بخشی از مقاله
چکیده _
امروزه انرژیهای تجدیدپذیر همچون انرژی بادی و خورشیدی جایگزینی مناسب برای تولید برق در مقابل استفاده از سوختهای فسیلی میباشند. از میان انرژیهای تجدیدپذیر، انرژی بادی به دلیل رایگان و در دسترس بودن به شدت مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از نرم افزارهای قدرتمند در حوزه بررسی عملکرد ایرودینامیکی توربینهای محور عمودی و افقی، نرمافزار q-blade است.
روش ایرودینامیکی به کار گرفته شده در این نرمافزار برای توربینهای محور افقی روش ممان المان پره و برای توربینهای محور عمودی روش لوله جریان چندگانه دوبل میباشد. روش ممان المان پره روشی ساده و دقیق برای بررسی عملکرد ایرودینامیکی توربین است که به صورت گسترده در میان طراحان مورد استفاده قرار میگیرد.
این روش زمان محاسباتی کمی را به خود اختصاص میدهد اما در عین حال از دقت کافی برخوردار است. در این پژوهش دو توربین بادی 500 کیلوواتی دو پرهای و سه پرهای طراحی شده است و از نقطه نظر ایرودینامیکی مورد بررسی قرار گرفتهاست. پس از آن با استفاده از نرم افزار SAM به تحلیل اقتصادی این دو توربین پرداخته شدهاست. نرم افزار SAM نرم افزاری قوی در تحلیل اقتصادی انرژیهای تجدیدپذیر همچون انرژی خورشیدی و انرژی بادی است.
مقدمه
امروزه به دلیل مضرات سوختهای فسیلی همچون سوراخ شدن لایه اوزن، افزایش اثرات گلخانه ای و آلوده شدن هوا از انرژیهای تجدیدپذیر استفاده میشود. در کشورهای بسیاری همچون ایران که از لحاظ جغرافیایی از بادهای قوی برخوردار هستند، صنعت بادی رو به پیشرفت است. توربینهای بادی انرژی جنبشی موجود در باد را به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. از میان توربینها، نوع محور افقی بنا بر دلایلی همچون داشتن ارتفاع بیشتر و سطح مقطع جاروب شدهی بزرگتر - دایرهای - میتوانند توان بیشتری را تولید کنند. امروزه توربینهای بادی محور افقی در مقیاس چند مگاوات وارد صنعت شدهاند
بررسی ایرودینامیکی توربینهای بادی محور افقی به روشهای مختلفی صورت میگیرد. ازجمله این روشها میتوان به روشهای سه بعدی غیرلزج [2] همچون روش خط برآزا [ 3] - Lifting Line method - ، مدل گردابه [4] - Vortex model - و روش پنل - Panel method - اشاره کرد. از دیگر روشهای مورد استفاده در این حوزه میتوان روش دینامیک سیالات محاسباتی را نام برد .[9-5] این روش ابزاری قدرتمند در شبیهسازی آیرودینامیکی توربین بادی و شبیهسازی میدان جریان حول توربین و همچنین دنباله آن است. در این روش، مشخصههای فیزیکی حرکت جریان حول پره توربین باد از طریق معادلات ناویر-استوکس و در فرم معادلات مشتق جزئی حل میگردد. البته لازم به ذکر است که این روش زمان و حجم محاسباتی بالایی را به خود اختصاص میدهد.
روش ممان المان پره از دیگر روشهایی است که به صورت گسترده در میان طراحان برای طراحی قسمت ایرودینامیکی پره مورد استفاده قرار میگیرد. این روش هزینه و زمان محاسباتی کمی را به خور اختصاص میدهد و در عین حال از دقت کافی برخوردار است. این روش پایه و اساس طراحی توربینهای محور افقی در نرم افزار Q-Blade است. تا کنون مطالعات زیادی بر پایه این روش صورت گرفته است.
نویسندگان [10] توربینی به قطر 1/2 متر را ساخته و مورد بررسی قرار دادند و نتایج حاصل را با روش ممان المان پره در نرم افزار Q-Blade مقایسه کردند. نتایج از همخوانی مناسبی برخوردار بوده است. نویسندگان [11] توربین محور افقی 10000 واتی را با استفاده از روش ممان المان پره و بهبود روش واماندگی طراحی کرده و به منظور بررسی ساختار جریان مشخصههای ایرودینامیکی را مورد بررسی قرار داده ند.
نویسندگان [12] با استفاده از ترکیبی از روشهای دینامیک سیالات محاسباتی و ممان المان پره به شبیه سازی میدان جریان حول روتور توربین بادی پرداختهاند. روش به کارگرفته شده در مقایسه با روش دینامیک سیالات محاسباتی، زمان و حجم محاسباتی کمی را به خود اختصاص میدهد. نویسندگان [13] به طراحی توربین با استفاده از روش ممان المان پره پرداختند. آنها به جای استفاده از داده های دوبعدی تجربی برای ایرفوی، ضرایب برآ و پسای ایرفویل را با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی محاسبه کرده و از آن به عنوان ورودی به روش ممان المان پره استفاده کردند.
نویسندگان [14] به بهبود و گسترش روش ممان المان پره به منظور بررسی ایرودینامیکی توربین پرداختند. در این پژوهش اثر افت فشار به دلیل چرخش دنباله و همچنین سرعت شعاعی در دیسک در روش ممان المان پره مورد بررسی قرار گرفته است. محمودین در مطالعه ای [15] به بررسی ایرودینامیکی توربین با استفاده از روش ممان المان پره پرداخته است. افتهای موجود در ریشه و نوک با استفاده از روش پرندتل اعمال شدهاند. در نهایت نتایج حاصله با نتایج استخراج شده از نرمافزار Q-Blade مقایسه شدهاند.
پینتو و کانکالوکس [16] به بهینهسازی ایرودینامیکی توربین محور افقی و بررسی اثرات پسا با استفاده از روش ممان المان پره پرداختند. کبیر و انجی [17] به آنالیز تأخیر واماندگی توربین NREL فاز VI با استفاده از روش ممان المان پره پرداختند. ایرفویل انتخاب شده S809 میباشد. در نهایت نتایج حاصله با نتایج تجربی مورد مقایسه قرار گرفته اند.
در این پژوهش با استفاده از نرمافزار Q-Blade توربین به صورت ایرودینامیکی طراحی شده است و ضرایب ایرودینامیکی آن مورد بررسی قرار گرفته است. پس از آن با استفاده از نرمافزار System Advisor به تحلیل اقتصادی توربین پرداخته شدهاست.
نرم افزار Q-Blade
نرمافزارهای توربین باد به چند دسته طراحی و تحلیل و مدلسازی جریان، مدلسازی مزرعه بادی و اقتصادی تقسیم میشوند. نرمافزار Q-Blade یکی از نرمافزارهای گرافیکی قدرتمند در حوزه طراحی و تحلیل توربین بادی است. مهمترین ویژگی این نرمافزار که آن را نسبت به سایر نرمافزارها متمایز میکند، تفکیک به دو گروه توربین بادی محور عمودی و محور افقی به طور کاملاً جداگانه است. توسعه این نرمافزار از رساله دکترای پیچلیوانگلو [18] در دانشگاه برلین آلمان آغاز شده است. توسعه اولیه بر اساس نرمافزار XFLR5 توسط مارتر انجام گرفت
طراحی پره و شبیهسازی کل توربین بر مبنای تئوری المان پره-مومنتوم و به هدف تسهیل پژوهش در توربینهای بادی سراسر جهان انجام شد. پس از آن ماژول توربین باد محور عمودی بر مبنای مدل لوله جریان چندگانه دوبل توسط ویندلر زیر نظر مارتن ایجاد و تاکنون توسط چند نفر دیگر نیز ماژول ایروالاستیسیته و تحلیل ساختاری بر مبنای المان محدود به قسمت توربین باد محور افقی اضافه شده است .[20] هشتمین و آخرین نسخه ی این نرم افزار در سال 2014 منتشر شده است.
از قابلیتهای این نرم افزار تجزیه و تحلیل ایرفویل و نمودار برآ و پسا برحسب زاویه ی حمله و طراحی و بهینه سازی پره و شبیهسازی توربین است. ماژولهای این نرمافزار در شکل 1 نشان داده شده است. الگوریتم این نرم افزار که بر پایهی تئوری المان پره-مومنتوم و روش لوله جریان چندگانه دوبل ایجاد شده است، نیاز به دادههای ضریب برآ و پسا برحسب زاویهی حمله دارد که این دادهها را میتوان از تحلیل ایرفویل به دست آورد. این نرم افزار برای تجزیه و تحلیل ایرفویل از نرم افزار Xfoil که توسط درلا و گیلس در دانشگاه ام آی تی [21] با زبان فورترن نوشته شده است، استفاده میکند. Xfoil جریان مادون صوت حول ایرفویلها را با روش جریان پتانسیل و روش مرتبه بالای پنل تحلیل میکند و دادههای برآ و پسا مورد نیاز الگوریتم را به عنوان ورودی به Q-Blade می دهد.
شکل :1 ماژولهای نرمافزار Q-Blade
ایرودینامیک توربینهای بادی محور افقی
روش ممان المان پره ابتدا توسط گلارت [22] به عنوان ترکیبی از تئوری یک بعدی مومنتم و ملاحظات المان پره معرفی شد تا بارهای آئرودینامیکی بهصورت محلی بر روی پره محاسبه شود. در حالت کلی این روش، پروسهای است که در آن با بهکارگیری ورودیهایی همچون توان طراحی توربین، میانگین سرعت باد در منطقه، تعداد پرهها و نوع ایرفویل؛ پارامترهای هندسی توربین همچون توزیع وتر و زاویه پیچش و همچنین ضرایب آئرودینامیکی آن یعنی ضریب نیروی جلوبرنده، برآ، پسا و ضریب توان محاسبه میشود. صحت دادههای ایرفویل بهعنوان ورودی نقش مهمی در اعتبار این روش دارد. در این پژوهش از دادههای دو بعدی استخراج شده از XFOIL برای ایرفویلهای مختلف استفاده شدهاست. با انتخاب یک ایرفویل خاص و استخراج ضرایب برآ و پسا، زاویه حمله طراحی، ضریب پسای طراحی و بیشینه نسبت ضریب پسا به برآ برای آن ایرفویل مشخص میشود. شعاع روتور توربین از فرمول - 1 - محاسبه میگردد.
η بازده مکانیکی، R شعاع روتور، U سرعت میانگین باد در منطقه و ضریب توان توربین است. λ نسبت سرعت میباشد و برابر با نسبت سرعت چرخشی به سرعت میانگین باد است - - . در این روش پره به تعدادی المان - مثلا N المان - تقسیم میشود. با اعمال قوانین مومنتم خطی و مومنتم زاویه ای، نیروی جلوبرنده و مومنتم زاویه ای طبق فرمول - 2 - و [23] - 3 - بر هر المان پره مشخص میشود.
در معادلات - 2 - و - 3 - ، r شعاع محلی پره و ω سرعت چرخشی پره و و به ترتیب ضریب القایی خطی و زاویهای است. با به کارگیری تئوری المان پره نیز نیروی جلوبرنده و مومنتم زاویهای مطابق فرمولهای - 4 - و [23] - 5 - به دست میآیند.
در معادلات بالا φ زاویه نسبی باد برحسب درجه، صلبیت نسبی و B تعداد پره است. با برابر قرار دادن معادلات - 2 - و - 3 - و - 4 - و [23] - 5 - ضریب القایی خطی و زاویه ای به دست میآیند.
از آنجا که فشار روی سطح فشاری پره بیشتر از فشار بر روی سطح مکشی آن است، جریان هوا تمایل دارد از سطح پایینی پره به سمت سطح بالایی آن برود. بنابراین نیروی برآ و توان در محدوده نوک کاهش مییابد. روشهای مختلفی برای درنظر گرفتن تلفات ناحیه نوک وجود دارد. یکی از روشهای پرکاربرد توسط پرندتل [23] و طبق فرمول - 8 - ارائه شده است.
