بخشی از مقاله
خلاصه
محدود بودن منابع تجدید ناپذیر مانند ذغال سنگ، سوختهای فسیلی، مسائل زیست محیطی وگرمایش زمین و افزایش گازهای گلخانهای، و هزینه روزافزون انرژی سبب شده است در طی سالیان اخیر گرایش برای استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و پاک مخصوصا انرژی باد به شدت افزایش یابد. اصلیترین وسیله برای جذب انرژی باد؛ توربین باد میباشد.
توربین وسیلهایست که انرژی مکانیکی جنبشی را به کمک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. توربینها به دو دستهی عمودی و افقی تبدیل میشوند و نسل جدید توربینها به سمت توربینهای عمودی با سایز کوچک گرایش پیدا کرده است و در حال حاضر گرایش به توربینهای کوچک برای استفادههای شخصی و عمومی زیاد شده است. گرچه توربینهای افقی در مقایسه با توربینهای عمودی بسیار کاراتر بوده و راندمان بالاتری دارند با این وجود توربینهای عمودی ویژگیهایی دارند مانند امنیت و عملکرد که باعث میشود در محیطهای داخل شهری در غالب توربینهای کوچک استفاده شوند.
در این مقاله هدف طراحی یک توربین 50 وات و بررسی پارامترهای تاثیرگذار در راندمان و توان خروجی توربینهای باد عمودی کوچک میباشد. نرخ سرعت نوک پره یکی از پارامترهای بسیار مهم میباشد که در عملکرد توربین بسیار تاثیرگذار میباشد؛ در نرخ سرعت پرهی پایین، به دلیل اثر توقف دینامیکی، عملکرد توربین عمودی افت میکند برای کاهش این اثر نرخ سرعت پره باید بالا باشد، با این وجود در نرخ بالا هم جدایش جریان رخ میدهد که باعث افت راندمان میشود. پس هدف این مقاله تعیین نرخ سرعت بهینه برای توربین طراحی شده میباشد.
-1 مقدمه
توجه به انرژیهای تجدید پذیر به دلیل نگرانیها در مورد آلودگی زیست محیطی ناشی از سوختهای فسیلی و تقاضای بالای انرژی در سراسر جهان، افزایش یافته است. انواع مختلف انرژیهای تجدیدپذیر مانند زیستتوده1، حرارت مرکزی زمین، هیدروالکتریک و باد میباشند. در سالیان اخیر انرژی باد به دلیل پتانسیلی که در تولید انرژی بدون کربن دارد به عنوان یکی از منابع اصلی در تولید انرژی مورد بهرهوری قرار گرفته است1]و.[2 اهمیت این انرژی در مقیاس جهانی روز به روز در حال افزایش میباشد به صورتیکه در سال 2013 ظرفیت توربینهای نصب شده در جهان تا حدود 318 گیگاوات رسیده است
توربینهای بزرگ درحد تولید توان مگاوات در مزارع باد نصب شده اما این توربینها به دلایل متعد از جمله: امنیت پایین و ایجاد سرصدا قابل استفاده در محیطهای شهری نمیباشند پس بدین ترتیب برای جذب انرژی باد در مناطق شهری از توربینهای کوچک استفاده میشود. این توربینها هم در سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند به صورتیکه در سال 2012 حدود %35 توربینهای نصب شده در آمریکا شامل توربینهای کوچک بوده است4]و .[3 لازم به ذکر است توربینهای باد شامل دو نوع عمودی و افقی میشوند و توربینهای عمودی به علت کارایی بیشتر در جریانهای متلاطم - در مناطق شهری باد به علت برخورد با موانع بسیار مانند ساختمانها و درختها متلاطم میشود - ، سازهی سبک و ایمن، توانایی تطبیق با هر جهت وزش باد و در نتیجه عدم نیاز به کنترل کننده، نسبت به توربین افقی ارجحیت بالاتری برای استفاده در مناطق شهری دارد.
وظیفهی اصلی هر توربین باد تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی میباشد، دو روش برای این تبدیل وجود دارد استفاده از .1 نیروی درگ و یا .2 نیروی لیفت. نیروی درگ که در توربینهای عمودی استفاده میشود راندمان پایینی تولید میکند، اما نیروی لیفت آیرودینامیک که در توریینهای افقی استفاده میشود. راندمان بسیار بالاتری بدست میدهد.[2] پس بدین تربیب توربینی که به منظور طراحی در نظر میگیریم توربین عمودی کوچک بر پایهی لیفت - توریبنهای داریوس - 2 میباشد.
مدل مومنتوم اولین بار توسط تمپلین[5] تحت عنوان مدل تک لوله جریانی برای مدل سازی توربین بادی محور عمودی مورد استفاده قرار گرفته است. در این مدل فرض میشود که روتور توربین توسط یک لوله جریان در برگرفته شده است و سرعت القایی جریان در سراسر روتور ثابت میماند. پس از آن استریکلند [6] از مدل چند لوله جریانی به منظور مدل سازی استفاده کرد. او در این مدل جریان گذرنده از روتور را در چندین لوله جریانی فرض نمود که اندازه سرعت القایی در هریک از لولههای جریان متفاوت میباشد.
در این مدل میتوان با افزایش تعداد لولههای جریان مفروض، دقت مدلسازی را افزایش داد. پس از آن پاراشیویو[ 7]، برگ[8]، بنمدور و همکاران[9]، از مدل چند لوله جریانی دوگانه - DMST - 1 به منظور مدل سازی روتور توربین بادی محور عمودی استفاده نمودند.
هاول و همکاران [10] در سال 2009کارایی یک توربین محور عمودی را به دو روش آزمایشگاهی و عددی مورد بررسی قرار دادند. شبیه سازی عددی به کمک روش دینامیک سیالات محاسباتی - - CFD به صورت دو بعدی و سه بعدی انجام شده و اثر تعداد پره های روتور برای مدل سه و چهار پره ای بررسی شده و نشان داده شده است که با افزایش تعداد پره ها بازده عملکرد توربین کاهش مییابد.
-2 محاسبات تئوری
برای سنجش راندمان توربین باید دید چه درصدی از انرژی پتانسیل باد توسط توربین جذب و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. برای این منظور لازم است ابتدا بدانیم که انرژی پتانسیل موجود در جریان هوایی که از یک سطح معلوم عبور میکند از رابطهی زیر بدست میآید:
که در آن p انرژی پتانسیل باد بر حسب وات>W@، ρ چگالی هوا بر حسب [ 3] و مقداری معادل 1,2 دارد، A سطح مقطع بر حسب متر مربع >m2@ ، V سرعت باد بر حسب متر بر ثانیه [ ] میباشد. فرمول بالا انرژی جنبشی کل باد را تعیین میکند که هدف اصلی یک توربین هم تبدیل این انرژی به انرژی مکانیکی مفید و سپس انرژی الکتریکی می-باشد.
-2-2 طراحی تئوری توربین و تعیین پارامترهای طراحی
-2-2-1 توان و سایز توربین
توان موجود در باد طبق رابطه 1 بدست میآید؛ اگر راندمان توربین S& باشد میتوان ادعا کرد توانی که توربین از باد جذب میکند از فرمول زیر بدست میآید:
هدف ما طراحی توربین با توان 50 وات میباشد؛ برای طراحی توربین در محیط شهر سرعت باد اسمی را 6 متر برثانیه در نظر میگیریم؛ و با فرض pC=0.18 میتوانیم سایز حدودی توربین را بدست آوریم
