بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله ی اخیر مختصری در باب انرژی بادی و توربین های بادی توضیح داده شده است سپس یک توربین بادی محور عمودی داریوس بسیار کوچک طراحی شده است. نمودارهای ضریب عملکرد و توان خروجی بر حسب نسبت سرعت های بی بعد نوک پره ی مختلف حاصل شده است. همچنین میزان توان خروجی برای هر سرعت باد پیش بینی شده و گشتاور وارد بر محور روتور برای هر زاویه ی موقعیت روتور محاسبه شده است. برای این کار از یک کد کامپیوتری درمحیط نرم افزار متلب استفاده شده است.
-1 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
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
شکل - - 1 میانگین سرعت باد در ارتفاع 40 متری از سطح زمین در مناطق مختلف ایران را نشان میدهد. مناطق با رنگ قرمز پررنگ، قرمز کم رنگ و نارنجی مناطق مناسب برای ایجاد مزارع بادی توربین های محور افقی است. می توان در مناطقی که سرعت متوسط باد در آنها کم تر است و بیشتر مساحت نقشه را می پوشاند از توربین های محور عمودی استفاده کرد.
شکل - 1 - میاینگین سرعت باد در ارتفاع 40 متری در ایران
-2 آیرودینامیک روتور-طراحی توربین
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 - هاول،. - 2010 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 VR R 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. پره ها مستقیم بوده و از ایرفویل NACA 0016 استفاده شده 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.
