بخشی از مقاله
چکیده:
استفاده از انرژی باد برای تولید برق به کمک توربین بادی از کاربرد های سبز تولید انرژی می باشد انرژی باد ارزان ترین، پاک ترین ومناسب ترین شکل انرژی های نو می باشد.و مورد توجه بسیاری از کشور ها و جامعه جهانی قرار گرفته است . هدف×در×این×پژوهش×بررسی ایرفویل مناسب جهت بیشینه×نمودن×توان×خروجی×پره× است؟ بنابراین در این مقاله قصد داریم به طراحی آیرودینامیکی روتور یک توربین بادی محور افقی و طراحی مقطع پره و در پایان به ارزیابی و بررسی طرح بدست آمده بپردازیم
در ابتدای مقاله انواع توربین های بادی و قسمت های مختلف یک توربین بادی معرفی گردیده است و سپس در مورد مراحل انجام شده در طراحی پره توضیحاتی ارایه گردیده در این راستا چند ایرفویل متداول ناکا انتخاب و تاثیر ضخامت ایرفویل بر عملکرد توربین، مورد بررسی قرار گرفت هندسه پره در نرم افزار گمبیت ترسیم و شبکه بندی شده و برای حل از نرم افزار فلوئنت که پایه آن بر اساس روش حجم محدود می باشد استفاده گردید. جهت اطمینان از کیفیت شبکه و تعیین مدل آشَفتگی مناسب ، جریان اطراف پره به صورت پایا و در رینولدز پایین مورد بررسی قرار دادیم .و در پایان نیز نتایج استخراجی با نتایج تئوریک و عملی دیگر محققین مقایسه می شود تا اطمینان لازم از نتایج حاصل شود.
مقدمه
تحولات زیست محیطی در جهان سبب نگرانی شدید کارشناسان و مسئولان شده است. از سوی دیگر بهبود استانداردها و سبک های زندگی ، گرم شدن بیش از اندازه کره زمین ، رشد بسیار زیاد تقاضای انرژی، و مشکلات محیط زیستی که ناشی از مصرف سوخت فسیلی در نیروگاه ها می باشد برای خروج از این مشکلات ، دو پشنهاد عرضه شده است :یکی بهینه نمودن مصرف انرژی در نیروگاه های سوخت فسیلی و دیگری بهره گیری از انرژی های نو و تجدیدپذیر می باشند. بهینه نمودن مصرف سوخت های فسیلی با توجه به محدودیت های تئوری و عملی تا اندازه ای می تواند باعث کاستن از تولید آلاینده ها شود . بنابراین روش اصلی و بهتر استفاده از انرژی های تجدیدپذیر و نو به جای مصرف سوخت های فسیلی است.
در نتیجه استفاده از انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی باد و خورشیدی به شدت مورد توجه قرار می گیرد. پره توربین بادی نقش بسیار مهمی در بازده و توان خروجی یک توربین بادی ایفا می کند که باعث شده تحقیقات فراوانی در زمینه بهینه سازی پره توربین بادی صورت پذیرد . طراحی و ساخت پره و روتور توربین بادی، بعنوان بخشی از مجموعه که کار تبدیل انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی دورانی مفید برای تولید انرژی الکتریکی بعهده دارد، حائز اهمیت بسیار است. بنابراین یکی از مسائل مهم در مهندسی مکانیک بررسی رفتار آیرودینامیک توربین های بادی می باشد.
روند طراحی یک توربین بادی یک فرایند چند جانبه بوده و بخش های مختلفی از مهندسی از جمله آیرودینامیک ، مقاومت مصالح ، علم مواد ، برق ، کنترل و ساخت و تولید را در بر می گیرد اما با اطمینان می توان ادعا کرد که آیرودینامیک نقطه آغاز فرایند طراحی بوده و مهم ترین ترین نقش را در آن دارد ، طراحی آیرودینامیکی یک توربین باد عبارت است از بدست آوردن یک هندسه مناسب از جمله قطرتعداد پره و مهم تر از همه شکل پره ، ضخامت ، طول وتر و ... را شامل می شود ؛تا بتوان با در نظر گرفتن شرایط محیطی بیشترین بازده ی انرژی و توان تولیدی را داشته باشد .
طراحی مقطع آیرودینامیکی جدید انجام شده می تواند پایه و اساسی برای جنبه های دیگر طراحی توربین باشد و به گونه ای است که نتایج حاصل به حالت واقعی و قابل بهره برداری به صورت عملی نزدیک بوده و در نهایت کم ترین نیاز به بهینه سازی را دارد . اصولا بهینه سازی پره ها به دو منظور صورت می گیرد، اول اینکه با داشتن انرژی ثابت باد ، بیشترین بازده را توربین بادی داشته باشد ، و در نتیجه نیروی برا را افزایش دهد و دوم اینکه با دارا بودن انرژی بیشینه بتوان ،وزن پره را کاهش و مقاومت های مکانیکی پره را افزایش داد. بهینه سازی پره ها نیازمند شناخت کافی از نحوه رفتار سیال در هنگام برخورد با آنها که اغلب با جدایی و چرخش همراه است، می باشد. و با بهبود پره ها می توان بازده توربین بادی را افزایش داده و در نهایت چنانچه خوب طراحی شده باشند راندمان سیستم بطور چشمگیری افزایش می یابد.
انرژی بادی :
انرژی حاصل از جریان باد متناسب با توان سوم سرعت باد می باشد. به این معنی که اگر سرعت باد را دو برابر کنیم ، انرژی حاصل شده از توربین یا همان انرژی پتانسیل قابل دسترس هشت برابر خواهد شد . چگالی نیروی باد - توان - روش مفیدی برای ارزیابی پتانسیل انرژی باد قابل دسترس است و واحد اندازه گیری آن وات برمتر مربع می باشد .چگالی نیروی باد - توان - بعنوان عاملی است که نشان می دهد چه مقدارانرژی قابل دسترس در هرمکان می تواند توسط توربین به جریان الکتریسته یا انرژی الکتریکی تبدیل گردد.
توربین بادی به توربینی گفته می شود که از آن جهت تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی - مانند آسیاب بادی - وسپس تبدیل انرژی مکانیکی حاصل از باد به تولید الکتریسته به کار میرود که در به اصطلاح به آن ها توان بادی می گویند . این توربین ها چنانچه در معرض وزش باد کافی قرار گیرند جریان برق تولید می کنند توربین های بادی یک منبع جایگزین انرژی اند که تجدید پذیر بوده؛ از آنجایی که هیچ گونه آلودگی ندارند با محیط زیست کاملا سازگارند. چرخش پره های توربین بادی ، شافت متصل به پره ها را می چرخاند که در نهایت ژنراتور متصل به این شافت بحرکت درآمده و الکتریسیته تولید می شود
انواع توربین های بادی :
با توجه به اینکه طراح های مختلفی برای توربین بادی ارائه شده ولی به طور عمده به دو دسته کلی بر اساس جهت محور چرخش تقسیم بندی می شوند:
محور افقی محور عمودی به لحاظ اینکه راندمان توربین های بادی محور افقی بیشتر از نوع محور عمودی است . لذا امروزه نوع دوم کمتر مورد استفاده قرار می گیرد .
توربین بادی با محور افقی
این نوع توربین ها رایج ترین توربین های بادی هستند که مورد استفاده قرار می گیرند.توربینهای بادی با محور افقی پره ها ، روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای یک برج قرار دارند و بایستی در راستای وزش باد قرار گیرند. محور شفت نسبت به زمین افقی است، باد در حال برخورد به تیغه ها باعث چرخش آن ها می شود. در توربینهای بادی کوچک برای تعیین جهت وزش باد از یک بادنمای ساده استفاده میکنند، ولی توربینهای بزرگتر معمولاً از یک سنسور باد که با یک سرووموتور در ارتباط است، استفاده میکنند.
در توربین های رو به باد، سطح دایره ای شکل حاصل از چرخش پره ها، اولین قسمتی از توربین است که باد به آن برخورد می کند و برای بدست آوردن بیشترین میزان انرژی بادی همواره باید محور توربین بر راستای وزش باد عمود باشد و این امر با کمک نصب بادنما و سیستم گرداننده انجام می شود و تقرباًی اغلب توربین های با محور افقی از نوع رو به باد با قابلیت حرکت در راستای وزش باد هستند . در مقابل بادهای شدید توربین ترمزی دارد که به سیستم استراحت می دهد و از هر گونه صدمه ای جلوگیری به عمل می آورد. برخی از مدلهای توربین بادی، در سرعت ثابت کار میکنند ولی توربینهای با سرعت متغیر انرژی بیشتری میتوانند تولید کنند؛ که به واسطه نیروی لیفت و درگ پرهها به حرکت در میآیند.
شکل - : - 1جزای تشکیل دهنده توربین بادی محور افقی
مزایای توربین افقی تیغه ها به سمت مرکز گرانش توربین اند که به ثبات آن کمک می کند.
تیغه ها برای قرار گیری در بهترین زاویه قابلیت پیچ و تاب دارند با پیچ کردن تیغه ها به روتور آسیب ها در طوفان به حداقل می رسد.
بلندی برج این امکان را می دهد تا دسترسی به بادهای شدید و قوی بیشتر شود.
قابل استفاده در زمین های ناهموار و دور از ساحل معایب توربین افقی کارکرد سخت در نزدیک سطح زمین سختی در حمل و نقل
مشکل در نصب و راه اندازی تعمیر و نگه داری آن سخت است
توربینهای بادی چگونه کار میکنند؟
توربینهای بادی انرژی جنبشی باد را به توان مکانیکی تبدیل مینمایند و این توان مکانیکی از طریق شفت به ژنراتور انتقال پیدا کرده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید میشود. توربینهای بادی بر اساس یک اصل ساده کار میکنند. انرژی باد دو یا سه پرهای را که به دور روتور توربین بادی قرار گرفتهاند را به چرخش درمیآورد. روتور به یک شفت مرکزی متصل میباشد که با چرخش آن ژنراتور نیز به چرخش درآمده و الکتریسیته تولید میشود.
روابط کلی حاکم بر توربین های بادی
در توربین باد یکی از پارامتر های مهم و موثر ضریب توان توربین است . ضریب توان نشان دهنده میزان دریافت انرژی توسط توربین از جریان باد مقابل است که به صورت رابطه زیر می باشد .
که بیانگر ضریب توان ، P توان خروجی توربین باد ،سرعت جریان دوردست باد و A بیانگر مساحت روبروی توربین باد است که R طول پره توربین است
حداکثر انرژی باد به لحاظ تئوری هنگامی به دست می آید که سرعت به صفر کاهش یابد
