بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، بررسی جریان هوا بر روی توربین بادی محور عمودی ساوانیوس با پره مارپیچی مورد توجه قرار گرفتهاست. جریان، سه بعدی، ناپایدار، تراکم ناپذیر و سرعت پایین در نظر گرفته میشود. معادلات حاکم، پیوستگی، مومنتم و انرژی به صورت معادلات دیفرانسیل پارهای غیرخطی بوده و با استفاده از روش تحلیلی اکبری-گنجیٌ - AGM - بررسی میشود. نتایج بدست آمده از این روش با نتایج بدست آمده از حل عددی در نرم افزار فلکس پی دی ایٍ و میپلَ مقایسه شده و ارزیابی و اعتبارسنجی آن صورت میپذیرد. از اهداف این تحقیق بدست آوردن میزان دقت روش حل اکبری-گنجی و میزان تاثیر جنس پره و ارتفاع توربین بادی میباشد. نتایج بدست آمده با حل عددی از تقریب بسیار خوبی برخورداراست. بررسی نتایج بدست آمده نشان میدهد، حالت مارپیچی پره سبب افزایش سرعت های ورودی در درون توربین و تقویت آن در هنگام خروج می شود.
واژگان کلیدی: توربین بادی ساوانیوس با پره مارپیچی، روش اکبری-گنجی، فلکس پی دی ای، معادلات دیفرانسیل پاره ای.
مقدمه
یکی از مهمترین مسائل در جهان امروز تأمین انرژی از منابع پاک و کم هزینه است. به همین منظور موضوع انرژی های نو ٌ و انرژی باد، یکی از بحث برانگیزترین مباحث مطرح شده می باشد که تلاش های بسیاری نیز در راستای توسعه آن و توسط افراد مختلف صورت گرفته است. کاربردهای زیادی برای انرژی باد وجود دارد به خصوص این انرژی برای تولید انرژی برق به کار می رود. توربین بادی به دلیل ساختار ساده، سرو صدای کم، شروع مناسب گشتاور و همچنین عدم وابستگی به جهت وزش باد مورد توجه محققان قرار گرفته است. توربین بادی در نوع محور عمودی - داریوس و ساوانیوس - و محور افقی - دوپره و سه پره - می باشد. آقای الکساندرو و همکارانش، بر روی معایب و مزایای توربین بادی ساوانیوس جهت استفاده در محیط شهری مطالعه کردند.
آنها با بررسی عملکرد آیرودینامیکی این توربین در شرایط ناپایدار، در جهت شناخت در حوزه جریان پیچیده در حال توسعه حول این توربین و ارزیابی عملکرد آن گام برداشتند که هدف اصلی آنها در این پژوهش بوده است . - Alessandro et al, 2010 - آقای مورای و همکارانش، بر روی میدان جریان تعاملی حول دو توربین بادی ساوانیوس مطالعه کردند. در این تحقیق آنها با ترکیب چند توربین بادی در صفحه افقی توانستند قدرت بیشتری را در پیکربندی خاص تولید کنند. علت این امر ناشی از تعامل میان دو میدان جریان در اطراف توربینهای منفرد است - Murai et al, . - 2011 آقای الهارون، و همکارانش، با بررسی آزمایشگاهی بر روی بهبود عملکرد توربین بادی ساوانیوس مطالعه کردند.
در این تحقیق مشخص شد توربین بادی با صفحات نهایی، کارایی بالاتری نسبت به توربین بادی بدون صفحات نهایی می دهد. جهت صحت سنجی، نتایج حاصل از اندازهگیری گشتاور استاتیک برای هر توربین بادی در سرعتهای مختلف باد، نتایج خلاصهشده این اثر را تایید کرد El- - . - Haroun et al, 2012 آقای داماک و همکارانش، بر روی آزمایشگاهی رفتار آیرودینامیکی توربین بادی پیچشی با زاویه چرخش 180 درجه در یک تونل باد مطالعه کردند. در این تحقیق نشان می دهد، تاثیر تغییرات عدد رینولدز جریان بر افزایش ضریب توان توربین بادی نشان داده شده است . - Damak et al, 2013 - آقای کانگ و همکارانش، بر روی جنبههای دینامیک سیالات توربین بادی ساوانیوس مطالعه کردند.
در این تحقیق الگوهای جریان در نزدیکی توربین بادی با توزیع فشار استاتیکی در نزدیکی توربین بادی نشانداده شدهاست. در این تحقیق، نیروهای آیرودینامیک، گشتاور شفت و توزیع تنش داخلی، مشکلات ایجاد شده توسط تیغههای خمیده و چرخش روتور نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است . - Kang et al , 2014 - آقای ریو و همکارانش، بر روی اثرات صفحات پایانی با شکلها و اندازه های مختلف در توربین بادی ساوانیوس مطالعه کردند. آنها در این تحقیق به صورت آزمایشگاهی، اثرات صفحات پایانی را با اشکال و اندازه های مختلف در عملکرد آیرودینامیکی توربین های بادی بررسی کردند . - Ryu et al, 2015 - آقای لی و همکارانش، بر روی اثر زاویه چرخش بر عملکرد توربین بادی مطالعه کردند.
هدف از این مطالعه بررسی ویژگیهای شکل یک پره توربین بادی در زوایای مختلف بر عملکرد آن است. در این پژوهش، ضریب قدرت و ضریب گشتاور برای زوایای تیغه 0، 45، 90 و 135 درجه، تحت شرایط مساحت ثابت و نسبت ابعادی یکسان بررسی شدند. نتایج عددی مورد بحث در این مقاله با استفاده از مدل - k-Stokes - به دست آمده است. علاوه بر این، یک آزمایش در یک تونل بادی بزرگ انجام شد و نتایج با مقادیرحل عددی مقایسه شدند . - Lee et al, 2016 - آقای چونگ و همکارانش، در مقاله خود، مروری بر پیشرفت عملکرد توربینهای بادی محور عمودی با استفاده از سیستمهای تقویت کننده جریان هوا مطالعه کردند. این مقاله به طور گسترده سیستمهای تقویت کننده جریان هوا را بررسی کرده و اطلاعاتی در مورد تکنیکهای افزایش جریان را به محققان ارائه میدهد.
سیستم افزایش جریان قادر به افزایش ضریب توان، CP، و در نتیجه بهبود قدرت خروجی توربینهای بادی میباشد. طبق این مقاله برخی سیستمهای تقویت کننده جریان هوا قادر به افزایش حداکثر قدرت خروجی تا % 910 هستند. همچنین در این پژوهش، روشها و طراحیهای مورد استفاده برای کاهش گشتاور منفی ایجاد شده بر توربین بادی مورد بحث قرار گرفتهاند . - Wong et al, 2017 - آقای کومار و همکارانش، بر روی عملکرد توربین بادی محور عمودی در مناطق شهری مطالعه کردند. در این مقاله، مروری بر برخی تحولات عمده توربین بادی محور عمودی با تمرکز بر یکپارچهسازی برای زیرساخت شهری است.
در این پژوهش، تحقیقات قابلتوجهی در زمینه انواع فنآوری های توربین بادی و روشهای ارزیابی آن منتشر شده و چندین پیشنهاد برای پذیرش توربینهای بادی در مناطق شهری تدوین شدهاست. ویژگی هایی که برای گسترش توربین های بادی محور عمودی در مناطق شهری با مقیاس بزرگ پیشنهاد شدهاست شامل عملکرد خوب تحت باد ضعیف و ناپایدار، بدون سرو صدا و نگرانیهای ایمنی، و از نظر زیبایی بسیار مهم شمرده شده اند . - Kumar et al, 2018 - در تحقیق حاضر، توربین بادی از نوع ساویانوس با پره مارپیچی و از جنس های مخنلف ارائه شده است. برای بررسی این توربین بادی، معادلات حاکم بر توربین استخراج شده و به روش های تحلیلی و عددی حل گردیده است و پارامترهایی از قبیل سرعت و فشار بررسی شده است و برای اندازه های متفاوت و جنس های مختلف مقایسه گردیده است.
توضیح مسئله و معادلات حاکم
در این تحقیق، توربین بادی ساوانیوس در نظر گرفته شده مطابق با شکل - 1 - با توان تولید 500 وات برق، دارای مشخصات فیزیکی مطابق با جدول - 1 - می باشد:
برای مدل سازی توربین بادی ساونیوس مارپیچی موردنظر در این پژوهش با کمک جریان سه بعدی وارد شده از بالای توربین به همراه تغییرات فشار سنجیده می شود و تاثیر طول توربین بر عملکرد آن، مورد مطالعه قرار می گیرد. این حالت درک بهتری از فیزیک توربین مورد بحث را به ما می دهند. از آنجائیکه این توربین حالت مارپیچی داشته است جریان و فشار در این حالت تاثیرات متفاوتی را بر توربین خواهند گذاشت. که اثرات هر کدام به طور دقیق در این حالت مورد بررسی قرار خواهند گرفت. در ادامه، معادلات و شرایط مرزی برای این حالت در مختصات استوانه ای، استخراج شده و به روش عددی و تحلیلی بررسی شده است.معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی برای حالت جریان سه بعدی وارد بر توربین بادی:
