بخشی از مقاله
چکیده
استفادهي بهینه از انرژي باد، به عنوان یکی از بزرگترین منابع انرژي در طبیعت از گذشته مورد توجه بوده است. با این وجود توربینهاي باد امروزي مشکلاتی دارند که مانع از محبوبیت استفاده از آنها در برخی از مناطق، به ویژه مناطقی با سرعت باد پایین میگردد. اینولاکس با ایدهگیري از بادگیرهاي سنتی، باد را در قسمت فوقانی جمعآوري کرده و سپس با عبور آن از لولههاي قیف مانند، باد را به یک قسمت همگرا-واگرا هدایت میکند که در نتیجه سرعت باد در گلوگاه افزایش مییابد.
از آنجایی که توان تولید شده توسط توربین با توان سوم سرعت باد و مساحت روتور رابطهي مستقیم دارد؛ با افزایش سرعت باد میتوان از توربینی با ابعاد به مراتب کوچکتر براي تولید انرژي استفاده کرد. توربین - ها - در گلوگاه ونچوري قرار میگیرد. در این پژوهش، طراحی اینولاکسی که بتواند سرعت باد در ونچوري را به حدود دو برابر افزایش دهد، انجام شده است. براي بررسی نسبت افزایش سرعت، مدلی از اینولاکس طراحی شده، ساخته و در تونل باد تست شده است.
در ادامه به طراحی و تحلیل آیرودینامیکی توربین باد مناسب جهت نصب در اینولاکس طراحی شده، با استفاده از تئوري اصلاح شدهي اندازه حرکت المان پره پرداخته میشود. همچنین مدل توربین باد طراحی شده، ساخته و در تونل باد تست شده است. تست اینولاکس طراحی شده نشان میدهد سرعت در گلوگاه ونچوري سیستم بادرسان، دو برابر شده است. همچنین مشخصات عملکردي توربین مدل، نظیر ضریب توان با نتایج حاصل از تئوري المان پره مقایسه میشود. بررسی نتایج حاصل از تستهاي آزمایشگاهی نشان میدهد که طراحی انجام شده به روش تئوري المان پره از اعتبار و دقت لازم برخوردار است.
-1 مقدمه
ایدهي استفاده از یک دیفیوزر براي افزایش توان خروجی توربین بادي محور افقی از چند دهه پیش مطرح بوده است .[1,2] اعلایی و آندرپولوس با ایدهگیري از بادگیرها که باد را از هر طرف جذب کرده و به داخل میآورند، استفاده از سیستم بادرسان اینولاکس را پیشنهاد کردند .[3] کومار و همکارانش [4] مدلی از سیستم اینولاکس را ساخته و تست کردند که قادر بود سرعت باد را به 1/76 برابر افزایش دهد.
اینولاکس قادر است که باد را از جهات مختلف جذب کرده و پس از عبور آن از بخش همگرا-واگرا، سرعت باد در ونچوري را افزایش دهد. گلوگاه ونچوري اینولاکس، محل نصب توربین - ها - است. بسته به سرعت باد منطقه، ارتفاع و هندسه اینولاکس و نوع توربین باد، امکان استفاده از چند توربین به صورت سري نیز در ونچوري وجود دارد. با این کار، عملاً میتوان از توربینهاي کوچک با دور زیاد به جاي توربینهاي بزرگ و با دور کم استفاده کرد.
اساس کار اینولاکس به این صورت است که در ورودي خود، باد را جمعآوري نموده و پس از افزایش سرعت، باد از توربین عبور کرده و در نهایت انرژي الکتریکی تولید میشود. پنج قسمت اصلی سیستم اینولاکس در شکل 1 نشان داده شده است. این اجزاء به ترتیب عبارتاند از: -1 ورودي باد، -2 هدایت و تمرکز باد، -3 افزایش سرعت باد با استفاده از ونچوري، -4 افزایش سرعت باد و محل نصب توربین و -5 دیفیوزر. توربین - ها - درون ونچوري اینولاکس قرار داده شده است.
در ونچوري فشار دینامیک بسیار بالا است؛ در حالی که فشار استاتیک پائین است. توربین، فشار دینامیک یا انرژي جنبشی باد را به انرژي مکانیکی تبدیل و سرانجام با استفاده از یک ژنراتور آن را به انرژي الکتریکی تبدیل میکند. افزایش سرعت باد در اینولاکس تولید انرژي بیشتري را به وسیله پرههاي بسیار کوچکتر امکانپذیر مینماید. توان تولیدي توربین باد با استفاده از رابطهي به دست میآید. با توجه به این که این توان تولیدي با توان سوم سرعت و توان دوم قطر رابطهي مستقیم دارد، با 2 برابر شدن سرعت باد امکان استفاده از پرههایی با ابعاد 84 درصد کوچکتر براي تولید انرژي وجود دارد. این مسأله باعث کاهش هزینههاي تعمیرات و نگهداري نسبت به توربینهاي باد سنتی میشود.[6]
-1-1 مزایاي اینولاکس
به طور کلی مزایاي به کارگیري تکنولوژي اینولاکس در مقایسه با توربینهاي بادي رایج عبارت است از:
- توجیه اقتصادي و زمان بازگشت سرمایه کم
- عدم نیاز به سیستم کنترل جهتیابی باد
- قابل بهرهگیري در مناطقی با سرعت باد کم؛ به صورتی که حداقل سرعت باد ورودي براي کارکرد توربین بادي اینولاکس 2 مایل بر ساعت بوده، در حالی که این عدد براي توربینهاي باد سنتی برابر 8/5 مایل بر ساعت است .[5]
- عدم وجود مشکلات محیطزیستی مانند آلودگی صوتی و صدمه به پرندگان
- عدم یخ زدن ژنراتور و پرههاي توربین با توجه به نصب توربین در نزدیکی زمین
- کارکرد توربین کوچک در سرعتهاي بالا و عدم نیاز به جعبهدنده
- عدم تداخل الکترومغناطیسی با سیستمهاي راداري
- امکان استفاده از چند توربین در ونچوري و قابلیت کنترل قدرت باد در این پژوهش، در ابتدا با استفاده از نرمافزار سالیدورکز1 یک نمونه اینولاکس با 4 پرهي هادي جریان و با زاویهي 45 درجه نسبت به ونچوري طراحی شده است. در ادامه مدل اینولاکس در داخل تونل باد مورد تست قرار گرفته و میزان افزایش سرعت باد در ونچوري در حالتهاي مختلف قرارگیري اینولاکس نسبت به راستاي باد مشخص شد که این افزایش در حالت- هاي مختلف حدود 2 برابر بوده است.
در ادامه به طراحی توربین باد مناسب جهت قرارگیري در گلوگاه سیستم اینولاکس طراحی شده، پرداخته شده است. براي طراحی پره توربین باد از سه ایرفویل S835، S833 و S834 در مقاطع مختلف استفاده شده است. براي تعیین طول خط وتر2 ایرفویلها و همچنین زاویه پیچش3، در مقاطع مختلف از تئوري اشمیتز4 استفاده شده است. پرهي طراحی شده با استفاده از تئوري اصلاح شدهي اندازه حرکت المان پره5 تحلیل و مشخصات عملکردي توربین معین شده است. مدلی از توربین باد طراحی شده به کمک پرینتر سه بعدي ساخته شده و در تونل باد تست شده است تا نتایج حاصل از روش تئوري المان پره با نتایج به دست آمده از تست آزمایشگاهی مقایسه شود.
-2 تست مدل اینولاکس ساخته شده در تونل باد
در شکل 2 نمایی از اینولاکس طراحی شده به کمک نرمافزار سالیدورکز نشان داده شده است. ارتفاع اینولاکس طراحی شده 21 متر، قطر گلوگاه ونتوري 1/8 متر و ارتقاع مکش هوا 6 متر است. در این طراحی از 4 پره هادي با زاویه قرارگیري 45 درجه استفاده شده است. این پرهها به هدایت جریان و افزایش سرعت نهایی در گلوگاه ونچوري کمک میکنند .[7]
مدلی از اینولاکس طراحی شده با مقیاس 1:50 به روش پرینت سه بعدي ساخته شده است. شکل 3 مدل ساخته شده را نشان میدهد که در مقاطع a و b دو سوراخ براي اندازهگیري فشار استاتیک جریان هوا تعبیه شده است. با اندازهگیري اختلاف فشار استاتیک جریان هوا در این دو مقطع، میتوان سرعت در گلوگاه ونچوري را اندازهگیري کرد.
