاویه جریان - زاویه دو طرف کایت جهت کشش - در طراحی و شبیه سازي کایت براي تولید انرژي را نشان میدهیم.
از آنجا که زاویه جریان در یک کایت طبق فرمول زیر بدست میآید :
=X فاصله طولی دو طرف کایت
=Y طول وتر یا همان ارتفاع کایت نسبت به قسمت ثابت شده = زاویه جریان کایت
ما پس از شبیه سازي آن توسط نرم افزار فلوئنت که نرم افزار قدرتمندي جهت شبیه سازي کایت در سرعت جریان متفاوت است و با زاویه جریانی که طبق معادله - 1 - بدست آوردهایم نیروي کشش کایت را بدست آورده و سپس توسط نرمافزار متلب این نیروي کشش را به گشتاور توسط وینچ تبدیل کردهایم. ارز آنجا که وینچ با محور ژنراتور از پیش انتخاب شده کوپل شده است ، براحتی میتوانیم توان مورد نیاز را بدست آوریم.
بدلیل ابعاد کوچک کایت ، پس از انجام محاسبات زاویه جریان آن بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است. حتی در کایت با ابعاد بزرگتر به دلیل رند کردن زاویه از مقدار جزئی آن چشم پوشی میشود که تا حدي در انجام محاسبات بعدي و تولید توان اختلاف بوجود میآید. در اینجا پس از شبیهسازي و محاسبه توان مفید اهمیت این زاویه را نشان میدهیم.
با محاسبه کشش خط تنش از تئوري حالت پایدار ، امکان جمع نقطه محوري بازوي چرخان لحظهایی با محاسبه کششی که در رشتهایی که به سیستم دنده ایجاد شده ، باشد که به شرح زیر است :
