بخشی از مقاله
چکیده
جهت ارزیابی بازدهی یک توربین و بهرهوری از انرژی باد، باید اطلاعات دقیقی از تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی برای هر توربین بادی موجود باشد که لازمه آن اطلاع دقیق از عملکرد سیستم آیرودینامیک آن است. یکی از فاکتورهای اساسی در طراحی آیرودینامیک توربینها ضریب بازدهی - CP - است. در مطالعات ضریب بازدهی توسط عباراتی محاسبه میشود که ضعف اساسی آنها وابستگی به عوامل فنی توربین و شرایط محیطی میباشد. بنابراین تخمین منحنی آیرودینامیک از روی دادههای عملی به ویژه برای واردکنندگان این سیستمها از لحاظ فنی و اقتصادی حائز اهمیت است. در این مقاله با استفاده از دادههای عملی به تخمین منحنی آیرودینامیک توربین بادی 710 کیلووات بینالود پرداخته شده است.
سپس با استفاده از منحنی آیرودینامیک تخمینزدهشده روش کنترل توان بهینه - OPC - جهت بهبود پروفیل توان در زیرسرعت نامی باد ارائه گردیده است. از طرفی برای سرعتهای نامی باد با مقایسه حالات مختلف در منحنی توان، بهترین عملکرد جهت بهرهوری بیشتر با حفظ محدودیتهای موجود انتخاب شده است. نتایج شبیهسازی نشاندهنده دقت بالای منحنی آیرودینامیک تخمینی و ضرورت استفاده از دادههای عملی برای مطالعه، تحلیل و بهینهسازی سیستمهای تبدیل انرژی بادی میباشد؛ بگونهای که با مقایسه نتایج، زوایای کار به صورت عملی مشخص و تبیین میشود.
کلید واژه- توربین بادی، سیستم آیرودینامیک، ضریب بازدهی، منحنی توان
-1 مقدمه
با توجه به کمبود سوختهای فسیلی و نیاز به حفاظت از محیط زیست استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر توجه زیادی را در سراسر جهان به خود جلب نموده است. در این زمینه انرژی بادی یکی از امیدبخشترین منابع انرژی تجدیدپذیر میباشد. امروزه توربینهای بادی رقابت شدیدی با سایر منابع انرژی دارند و لذا بازدهی و مقرون به صرفه بودن آنها از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد. جهت باقیماندن این سیستمها در صحنهی رقابت باید مشخصههای عملکرد توربین از جمله توان خروجی به ازای سرعت باد بهینه شود. با توجه به شکل - 1 - توربینهای بادی سیستمهایی هستند که میتوانند انرژی جنبشی در وزش باد را در ابتدا به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل نمایند؛ که در واقع تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی همان عملکرد آیرودینامیک توربین است .[1]
در این زمینه استفاده از یک معادله جهت نمایش منحنی آیرودینامیک یک سیستم تبدیل انرژی در یک سایت مشخص مسئله مهمی میباشد. مشکل اصلی استفاده از یک معادله کلی این است که نمیتواند رفتار آیرودینامیک یک توربین بادی در هر منطقه آب و هوایی را توصیف نماید. منحنی آیرودینامیک میتواند توسطضریب بازدهی CP که وابسته به پارامترهای پره توربین - طراحی پره، نرخ سرعت نوک و زاویه پیچ[2] - 1، ابعاد رتور و چگالی هوای مرجع میباشد تعیین گردد. برای مثال در [3] ضریب بازدهی از طریق یک عبارت که با شعاع پرهها، ثابت طراحی پره و سرعت زاویهای شفت توربین مرتبط است محاسبه شده است.
در [4] یک عبارت برای تقریب CP پیشنهاد میشود که پارامترهایی از قبیل ضریب بازدهی نامی، سرعت باد نامی و یک پارامتر که بیان کننده محدوده عملکرد سرعت باد میباشد را در نظر میگیرد. ضعف اساسی استفاده از مدلهای پیشنهادی در [3] و [4] وابستگیشان به عوامل فنی توربینهای بادی میباشد که دستیابی آنها از طریق سازندگان مشکل است. همچنین عملکرد آیرودینامیک یک توربین در شرایط زیست محیطی و جوی - دما، فشار، رطوبت، توزیع و جهت باد - مختلف متفاوت است. در این مطالعه با استفاده از دادههای عملی به تخمین منحنی آیرودینامیک توربین بادی 710 کیلووات بینالود پرداخته میشود.
پس از تخمین منحنی آیرودینامیک و تست آن از طریق مقایسه دادههای عملی و شبیهسازی توسط نرم افزار MATLAB در صدد بهبود پروفیل توان سیستم مورد مطالعه بر میآییم؛ بدین صورت که برای سرعتهای زیر سرعت نامی باد، توربین در نقطهی بهینهی منحنی آیرودینامیک تخمینی، یعنی نقطه توان ماکزیمم عمل کند. به طور کلی روشهای 1MPPT به دو دستهی استفاده از حسگر و بدون استفاده از حسگر طبقهبندی میشوند. روشهای بدون حسگر نقطه ماکزیمم توان را توسط نظارت بر تغییرات توان دنبال میکنند. مهمترین این الگوریتمها، منطق فازی [5] 2 - FLC - ، جستجوی آشوب و مشاهده [6] 3 - P&O - ، جستجوی قله تپه [7] 4 - HCS - و غیره میباشند .
این روشها اگرچه به هیچگونه حسگر اضافی برای اندازهگیری سرعت باد یا سرعت رتور نیازمند نمیباشند، اما به دلیل عدم حساسیت به تغییرات سرعت باد ویژگیهای دینامیکی ضعیفی دارند و لذا در سیستمهای کم هزینه و با ظرفیت کوچک استفاده میشوند .[8] روشهایی که از حسگر استفاده میکنند تا توسط کنترل سرعت یا گشتاور، نقطه ماکزیمم توان را دنبال کنند اساسا با نامهای نرخ سرعت نوک [9] 5 - TSR - و بازخورد سیگنال توان 6 - PSF - [10] بیان میشوند. در این مقاله با استفاده از منحنی آیرودینامیک تخمین زده شده روشی تحت عنوان کنترل توان بهینه 7 - OPC - ارائه میگردد.
پره - β - بیان میکنند. نرخ سرعت نوک توسط رابطه - 2 - محاسبه میشود .[12]
tسرعت زاویهای توربین بر حسب رادیان برثانیه و R شعاع پرههای رتور بر حسب متر میباشد. ضریب بازدهی به ازای یک به نام optبهینه میشودبه ازای یک زاویهی پره ثابت، CP تنها تابعی از است و مطابق شکل - 2 - تغییر میکند opt .[11] برای توربینهای مختلف حدودا در بازه 8 تا 10 میباشد. همانطور که قبلا ذکر شد ضریب بازدهی علاوه بر سرعت نوک پرهها به زاویهی آنها - - نیز وابسته میباشد. این زاویه در ناحیه بار جزئی توربین بادی که هدف بیشینه کردن توان دریافتی از باد میباشد برابر با صفر بوده و در ناحیه بار کامل به منظور کاهش تنشهای مکانیکی، افزایش یافته و توان و سرعت ژنراتور را به مقدار نامی محدود میکند. در شکل - 3 - منحنی CP بر حسب سرعت نوک را به ازای زوایای مختلف پرههای توربین - - ملاحظه مینمایید .[11]
-2 مدل آیرودینامیک توربین بادی
آیرودینامیک توربین بادی به تشریح نیروهای تاثیرکننده بر توربین بادی در اثر جریان هوا میپردازد. توان مکانیکی یک توربین بادی توسط رابطه - 1 - بدست میآید .[11]
-3 تخمین منحنی آیرودینامیک
چگالی هوا، شعاع رتور و سرعت باد میباشند.ضریب بازدهی توربین نامیده میشود و توسط یک رابطه غیرخطی تعریف میگردد. حد بالای CPدر حالت ایده آل 0/593 میباشد به این معنا که به لحاظ تئوری میتوان تقریبا 59٪ انرژی باد را به شفت توربین منتقل نمود. در طراحیهای مختلف CP را به صورت تابعی از نرخ سرعت نوک - λ - و زوایهی پس از شبیهسازی توربین مورد نظر شاهد تفاوتهایی بین نتایج شبیهسازی و دادههای عملی در توان انتقالی به شبکه هستیم که سعی میشود این اختلاف با تخمین منحنی آیرودینامیک به حداقل رسانده شود. برای تخمین منحنی آیرودینامیک ابتدا با منحنی آزمایشی رابطه - 3 - ، برگرفته ازمرجع [11] که با CP _ test - نشان داده شده است، نتایج بررسی میگردد.
پس از معتبرسازی، مرتب نمودن و میانگینگیری از دادههای عملی استخراج شده از سایت، سعی میشود با تغییر ضرایبرابطه CP _ test ، نتایج حاصل از شبیهسازی را با دادههای عملی تطبیق داده و در نتیجه منحنی آیرودینامیک به درستی تخمین زده شود. در نهایت با تغییر ضریب C1 به مقدار 0.47 و افزودن ضریب C7 0.87 ، منحنی آیرودینامیک مطابق رابطه - 5 - تعریف میشود. همانطور که در شکل - 4 - مشاهده میشود در منحنی آیرودینامیک تخمین زده شده مقدار بهینه ضریب بازدهی درهمانطور که در شکل - 5 - مشاهده میکنید با استفاده از منحنی آیرودینامیک تخمینی نتایج شبیهسازی با تقریب خوبی به دادههای عملی استخراج شده از سایت بینالود - برای توربین-ژنراتور بادی 710 کیلووات - نزدیک میشوند.
-4 بهبود پروفیل توان
مطابق شکل - 6 - ملاحظه میشود که برای هر سرعت باد تنهایک سرعت چرخش توربین - - topt مشخص وجود دارد که ضریب بازدهی بهینه - - CPopt و در نتیجه توان ماکزیمم توربین را نتیجه میدهد. لذا زمانی که سرعت باد تغییر میکند سرعت چرخشی توربین جهت دنبال کردن مسیر بیشترین توان کنترل میشود. بنابراین دسترسی به روش کنترلی جهت ردیابی نقطه بیشترین توان - MPPT - برای هر سرعت باد، توان تولیدی در 1VSWT را افزایش خواهد داد. همانطور که در شکل - 7 - نشان داده شده است پس از تخمین منحنی آیرودینامیک، مقادیر نرخ سرعت نوک بهینه - - opt و ضریب
بازدهی بهینه - - CPopt برای توربین مورد نظر استخراج میشوند. با استفاده از این دو مقدار و اندازهگیری سرعت توربین، مطابق رابطهی - 6 - ماکزیمم توان مکانیکی توربین حاصل میشود.
با احتساب تلفات توان به اندازه 5٪ توان توربین، توان فاصله هوایی محاسبه و در نهایت با استفاده از رابطه - 10 - ماکزیمم توان خروجی استاتور بدست میآید.nsyn و nr به ترتیب سرعت سنکرون و سرعت چرخش ژنراتور میباشند. توجه شود که در رابطه - 10 - برای s 0 علامت منفی و برای s 0 علامت مثبت در نظر گرفته میشود.با توجه به روابط و توضیحات فوق، برای سیستم مورد مطالعه در سرعتهای باد 6 تا 9 متر بر ثانیه جدولی مطابق جدول - 2 - حاصل میشود؛ که ستونهای دوم - - nropt و پنجم - - Ps max آن در واقع مختصات ناحیه اول از منحنی توان سیستم میباشند.
