بخشی از مقاله
چکیده _
در این مقاله به بررسی دور روش عددی BEM و CFD دو بعدی در طراحی توربین های بادی محور عمودی داریوس از نوع پره مستقیم و مقایسه ی آنها با داده های عملیاتی اندازه گیری شده در شرایط واقعی پرداخته شده است. طبق نتایج روش CFD دوبعدی از دقت بالاتری برخوردار بوده و حدود %30 با نتیج عملی اختلاف داشته است. این پروژه که قسمتی از ایده محوری شرکت دانش بنیان دانش سپهر نوین آرین - داسنا - بوده است، یکی از گام های اساسی در اجرایی شدن طراحی و ساخت توربین بادی محور عمودی 1kW از نوع پره مستقیم در شهرک علمی-تحقیقاتی اصفهان بوده است.
مقدمه
با افزایش نگرانی ها در مورد محیط زیست، تحقیقات در مورد منابع تجدیدپذیر انرژی سازگار با محیط زیست افزایش یافته است. تمرکز بر روی این منابع به دلیل افزایش آلودگی محیط زیست - آلودگی شیمیایی و حرارتی - ، افزایش تقاضای جهانی انرژی و کاهش ذخایر انرژی های فسیلی است. انرژی های تجدیدپذیر شامل انرژی خورشیدی، زیست توده، زمین گرمایی، برق آبی و بادی است. انرژی بادی یکی از این انرژی ها است که انتخاب های گوناگونی را در برابر پژوهشگران قرار داده است. این انرژی در حال حاضر سریع ترین میزان نرخ رشد را در بین دیگر منابع تجدیدپذیر دارا است.
دستگاه هایی که برای حصول انرژی باد استفاده می شوند توربین های بادی نام دارند. یک توربین بادی وسیله ایی است که انرژی انرژی جنبشی جریان باد را به انرژی دورانی محور روتور تبدیل میکند .[1] این توربین ها دو گروه اصلی محور افقی و محور عمودی را شامل می شوند. توربین های محور عمودی اولین وسایل برای حصول انرژی باد بوده اند. انواع توربین های محور عمودی شامل ترکیب بندی های داریوس، ساوونیوس،زِفیر و آسیاب های بادی سیستان هستند.
توربین های داریوس اولین بار در سال 1931 نصب شده اند. ترکیب بندی های متفاوتی برای پره ی توربین های داریوس وجود دارد که می توان به مدل های پره مستقیم، مارپیچی پیچیده و منحنی تروپوسکین اشاره کرد. همچنین تعداد پره ها می تواند از یک تا پنج پره - بسته به ملاحظات اقتصادی - باشد. توربین های داریوس بیشترین راندمان را در بین توربین های بادی محور عمودی دارند ولی مشکل اصلی آنها گشتاور پایین در لحظه ی شروع به کار و عدم یکپارچگی ساختار است.
همچنین زاویه ی گام پره ها می تواند ثابت و یا متغیر باشد. تغییر زاویه ی گام پره می تواند به افزایش گشتاور شروع به کار کمک کند. پره های گام ثابت ساختمان ساده تری دارند، در عوض گشتاور کمتری تولید می کنند
در حال حاضر توربین های محور عمودی در ابعاد بزرگ از نظر اقتصادی جذابیتی ندارند ولی برای مناطق دور از شبکه اصلی برق و مناطقی که توربین های محور افقی و مزارع بادی بزرگ قابلیت نصب ندارند مناسب هستند، به همین دلیل توربین های محور عمودی در ابعاد کوچک شیوع بیشتری یافته اند.
مشکلات اصلی توربین های محور عمودی کم بودن گشتاور شروع به کار، نیروی لیفت پره ها، بازده پایین و ساختار غیر یکپارچه ی آنهاست. در عوض مزایای این توربین ها نسبت به نوع محور افقی نیز به شرح زیر هستند:
. نسبت به جهت وزش باد حساس نیستند.
. پره های محور عمودی عمر بیشتری دارند زیرا تحت نیروی گرانش و اینرسی ثابت هستند.
. هزینه ساخت و تولید کمتری نسبت به نوع محور افقی دارند.
. نسبت به جریان های آشفته و متقاطع حساسیت کمتری دارند و از نظر مکانیکی توانایی کار در شرایط تندبادها و طوفان ها را به صورت ایمن دارند.
. به دلیل سرعت دورانی کمتر نسبت یه توربین های محور افقی، بی صداتر هستند [1] و .[3]
به دلایل فوق توربین های محور عمودی کوچک را می توان نزدیک زمین، روی بام خانه ها در محیط های شهری و روستایی و هرجایی که آشفتگی نسبت به سایت مزارع بادی بیشتر است نصب کرد.
پیشرفت در تکنولوژی توربین های بادی محور عمودی نیازمند افزایش ضریب عملکرد، قابلیت شروع به کار بهتر، بهینه سازی مشخصات آیرودینامیکی ایرفویل های مورد استفاده، توجه به تاثیرات صلبیت و زاویه گام پره ها است
مقاله ی حاضر در حقیقت بخشی از پروژه طراحی و ساخت توربین بادی 1kW محور عمودی داریوس از نوع پره مستقیم توسط شرکت دانش سپهر نوین آرین - داسنا - است. این پروژه به عنوان ایده محوری این شرکت دانش بنیان با طراحی مدل های مقیاس بسیارکوچک آغاز شد و در نهایت به توربین بادی محور عمودی 1KW ختم گردید. یکی از بخش های میانی این پروژه در ادامه آمده است.
آیرودینامیک روتور
صلبیت یکی از پارامترهای اساسی در توربین های داریوس است. این پارامتر سرعت چرخشی توربین را برای رسیدن به عملکرد بیشینه کنترل میکند. صلبیت بالا معمولا به نسبت سرعت نوک پره ی پایین که یکی دیگر از پارامترهای اساسی است منجر می شود و راندمان توربین کاهش می یابد. در نسبت سرعت نوک های بالا پره ها اندرکنش قوی تری با جریان دنباله ی بالا دست خواهند داشت. صلبیت و نسبت سرعت نوک هر دو نسبت هایی بی بعد هستند که به ترتیب به وسیله روابط - 1 - و - 2 - معرفی می شوند.
در این رابطه N تعداد پره، C طول وتر پره - ایرفویل - ، R شعاع روتور، سرعت دورانی روتور بر حسب رادیان بر ثانیه و V سرعت جریان آزاد است. شکل - - 2 ترکیب بندی توربین داریوس مورد مورد بررسی را نشان می دهد و شکل - - 3 مثلث های سرعت را برای پره ی اول هنگامی که در موقعیت درجه از مبدا قرار دارد نشان می دهد. در شکل - - 3، V سرعت مطلق سیال تحت تاثیر چرخش جریان درون ناحیه ی تحت تاثیر روتور است. U سرعت خطی پره است که معادل 5 است و بر مسیر حرکت پره مماس است. W سرعت نسبی جریان نسبت به پره است.
جریان هوای آزاد به سمت روتور حرکت می کند، روتور مقداری از انرژی جنبشی جریان را جذب می کند و جریان هوایی که توربین را ترک می کند دارای محتوای انرژی کمتری نسبت به جریان ورودی است - اصل بقای انرژی - . به عبارت دیگر توربین مانند یک سایه بان در مقابل باد عمل می کند و دنباله ایی از باد متلاطم و با سرعت کم در پشت توربین تشکیل می شود.
جریان آزاد باد
شکل - - 1 پیکربندی توربین داریوس سه پره ایی پره مستقیم مورد بررسی
- در حقیقت آنالیز آیرودینامیکی - توربین های بادی روش های مختلفی بسته به نوع توربین ها وجود دارد. روش استفاده شده در طراحی توربین حاضر مومنتوم المان پره BEM1 بوده است. این روش معمولا برای طراحی توربین های بادی محور افقی استفاده می شود که برای استفاده در توربین های محور عمودی داریوس با پره مستقیم ساده سازی و سازگار شده و در برنامه متلب کد نویسی شده است.
اولین کار در طراحی توربین های بادی انتخاب پروفیل پره ها - ایرفویل - است. از آنجا که نیروهای آیرودینامیکی وارد به پره به شدت به ایرفویل پره ها وابسته است، انتخاب صحیح آنها برای کاربرد های خاص باید در چشم انداز طراح جایگاه ویژه داشته باشد. تاثیر ایرفویل ها در روابط طراحی با توجه به ضرایب آیرودینامیکی برآ 2 و پسا3 است. شکل - 3 - و - 4 - به ترتیب نشان دهنده ی توزیع سرعت و فشار اطراف ایرفویل منتخب برای زاویه حمله ی صفر درجه در شبیه سازی دو بعدی دینامیک سیالات محاسباتی4 هستند.
شکل - - 2 مثلث های سرعت برای پره ی اول هنگامی که روتور درجه چرخیده است[5]
طراحی و ابعاد توربین بادی مورد بررسی
طراحی در توربین های بادی در حقیقت پیش بینی عملکرد است. بنا به تحقیقات انجام شده تا به حال روشی برای طراحی توربین های بادی به صورتی که توان مشخصی به صورت ورودی داده شده و ابعاد و هندسه ای به صورت خروجی حاصل شود، وجود ندارد.
