بخشی از مقاله
چکیده
محدودیت منابع تجدید ناپذیر، گران قیمت بودن و از طرفی اثرات زیانبار آلایندهها بر محیط زیست، موجب روی آوردن به استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر در سالهای اخیر شده است. یکی از منابع مهم انرژیهای تجدیدپذیر، استحصال انرژی از دریا و آبهای جاری میباشد. روشهای گوناگونی به منظور استفاده از انرژی دریاها معرفی شدهاند که یکی از این روشها استفاده از انرژی امواج و جریانهای دریایی است. ای ن جریانات، انرژی جنبشی زیادی را انتقال میدهند.
استحصال انرژی از این جریانات، مشابه جریان باد است و با استفاده از توربین مشابه توربین بادی انجام میگیرد . توربینهای محور افقی رایجترین نوع توربینهای دریایی هستند که طراحی آنها شبیه توربینهای بادی است. با توجه به پتاسیل و ظرفیت دریایی کشور ما، هدف از این مطالعه، طراحی و مدلسازی توربین آبی جهت استحصال انرژی از جریانات آبی میباشد. پس از انجام مطالعات در زمینه توربینهای آبی، توربین محور افقی سه پره انتخاب و به کمک روش عددی، مقطع هیدروفویل و زاویه نصب برای پروانه این توربین طراحی گردید.
در ادامه و پس از تکمیل طراحی توربین، بررسی عملکرد آن به کمک مدل MRF در نرم افزار انسیس-فلوئنت برای توربین مدل در سرعتهای مختلف جریان و چرخش توربین انجام گرفت. در نهایت نمودار عملکرد و توان توربین مدل در شرایط مختلف ارائه گردید. با توجه به نتایج بدست آمده از شبیهسازی، زاویه نصب بهینه هیدروفویل بر روی هاب 7 درجه است. همچنین توان توربین در سرعت جریان 0/5 تا 2 متر بر ثانیه بر حسب وات ارائه گردید.
مقدمه
با توجه به مسائل زیستمحیطی که توسط منابع انرژی فسیلی بهوجود میآید، امروزه کاهش اثرات این منابع یکی از اولویتهای اصلی در برنامهریزیهای انرژی میباشد. در این زمینه در کنار تلاش برای حداکثر صرفهجویی در مصرف انرژی، مهمترین موضوع، جایگزینی این منابع انرژی، با انرژیهای تجدیدپذیر است. از میان انرژیهای تجدیدپذیر، انرژیهای دریایی از پاکترین و پرظرفیتترین انرژیها به شمار میرود و به همین دلیل کشورهای پیشرفته دنیا، برنامههای جامعی برای استحصال انرژی از دریاها و اقیانوسها دارند. منشا انرژیهای دریایی نیز مانند همه انرژیهای مورد استفاده، خورشید میباشد. انرژیهای قابل استحصال از دریا به طور کلی شامل منابع زیر است :[1]
انرژی امواج انرژی باد
انرژی اختلاف گرمایی انرژی اختلاف چگالی - شوری -
انرژی جزر و مد - جریانات دریایی - انرژی جزر و مد به دو روش کنترلی و غیر کنترلی قابل استحصال است. روش کنترلی با استفاده از سدها و غیر کنترلی با استفاده از جریان آزاد آب ها اتفاق میافتد. در این مطالعه هدف، طراحی و مدلسازی توربین آبی با کاربرد در آبهای آزاد به صورت زیرسطحی می باشد. لذا، در ادامه به معرفی این دسته از توربینها پرداخته میشود. جریانات دریایی در حین حرکت، انرژی جنبشی زیادی را انتقال میدهند. این جریانات، ممکن است به صورت جریانات ناشی از جزر و مد یا جریانات پایدار اقیانوسی باشند.
استحصال انرژی از این جریانات، مشابه جریان باد است و با استفاده از توربین مشابه توربین بادی انجام میگیرد. البته به علت چگالی بسیار بیشتر آب نسبت به هوا، این انرژی در سرعت مساوی حدود 1000 برابر بیشتر است. میتوان این فناوری را در مناطقی که سرعت جریان جزر و مدی بالاست و یا در مناطقی که جریانات پایدار اقیانوسی سرعت قابل قبولی دارند، نصب کرد .[2] شرکت انگلیسی MCT1 در این زمینه پیشرو بوده، پس از نصب توربینهای 300 کیلوواتی سیجن1 در خلیج بریستول2، هم اکنون در حال نصب توربینهای 1/2 مگاواتی در شمال ایرلند است.
این فنآوری بسیار شبیه توربینهای بادی کار میکند و از جریان سیال آب جهت چرخاندن پرههای بزرگ استفاده مینماید. میتوان این فنآوری را در مناطقی نصب کرد که سرعت جریان جزر و مدی بالا بوده یا جریانات پایدار اقیانوسی سرعت قابل قبولی دارند. توربین سیجن از دو پره دایرهای با قطر 15 تا 20 متر تشکیل شده است. سرعت چرخش این پرهها 12 دور در دقیقه است که برای جانوران بزرگ دریایی خطرناک نباشد. در کشور ما نیز به علت وجود تنگهها و خورهای دارای جریانات با سرعت قابل توجه، احتمال امکان استفاده از این فنآوری وجود دارد .[1] توربین هایجزر و مدی در اکثر مطالعات به شش دسته اصلی شامل موارد زیر تقسیمبندی میشوند :[3]
توربینهای محور افقی توربینهای محور عمودی هیدروفویلهای نوسانی توربینهای ونتوری پروانه ارشمیدسی توربینهای بادبادکی توربینهای محور افقی رایجترین نوع توربینهای دریایی هستند. پرههای توربین، حول یک محور افقی دوران میکنند و جریان در راستای محور توربین وارد آن میشود. جریان جزر و مدی باعث ایجاد جریان آب شده، در نتیجهی آن، روتور حول محور افقی دوران کرده، توان تولید میشود .[4 ,3] - 0 -
تیغههای روتور این نوع توربینها، انرژی جنبشی جزر و مد را به انرژی مکانیکی درون شفت و سپس در ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. همانطور که بیان شد، انواع مختلفی از طرحها به منظور بهرهبرداری از انرژی جنبشی موجود در جریان جزر و مدی توسعه یافتهاند. براساس گزارش منتشر شده از سوی مرکز تحقیقات مشترک اتحادیه اروپا - JRC - و نیز با استناد به تحقیقات انجام شده در زمینه توسعه دستگاههای جزر و مدی در سطح جهان، روند تحقیق و تلاش برای توسعه توربینهای با محور افقی نسبت به توربینهای دیگر در سطح جهان از برتری بیشتری برخوردار است 76 - درصد - و در نتیجه توربین با محور افقی رایجترین نوع دستگاه جزر و مدی در سطح جهان میباشند.
در زمینه مدلسازی توربینهای آبی، کارهای کمی صورت گرفته است. در ادامه به معرفی برخی از کارهای انجام شده در این زمینه توربینها پرداخته شده است. واچان و سانتیورکان [6] در سال 2016 در یک مطالعه عددی به بررسی تاثیر شکل تیغهها بر عملکرد توربین پرداختند. بدین منظور پنج مدل مورد بررسی قرار گرفت و در نهایت بازده و گشتاور هر مدل، ارائه گردید. ولانگ و همکاران [7] در سال 2016 در یک کار عددی به شبیهسازی و طراحی یک توربین آبی زیرسطحی پرداختند. در این شبیهسازی برای مدلسازی گردابهها و تخمین گشتاور از مدل آشفتگی k-استفاده شد. با توجه به نتایج مدلسازی، بیشینه ضریب قدرت 0/327 است.
تد و همکاران [8] در سال 2011 منحنیهای عملکردی توربین را بر اساس پارامترهایی نظیر تعداد تیغه، زاویه نصب و سرعت جریان ارائه نمودند. مایکل و همکاران [9] در سال 2011 به روش CFD به مدلسازی یک توربین جزر و مدی در سرعتهای مختلف پرداختند و اثرات گام زمانی و چگالی مش را مورد بررسی قرار دادند. لی و همکاران [10] توربین باد محور افقی را با مدلهای مختلف آشفتگی RANS و DES شبیهسازی کردند.
پاین و همکاران [11] در سال 2017 جزئیات طراحی و مدلسازی آزمایشگاهی و عددی توربین آبی محور افقی را ارائه دادند. در این مطالعه ابتدا به جزئیات طراحی بلید توربین پرداختند و سپس بارگذاری را بر روی پایه بررسی کردند. افگان و همکاران [12] در سال 2012 به تحلیل و بررسی توربین محور افقی جزر و مدی پرداختند. این توربین شامل سه پره است که در این مطالعه عددی به بررسی روش مدلسازی آشفتگی RANS و LES پرداخته شد. آران و کینانس [13] در یک مطالعه عددی پره توربین با کاربرد دریایی طراحی کردند. در این مطالعه به بهینه سازی پره با توجه به طول کورد و ضخامت پرداخته شد.
در این مطالعه با توجه به اهمیت انرژهای جریانات آبی و ظرفیت کشور در استفاده از این نوع انرژی به طراحی و مدلسازی هندسی یک توربین آبی محور افقی پرداخته شده است. برای طراحی توربین آبی پس از انجام مطالعات اولیه به مدلسازی هیدروفویلهای گوناگون در زوایای مختلف پرداخته شد تا هیدروفویل مناسب در محدوده رینولدز مورد انتخاب و زاویه نصب بهینه تعیین گردد. پس از تکمیل مدل سه بعدی شبیه سازی عددی برای سرعت های مختلف جریان انجام شد تا سرعت دوران توربین، گشتاور خروجی و توان توربین به دست آید.
1. مدلسازی هندسی توربین
برای طراحی پرههای توربین ابتدا باید مقطع هیدروفویل و زاویه هر مقطع نسبت به جهت حرکت آب یا نسبت به ریشه پره - زاویه پیچ - 1 مشخص گردد. بدین منظور ابتدا هیدروفیل موردنظر در نرم افزار انسیس فلوئنت به صورت دو بعدی و تک فازی در سرعت و زوایای حمله مختلف مورد بررسی قرار میگیرد. سپس با توجه به منحنیهای عملکرد هیدروفویل، زاویه قرارگیری مناسب در هر مقطع تعیین میگردد. در ادامه میبایست پره سه بعدی و هاب توربین طراحی گردد. قطر هاب بر اساس مطالعات با توجه به نسبت قطر توربین به قطر هاب تعیین شده است. مقدار قطر هاب باید به گونهای باشد که با قرارگیری ژنراتور در ناسل و با توجه به ویژگی هیدرودینامیکی ناسل منافاتی نداشته باشد.
مقطع منتخب از سری پنچ رقمی NACA 63-8xx است که بر اساس شبیهسازیهای انجام شده در محدوده رینولدز کاری، نسبت لیفت به درگ بالا به دست آمده است .[14] قابل ذکر است که این نوع هیدروفویل در چنین توربینهایی بارها مورد استفاده واقع شده است .[17-15] مقطع این پره در شکل 2 نشان داده شده است. با استفاده از این مقطع طراحی اولیه پره توربین در نرمافزار کیوبلید[18] 2 و سپس در نرمافزار سالیدورکس تصحیح و نهایی شده است. در شکل 3 نمایی از طراحی نهایی پره آورده شده است که به صورت مقاطعی با ضخامت هیدروفویل و زاویه پیچش مختلف به هم متصل شدهاند. زاویه حمله مقاطع مختلف بر حسب نتایج مدلسازی دو بعدی مقطع در زوایای حمله مختلف تعیین شده است. نتایج مدلسازی در بخش نتایج ارائه شده است. در شکل 4 مدل نهایی توربین جریان آبی زیرسطحی ارائه شده است.
