دانشگاه آزاد اسلامی
واحد خمینی شهر
دانشکده مکانیک
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc.
گرایش مهندسی مکانیک – طراحی کاربردی
تحلیل عددی رفتار دینامیکی پره های توربین بادی با محور عمودی
به روش اویلری- لاگرانژی کوپل شده
استاد راهنما:
دکتر محسن لوح موسوی
استاد مشاور:
دکتر حسن موسوی
نگارش:
مجتبی کلاهدوز
تابستان 1393
دانشگاه آزاد اسلامی
واحد خمینی شهر
دانشکده مکانیک
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc.
گرایش مهندسی مکانیک – طراحی کاربردی
تحلیل عددی رفتار دینامیکی پره های توربین بادی با محور عمودی
به روش اویلری- لاگرانژی کوپل شده
نگارش:
مجتبی کلاهدوز
تابستان 93
در تاریخ 27/06/93 توسط کمیته تخصصی زیر مورد بررسی و به تصویب نهایی رسید.
1- استاد راهنمای پایان نامه: دکتر محسن لوح موسوی
2- استاد مشاور پایان نامه: دکتر حسن موسوی
3- استاد داور:دکتر حمیدرضا صابونی
4- مدیر تحصیلات تکمیلی:دکتر علیرضا افتخاری
کلیه حقوق مادی مرتبط بر نتایج مطالعات، ابتکارات و نوآوری های ناشی از تحقیق موضوع این پایان نامه متعلق به دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر است.
تعهدنامه اصالت پایان نامه
اینجانب مجتبی کلاهدوز دانش آموخته مقطع کارشناسی ارشد نا پیوسته در رشته مکانیک گرایش طراحی کاربردی که در تاریخ 27/06/93 از پایان نامه خود تحت عنوان ” تحلیل عددی رفتار دینامیکی پره های توربین بادی با محور عمودی به روش اویلری- لاگرانژی کوپل شده” با کسب نمره 16.86 و درجه عالی دفاع نموده ام بدینوسیله متعهد می شوم:
1- این پایان نامه حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده و در مواردی که از دستاوردهای علمی و پژوهشی دیگران (اعم از پایان نامه، کتاب، مقاله و ….) استفاده نموده ام، مطابق ضوابط و رویه موجود، نام منبع مورد استفاده و سایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج کرده ام.
2- این پایان نامه قبلا برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی ( هم سطح، پایین تر یا بالاتر) در سایر دانشگاهها و موسسات آموزش عالی ارائه نشده است.
3- چنانچه بعد از فراغت از تحصیل، قصد استفاده و بهره برداری اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و … از این پایان نامه داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوزهای مربوطه را اخذ نمایم.
4- چنانچه در هر مقطع زمانی خلاف مطالب فوق ثابت شود، عواقب ناشی از آن را می پذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصیلی ام هیچ گونه ادعایی نخواهم داشت.
مجتبی کلاهدوز
تاریخ و امضاء
تقدیم به
پدر و مادر بسیار عزیز، دلسوز و فداکارم که پیوسته جرعه نوش جام تعیلم و تربیت، فضیلت و انسانیت آنها بوده ام و همواره چراغ وجودشان روشنگر راه من در سختی ها و مشکلات بوده است.
همچنین تقدیم به همسر عزیزم که در طول مدت نگارش پایان نامه از هیچ کمکی دریغ ننموده و همیشه همراه و همیار من بودند.
.
سپاسگزاری
سپاس خدای را که سخنوران، در ستودن او بمانند و شمارندگان، شمردن نعمت های او ندانند و کوشندگان، حق او را گزاردن نتوانند.
از آنجایی که تجلیل از اساتید، سپاس از انسانی است که هدف و غایت آفرینش را تامین می کند و سلامت امانت هایی را که به دستش سپرده اند، تضمین؛ بر حسب وظیفه و از باب ” من لم یشکر المنعم من المخلوقین لم یشکر اللَّه عزّ و جلّ” :
از استاد شایسته؛ جناب آقای دکتر لوح موسوی که در کمال سعه صدر، با حسن خلق و فروتنی، از هیچ کمکی در این عرصه بر من دریغ ننمودند و زحمت راهنمایی این رساله را بر عهده گرفتند؛
از استاد گرامی، جناب آقای دکتر موسوی، که زحمت مشاوره این رساله را در حالی متقبل شدند و بدون مساعدت ایشان، این پروژه به نتیجه مطلوب نمی رسید؛
و از مدیریت محترم گروه مکانیک دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر جناب آقای دکتر افتخاری نیز تشکر و قدردانی می نمایم.
فهرست مطالب
عنوانصفحه
فهرست مطالب ……………………………………………………………………………………………………………… أ
فهرست اشکال ……………………………………………………………………………………………………………… ه
فهرست جداول ……………………………………………………………………………………………………………. ح
چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………. ط
مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………… ی
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………. 1
1-2- انرژی تجدید پذیر ……………………………………………………………………………………………… 2
1-3- ویژگی انرژی تجدیدپذیر ……………………………………………………………………………………. 4
1-4- انواع منابع انرژی تجدیدپذیر ……………………………………………………………………………….. 5
1-4-1- انرژی خورشیدی ………………………………………………………………………………………. 5
1-4-2- انرژی زمین گرمایی …………………………………………………………………………………… 6
1-4-3- فن آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده ………………………………………………. 8
1-4-4- انرژی باد …………………………………………………………………………………………………. 9
1-5- تاریخچه انرژی باد ……………………………………………………………………………………………….. 13
1-6- انواع توربین بادی …………………………………………………………………………………………………. 16
1-6-1- توربین محور عمودی …………………………………………………………………………………. 16
1-6-1-1- مزایای توربین های محور عمودی ………………………………………………………… 17
1-6-1-2- معایب توربین های محور عمودی ………………………………………………………… 17
1-6-2- توربین محور افقی ……………………………………………………………………………………… 17
1-6-2-1- مزایای توربین های محور افقی …………………………………………………………….. 18
1-6-2-2- معایب توربین های محور افقی …………………………………………………………….. 18
1-7- مروری بر تحقیقات انجام شده ………………………………………………………………………………… 21
1-8- روش تحقیق در این پایان نامه …………………………………………………………………………………. 32
1-9- مروری اجمالی بر فصلهای پایان نامه ………………………………………………………………………… 33
فصل دوم: معرفی پارامترهای آنالیز FSI
1-
2-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………. 34
2-2- معرفی پارامترهای موثر بر نتایج آزمایشگاهی …………………………………………………………… 35
2-2-1- گشتاور استاتیکی ………………………………………………………………………………………. 38
2-2-2- زاویه فاز ………………………………………………………………………………………………….. 39
2-2-3- نسبت هم پوشانی پره ها ……………………………………………………………………………… 40
2-2-4- گشتاور دینامیکی(ضریب قدرت) ………………………………………………………………… 42
2-3- تئوری بتز …………………………………………………………………………………………………………. 44
2-4- تئوری گلائورت ……………………………………………………………………………………………….. 50
2-4-1- طراحی مفهومی آیرودینامیکی پره توربین بادی ………………………………………………. 50
2-4-1-1- نحوه تعیین قطر روتور و تعیین تعداد پره ها و سطح هر پره …………………….. 50
2-4-1-2- معرفی تئوری گلائورت جهت طراحی آیرودینامیکی پره توربین بادی ………… 50
2-4-1-2-1- محاسبه نیروی رانش محوری و گشتاور ………………………………………… 50
2-4-1-2-2- محاسبات ضریب قدرت ……………………………………………………………. 52
2-4-1-2-3- تعیین مقادیر زاویه ای سرعت نسبی و ضریب شکل بهینه …. 52
2-4-1-2-4- تعیین ضریب قدرت ………………………………………………………………….. 52
2-4-1-2-5- اثر تعداد پره ها ………………………………………………………………………… 53
2-4-1-2-6- نحوه عملی طراحی آیرودینامیکی پره توربین باد و تعیین وتر و زاویه پره 53
2-4-2- طراحی مفهومی سازه ای پره های توربین بادی ………………………………………….. 54
2-4-2-1- تنش های ناشی از تندباد ضمن عملکرد عادی …………………………………… 54
2-4-2-2- تنش های ناشی از نیروهای گریز از مرکز در عملکرد عادی ………………… 55
2-4-2-3- تنش ناشی از اثرات ژیروسکوپی ……………………………………………………. 55
2-4-2-4- تنش کل وارد بر پره …………………………………………………………………….. 55
2-4-2-5- انتخاب جنس پره ………………………………………………………………………… 56
2-4-3- محاسبه دقیق هندسی برای سطح پره توربین های بادی محور افقی …………………. 56
2-4-2-1- هدف ………………………………………………………………………………………… 56
2-4-2-2- پارامترهای اصلی برای تعیین هندسه پره ……………………………………………. 56
2-4-2-3- تعیین مختصات فضایی نقاط بر روی سطح پره …………………………………… 57
فصل سوم: شبیه سازی فرایند برهمکنش باد بر پره های توربین
3-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………. 58
3-2- معرفی پارامترهای مهم انتخاب شده در فرایند شبیه سازی ………… .. …………………………….. 61
3-2-1- پارامتر معادله گاز ایده آل Ideal Gas Equation State …………………………….. 61
3-2-2- پارامتر انتگرال گیری با تعداد نقاط گوس کاهش یافته ……………………………………… 62
3-3- روند دستیابی به شبیه سازی نهایی مدل توربین ساوونیوس (مطابق مقاله اصلی) …………………………. 63
3-3-1- محیط ایجاد قطعه ………………………………………………………………………….. 64
3-3-2- محیط تعریف خصوصیات مواد …………………………………………………. 64
3-3-3- محیط تعریف تعداد مراحل و نوع حل مساله ……………………………………….. 64
3-3-4- محیط تعریف نوع تماس اجزا با هم ………………………………………… 64
3-3-5- محیط بارگذاری و اعمال شرایط مرزی ……………………………………………. 65
3-3-6- محیط شبکه بندی اجزا ……………………………………………………………… 65
3-4- شبیه سازی توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی صفر ……………………………… 66
3-4-1- مدلسازی سه بعدی توربین و تونل باد در محیط …………………………………… 66
3-4-2- تعریف خصوصیات روتور و حجم کنترل سیالاتی در محیط ……………. 66
3-4-3- مونتاژ اجزای مساله در محیط ………………………………………………….. 67
3-4-4- تعریف تعداد مرحله و نوع حل مساله درمحیط ……………………………………… 69
3-4-5- تعریف نوع تماس سطوح اجزاء با هم در محیط ……………………….. 70
3-4-6- تعریف سرعت باد و شرایط مرزی تونل باد در محیط …………………………… 70
3-4-7- شبکه بندی مدل در محیط……………………………………………………………….. 74
3-4-8- حل مساله در محیط …………………………………………………………………………. 74
3-5- شبیه سازی سایر توربین ها ………………………………………………………………………………….. 75
فصل چهارم: ارئه نتایج و بحث و بررسی آن
4-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………… 78
4-2- بررسی نمودارهای تحلیل FSI ……………………………………………………………………………….. 79
4-2-1- تغییرات گشتاوراستاتیکی در توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ………………. 79
4-2-2- تغییرات گشتاور استاتیکی در توربین دو طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ……………….. 80
4-2-3- تغییرات سرعت زاویه ای روتور توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ………….. 81
4-2-4- تغییرات انرژی جنبشی در توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان …………………. 82
4-2-5- تغییرات نیروهای تکیه گاهی در توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان …………. 83
4-2-6- تغییرات نیروهای تکیه گاهی در توربین دو طبقه با نسبت هم پوشانی متفاوت ………….. 84
4-2-7- نمایش گرافیکی جریان سیال در بروخورد با توربین یک طبقه در تونل باد ……………. 85
4-2-8- تغییرات سرعت زاویه ای روتور توربین دو طبقه با زاویه فازهای متفاوت ……………….. 87
4-2-9- نمایش گرافیکی لحظه برخورد سیال با پره توربین دو طبقه ………………………………… 88
4-2-10- تغییرات بردار سرعت در هنگام شروع دوران توربین یک طبقه …………………………. 89
4-2-11- تغییرات بردار سرعت در هنگام شروع دوران توربین دو طبقه ……………………………. 91
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………… 93
5-2- نتیجه گیری …………………………………………………………………………………………………………. 93
5-3- پیشنهادات …………………………………………………………………………………………………………… 96
فهرست مراجع …………………………………………………………………………………………………………. 98
چکیده انگلیسی

فهرست اشکال
عنوانصفحه
شکل1-1- منابع انرژی تجدیدپذیر در سراسر جهان …………………………………………………………….. 3
شکل1-2- نیروگاه سهموی خطی 250 کیلووات شیراز ……………………………………………………….. 6
شکل 1-3- خروج بخار از یک چاه زمین گرمایی ……………………………………………………………….7
شکل1-4- تولید برق از فن آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده …………………………………. 9
شکل 1-5- توربن 600 کیلو وات واقع در روستای بابائیان منجیل …………………………………………… 11
شکل1-6 – آسیاب بادی ایرانیان ……………………………………………………………………………………… 13
شکل1-7 – آسیاب بادی هلندی ………………………………………………………………………………………. 14
شکل 1-8 – آسیاب بادی آمریکایی ( دارای تعداد پره زیاد) …………………………………………………. 14
شکل 1-9- توربین بادی داریوس …………………………………………………………………………………….. 15
شکل 1-10 – توربین بادی ساونیوس ……………………………………………………………………………….. 16
شکل 1-11- شرح مختصری از انواع توربین( VAWT,HAWT و سایر) ……………………………….. 19
شکل 1-12- طبقه بندي توربین هاي بادي پروانه اي با محور افقی HAWT …………………………. 20
شکل 1- 13- سیستم تیغه مستقیم و موازی ………………………………………………………………………… 22
شکل 1-14- قدرت تولید شده بر اساس ضریب …………………………………………………………. 23
شکل 1-15- قدرت تولید شده بر اساس زاویه فاز و زاویه گام ………………………………………………. 23
شکل 1-16- توربین با محور عمودی با پره های کامپوزیتی تقویت شده …………………………………. 24
شکل 1-17- هندسه پره توربین در مقیاس واقعی و مقیاس کوچکتر ……………………………………….. 24
شکل 1-18- مقایسه نتایج تجربی و شبیه سازی ………………………………………………………………….. 25
شکل 1-19- هندسه توربین با محور عمودی (a) پره مستقیم (b) پره منحنی (c) پره پیچشی ……….. 26
شکل 1-20- نمودار مماسی و عمودی توربین با محور عمودی با پره مستقیم ……………………………. 27
شکل 1-21- نمودار مماسی و عمودی توربین با محور عمودی با پره منحنی …………………………….. 27
شکل 1-22- نمودار مماسی و عمودی توربین با محور عمودی با پره پیچشی ……………………………. 28
شکل1-23- نمودار گشتاور استاتیکی ……………………………………………………………………………….. 30
شکل 1-24- نمودار گشتاور استاتیکی (برای 3 نوع توربین با ) ………………………………….. 31
شکل1-25- نمودار ضریب قدرت برای تیغه های مستقیم شیب دار با زاویه گام های مختلف ………. 32
شکل 2-1- توربین داریوس مورد بررسی در پایان نامه …………………………………………………………. 37
شکل 2-2- بررسی تغییر زاویه بین صفحات روتور در توربینهای دو طبقه ……………………………….. 38
شکل 2-3- نتایج گشتاور استاتیکی توربین دو طبقه با زاویه تغییر فاز 0 درجه ………………………….. 38
شکل 2-4- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای 5 نوع توربین در سرعت باد ……………….. 39
شکل 2-5- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای 3 نوع توربین در سرعت باد ……………….. 40
شکل 2-6- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای 3 نوع توربین در سرعت باد ……………….. 40
شکل 2-7- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای 3 نوع توربین در سرعت باد ……………….. 41
شکل 2-8- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای 3 نوع توربین در سرعت باد ……………….. 41
شکل 2-9- نتایج ضریب قدرت توربین برای 3 نوع توربین در سرعت باد ……………………. 42
شکل 2-10- نتایج ضریب قدرت توربین برای 3 نوع توربین در سرعت باد ………………….. 43
شکل 2-11- نتایج ضریب قدرت توربین برای 3 نوع توربین در سرعت باد …………………. 43
شکل 2-12- شرایط سیال در سطح مقطع مشخص با دبی ثابت بر اساس تئوری ابتدایی حرکت …… 45
شکل 2-13- ضریب قدرت توربین با طراحی های متفاوت ………………………………………………….. 48
شکل 2-14- شماتیک پارامترهای اصلی بر روی روتور ساوونیوس ……………………………………….. 49
شکل 2-15- نحوه قرار گرفتن پره در مختصات فضایی ……………………………………………………….. 57
شکل 3-1- توربین با نسبت هم پوشانی صفر ……………………………………………………………………… 59
شکل 3-2- توربین با نسبت هم پوشانی ……………………………………………………………………. 59
شکل 3-3- توربین با نسبت هم پوشانی ……………………………………………………………………. 59
شکل 3-4- زاویه فاز بین پره های توربین طبقه بالایی و پایینی ………………………………………………. 60
شکل 3-5- خلاصه وضعیت موضوعات ترسیم شده در ماژول ………………………………….. 66
شکل 3-6- نمایی از تونل تست باد توربین VAWT ……………………………………………………………. 67
شکل 3-7- نمایی از تونل تست باد توربین VAWT شبیه سازی شده در نرم افزار ……………………… 68
شکل 3-8- دیاگرام اندازه گیری پارامترهای تست آزمایشگاهی از زاویه تا درجه ………….. 69
شکل 3-9- نمایش شرایط مرزی تونل باد …………………………………………………………………………. 71
شکل 3-10- نمودار کنترل چرخش روتور ………………………………………………………………………… 72
شکل 3-11- اندازه گیری سرعت باد در تونل ……………………………………………………………………. 73
شکل 3-12- توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی ……………………………….. 75
شکل 3-13- توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی ……………………………….. 76
شکل 3-14- توربین دو طبقه با نسبت هم پوشانی …………………………………………… 76
شکل 3-15- توربین دو طبقه با نسبت هم پوشانی ………………………………… 77
شکل 3-16- توربین دو طبقه با نسبت هم پوشانی …………………………………. 77
شکل 4-1- مقایسه گشتاور استاتیکی توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی صفر ………………………. 79
شکل 4-2- مقایسه گشتاور استاتیکی توربین دو طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ……………………… 80
شکل 4-3- مقایسه انرژی جنبشی توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ……………………….. 82
شکل 4-4- مقایسه نیروی عکس العمل یاتاقان توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ………. 83
شکل 4-5- مقایسه نیروی عکس العمل یاتاقان توربین دو طبقه با نسبت هم پوشانی متفاوت ………….84
شکل 4-6- نمایش گرافیکی لحظه برخورد سیال با پره های توربین در تونل باد ………………………… 85
شکل 4-7- نمایش گرافیکی لحظه برخورد سیال با پره های توربین در تونل باد ………………………….86
شکل 4-8- مقایسه سرعت زاویه ای روتور توربین دو طبقه با زاویه فازهای متفاوت ……………………87
شکل 4-9- نمایش گرافیکی لحظه برخورد سیال با پره های توربین ……………………………………….. 88
شکل 4-10- نمایش گرافیکی لحظه برخورد سیال با پره های توربین ……………………………………… 89
شکل 4-11- نمایش گرافیکی تغییرات بردار سرعت در هنگام شروع دوران توربین یک طبقه …….. 90
شکل 4-12- نمایش گرافیکی تغییرات بردار سرعت در هنگام شروع دوران توربین دو طبقه ………. 91
شکل 4-13- نمایش گرافیکی جهت برایند بردار گشتاور……………………………………………………… 92
فهرست جداول
عنوانصفحه
جدول 3-1- خصوصیات فیزیکی هوا ………………………………………………………………………………..67
جدول 3-2- خصوصیات فیزیکی آلومینیوم 6061 ………………………………………………………………. 67
جدول3-2- مقادیر دامنه حرکت روتور ……………………………………………………………………………. 72
جدول 4-1- مقایسه سرعت زاویه ای روتور توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ………….. 81

چکیده
در این تحقیق، توربین بادی با محور عمودی مدل ساوونیوس مدلسازی شده است. توربین بادی در حجم کنترل سیالاتی که همان تونل باد در شرایط واقعی می باشد، مدلسازی شده و تحت وزش باد با سرعتهای متفاوت بررسی شده است. همچنین از لحاظ نسبت هم پوشانی نیز در سه حالت مختلف تحت بررسی قرار گرفته تا بهترین حالت توربین با گشتاور استاتیکی بهینه تعیین گردد.
بر خلاف تمامی تحقیقات انجام شده، روش ارائه شده در این تحقیق، مدلسازی برخورد سیال با پره های توربین می باشد که امکان بررسی رفتار دینامیکی و محاسبات تنش و کرنش وارد بر پره توربین را دارد.
نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که در مناطقی که سرعت وزش باد کم است، از توربینی باید استفاده گردد که زاویه فاز بین دو طبقه توربین کم باشد و در مناطقی که سرعت وزش باد زیاد باشد، از زاویه فاز زیاد استفاده نمود. همچنین، برای کاهش نوسانات سرعت زاویه ای روتور توربین، در مناطقی که سرعت وزش باد زیاد است از زاویه فازهای بزرگتر استفاده گردد. اما در مناطقی که سرعت وزش باد کمتر است از زاویه فاز کوچکتر استفاده گردد.
مدلسازی کامل برهمکنش سیال بر پره های توربین، نشان می دهد که گشتاور استاتیکی در لحظه شروع چرخش روتور، به علت وجود یاتاقان در شرایط واقعی، افزایش می یابد، اما پس از شروع حرکت و غلبه بر نیروی اصطکاک ایستایی، کم کم مقدار گشتاور کاهش می یابد. این مقدار در زاویه حدود 85 درجه به حداقل خود می رسد که در همین لحظه توربین بیشترین سرعت خود را خواهد داشت.
همچنین نمودار انرژی جنبشی و کل توربین مورد بررسی قرار گرفته است که نشان دهنده افزایش این مقادیر به سبب افزایش سرعت باد برای همه توربین ها و افزایش زاویه فاز برای توربین های دو طبقه می باشد.
همچنین، بررسی نتایج بدست آمده از روش اجزاء محدود با نتایج آزمایشگاهی مقایسه و نشان داده شده است که همخوانی قابل قبولی بین این نتایج وجود دارد.
کلمات کلیدی: توربین بادی با محور عمودی، زاویه فاز، نسبت هم پوشانی، توربین ساوونیوس، تجزیه و تحلیل المان محدود
مقدمه
با توجه به نیاز روز افزون به منابع انرژی و کاهش منابع سوخت فسیلی و ضرورت سالم نگهداشتن محیط زیست، کاهش آلودگی هوا، محدودیتهای برق رسانی و تامین سوخت برای نقاط روستایی دور افتاده و…، استفاده از انرژیهای نو مانند انرژی آب، انرژی باد، انرژی خورشید، انرژی هیدروترمال، و… می‌تواند جایگاه ویژه‌ای داشته باشد. با توسعه نگرشهای زیست محیطی و راهبردهای صرفه جویانه در بهره برداری از منابع انرژیهای تجدید ناپذیر، استفاده از انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مطرح در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است. استفاده از تکنولوژی توربینهای بادی می تواند یک انتخاب مناسب در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدید پذیر باشد.
در توربین ها با روتورهاي محور عمودي، محور دوران عمود بر سطح زمین و چرخش تیغه ها به موازات زمین است و به همین دلیل سطحی که توسط باد به حرکت در می آید پس از نیم دور چرخش مجبور است در جهت عکس جریان باد به حرکت خود ادامه دهد و این مشکل سبب پایین آمدن ضریب توان آنها می شود. به همین دلیل در این روتورها طراحی پره از اهمیت خاصی برخوردار است.
تاکنون مطالعات زیادی در زمینه توربین های بادی صورت گرفته است اما تمامی این مطالعات به دلیل پیچیدگی طراحی توربین بادی، بیشتر در آزمایشگاه بدست آمده است. البته سطح مطالعات نیز محدود بوده است.
لذا در این تحقیق، برهمکنش باد بر پره های توربین در نرم افزار، مدلسازی شده و به روش اجزای محدود، تحلیل عددی شده و نتایج بدست آمده از تحلیل عددی با نتایج تجربی مقایسه شده است. همخوانی این نتایج نشان دهنده صحت نتایج عددی می باشد.
در فصل اول، ابتدا به تعریف انرژی تجدیدپذیر و انواع آن پرداخته شده است. سپس با توجه به اینکه موضوع پایان نامه بصورت تخصصی بر روی انرژی باد می باشد، تاریخچه ای مختصر از مصارف بکار رفته در طول تاریخ از انرژی باد را بیان نموده شده است و سپس انواع توربین های بادی که شامل محور عمودی و افقی بوده را بررسی کرده و به بیان محاسن و معایب آن پرداخته شده است. در فصل 2، به تشریح آخرین مقاله در زمینه برهمکنش باد بر پره های توربین پرداخته و سپس تئوری های مختلفی که دانشمندان در رابطه با ضریب قدرت توربین و .. ارائه نموده اند، بررسی می شود. در فصل 3، مدلسازی برهمکنش سیال- سازه برای شبیه سازی دینامیکی توربین ساوونیوس ارائه شده است. در فصل 4، نتایج تحلیل عددی با ارائه نمودارهای مختلف از قبیل نمودار گشتاور استاتیکی، ضریب قدرت و … بررسی خواهد شد. در فصل آخر نیز با جمع بندی نتایج بدست آمده در پایان نامه، پیشنهادهایی برای انجام تحقیقات بعدی ارائه خواهد شد.
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه
(( … و تَصریفِ الرّیاحِ آیاتٌ لقومٍ یَعقلونَ ))1
«…و در چرخش بادها برای مردمی که می اندیشند، نشانه هایی است.»
نیاز روزافزون بشر به مصرف انرژی از یک سو و لزوم حفظ و حراست از محیط زندگی در برابر تبعات ناشی از سوختهای فسیلی از سوی دیگر، موجب شده است تا منابع انرژی پاک بیش از هر زمان دیگر مورد توجه قرار گیرند. سیستم های انرژی تجدیدپذیر شاخص ترین منابع انرژی پاک را شامل می شوند. تبعات آلودگی های زیست محیطی ناشی از انرژی های فسیلی، امروزه چنان گسترده شده است که بشر از طرفی حسرت اقدامات گذشته و توسعه ناپایدار و ناهمگون بنا شده در آن را می خورد و در پی چاره ای برای گریز از این شرایط است؛ اما از سویی هچنان ناگزیر به ادامه روند چنین توسعه ای می باشد چرا که تغییر فرهنگ در استفاده از فناوری چه در بخش تولید و چه در مصرف نیازمند گذر زمان و صرف هزینه های فراوان است. از این رو سرمایه گذاری های فراوان و روزافزونی به ویژه در کشورهای توسعه یافته جهت مطالعه در زمینه رشد و گسترش بهره برداری از انرژی های تجدیدپذیر از یک سو در بخش تولید (در مقیاس بالا و بُعد نیروگاهی) و از سمت دیگر، فرهنگ سازی در بخش مصرف، چه در زمینه استفاده از انرژی های مقیاس مستقل و پاک و چه در زمینه بهبود الگوی مصرف انجام پذیرفته است]1 .[
1-2- انرژی تجدیدپذیر
بر خلاف سوختهای فسیلی، منابع انرژی های تجدیدپذیر دائما ایجاد می گردد و می توانند پایدار بمانند. چند منبع انرژی تجدیدپذیر که بیشتر از آنها استفاده می گردد، عبارتند از: انرژی زیست توده2(مانند چوب و ضایعات آن، زباله جامد شهری، بایوگاز، اتانول، بیودیزل و ..)، انرژی با قدرت بالا3(مانند پتانسل آب، موج اقیانوس و …)، انرژی خورشیدی و انرژی باد.
استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر موضوع جدیدی نیست. بیش از 150 سال پیش استفاده از انرژی آتش به عنوان نمونه ای از انرژی زیست توده بیش از 90 درصد کل انرژی های مصرفی را به خود اختصاص داده بود. ما امروزه، بازهم به دنبال یافتن راههایی برای استفاده ازانرژی تجدیدپذیر هستیم.
در سال2006، نزدیک 18% کل انرژی مصرفی جهان از انرژی های تجدیدپذیر تامین می گشت. همچنین 13% آن نیز از انرژی های زیست توده بوده که عمدتا برای مصارف گرم کردن می باشد و تنها 3% انرژی از نوع هیدروالکتریسیته می باشد. انرژی های تجدیدپذیر (شامل: انرژی با قدرت بالا جزئی، انرژی باد و انرژی خورشیدی و …) نیز 2.4 درصد را به خود اختصاص داده است. سهم انرژی های تجدیدپذیر از تولید برق حدود 18 درصد است که حدود 15 درصد مربوط به توربین های آبی بوده و مابقی از سایر انرژی های تجدیدپذیر تولید می گردد. سیاست اروپا در مورد تولید برق از انرژی های تجدیدپذیر در پیشبرد اهداف کلان خود حدود 20 درصد می باشد.
در تابستان سال 2010 میلادی، دولتهای عضو کمسیسون انرژی اروپا طرح ها و برنامه های خود را ارائه کردند. استفاده از انرژی تجدیدپذیر در بعضی کشورها جزو اهداف توسعه ملی آنها بود. در دانمارک، سیاست و اهداف دراز مدتشان رسیدن به میزان تولید برق 30 درصدی از منابع تجدیدپذیر تا سال 2020 میلادی می باشد.
درحالی که بسیاری از پروژه های انرژی تجدیدپذیر و تولید آن در مقیاس بزرگتر برای مناطق دور افتاده و محروم و روستایی نیز مناسب می باشد، برای توسعه منابع انسانی هم کاربرد دارد. برخی از فن آوری های انرژی تجدیدپذیر به جهت انتقادهایی که به آنها وارد می گردد، هنوز در بازار انرژی نیاز به رشد دارد. لذا نگرانی های تغییرآب و هوا، افزایش قیمت نفت و نگاه ویژه دولت ها به این نوع انرژی ها باعث گردیده تا قوانین مربوط به انرژی های تجدیدپذیرتدوین وسیاست دولتها به سمت صنعت انرژی های تجدیدپذیر در شرایط بحران اقتصادی 2009 میلادی در جهان حرکت کند.
تولید انرژی های تجدیدپذیر نسبت به تولید انرژی از سوختهای فسیلی بسیارگرانتر است. همچنین منابع این نوع انرژی، معمولاً در مناطق دور افتاده وجود دارد و ساخت خطوط انتقال انرژی به شهرها که مصرف کننده آن می باشند، بسیار هزینه بر است. استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، توسط این واقعیت که همیشه در دسترس نیستند، محدود می گردد. به عنوان مثال در روز ابری انرژی خورشیدی کاهش می یابد، در روز آرام انرژی باد کاهش می یابد و در زمان خشکسالی میزان آب جهت تولید انرژی آبی کاهش می یابد]10[.
شکل1-1- منابع انرژی تجدیدپذیر در سراسر جهان ]10[
1-3- ویژگی های انرژی تجدیدپذیر
انرژی تجدید پذیر عموماً از لحاظ انتشار آلاینده ها جزو انرژی های پاک بوده که در ذیل برخی خواص مهم این انرژی توضیح داده شده است:
الف) اثر گلخانه ای :
استفاده انرژی تجدیدپذیر بدون تولید دی اکسید کربن بوده که عامل اصلی ایجاد اثر گلخانه ای می باشد ولی سوختهای فسیلی مانند ذغال سنگ، نفت وگاز تولید کننده عمده دی اکسیدکربن می باشند.
ب)آلودگی هوا:
انرژی های تجدیدپذیر تاثیر مثبت بر کیفیت هوایی که تنفس می کنیم دارد. اما احتراق سوختهای فسیلی باعث تولید دی اکسیدکربن و اکسید نیتروژن می گردد که هر دو از منابع جدی آلودگی می باشند. این گازها از اجزای اصلی بارانهای اسیدی می باشند که عامل از بین رفتن جنگلها، آلوده شدن آبهای سطحی، زنگ زدگی فولاد و تخریب نمای سنگی ساختمان ها می باشند.
ج)آب:
یکی دیگر از موارد مطروحه در رابطه با انرژی تجدیدپذیر، آب می باشد. در جهان امروز که بحران آب مسئله ای جدی است، تبدیل انرژی تجدیدپذیر بسیار ارزشمند است. بسیاری از فن آوری ها، از استخراج معادن تا سایر کارخانجات صنعتی میزان مصرف آب خود را بر حسب میلیون لیتر در هر روز تحت کنترل قرار می دهند.
د) دیگر اثرات زیست محیطی:
تولید الکتریسیته ناشی از طیف وسیعی از سوخت، شامل تخریب و اکتشافات ناشی از سوختهای فسیلی و استخراج معادن، آلودگی های ناشی از نشت نفت بطور تصادفی و خطرات بهداشتی مرتبط با زباله های چرخه سوخت اتمی می باشند که با استفاده از انرژی تجدید پذیر بطور چشمگیری این خطرات کاهش می یابد.
البته باید توجه کرد که اگر چه انرژی تجدیدپذیر مسلما تمیزترین فن آوری تولید انرژی برق می باشد اما همانند هر صنعت دیگری، اثرات زیست محیطی به خود اختصاص می دهد. تولید و بهره برداری در مناطق روستایی، اثرات سمعی و بصری منفی بر محیط زیست محلی و حیات وحش ایجاد می کند. با این وجود این صنعت در قسمت توربین های بادی در مزارع رشد نموده است.
1-4- انواع منابع انرژی تجدیدپذیر
منابع انرژی تجدیدپذیر عباتند از: انرژی خورشیدی، انرژی باد و امواج، انرژی زمین گرمایی، فن آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده.
1-4-1- انرژی خورشیدی
تابش خورشید بزرگترین منبع تجدید پذیر انرژی روی کره زمین می باشد و اگر فقط یک درصد از صحراهای جهان با نیروگاه های حرارتی خورشیدی به کار گرفته شوند، همین مقدار برای تولید برق سالانه مورد تقاضای جهان کافی خواهد بود.
برای سود جستن از انرژی خورشیدی دو راه وجود دارد:
1) استفاده مستقیم از نور خورشید و تبدیل آن به الکتریسیته از طریق سلولهای فتوولتائیک4
2) استفاده مستقیم از انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انواع انرژی های دیگر و یا استفاده مستقیم از آن (کاربردهای نیروگاهی و غیر نیروگاهی خورشیدی)
یک نیروگاه خورشیدی شامل تاسیساتی است که انرژی تابشی خورشید را جمع کرده و با متمرکز کردن آن، درجه حرارتهای بالا ایجاد می کند. انرژی جمع آوری شده از طریق مبدلهای حرارتی، توربین ژنراتورها و یا موتورهای بخار به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد. نیروگاه های خورشیدی بر اساس نوع متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند:
نیروگاه سهموی خطی5
نیروگاه دریافت کننده مرکزی
نیروگاه دیش استرلینگ6 (این تکنولوژی در نیروگاه های خورشیدی مورد استفاده کمتری دارد و در کاربردهای غیر نیروگاهی بیشتر استفاده می شوند.)
شکل1-2- نیروگاه سهموی خطی 250 کیلووات شیراز ]12[
از انرژی حرارتی خورشید علاوه بر استفاده نیروگاهی، می توان در زمینه های زیر بصورت صنعتی، تجاری و خانگی استفاده کرد:
گرمایش آب مصرفی (آب گرمکنهای خورشیدی برای منازل، ساختمانها، کارخانجات و استخرها)
گرمایش فضای داخلی ساختمانها
سرمایش فضای داخلی ساختمانها و یخچالهای خورشیدی
آب شیرین کن های خورشیدی (در اندازه های خانگی و صنعتی)
خشک کن های خورشیدی (برای خشک کردن مواد غذایی و محصولات کشاورزی)
خوراک پزهای خورشیدی
1-4-2- انرژی زمین گرمایی
مرکز زمین (به عمق تقریبی 6400 کیلومتر)که در حدود 4000 درجه سانتیگراد حرارت دارد، به عنوان یک منبع حرارتی عمل نموده و موجب تشکیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت 650 تا 1200 درجه سانتیگراد در اعماق 80 تا 100 کیلومتری از سطح زمین می گردد. بطور میانگین میزان انتشار این حرارت از سطح زمین که فرایندی مستمر است، معادل 82 میلی وات در واحد سطح است که با در نظر گرفتن مساحت کل سطح زمین (10*1/5 متر مربع)، مجموع کل اتلاف حرارت از سطح آن، برابر با 42 میلیون مگاوات است. در واقع این میزان حرارت غیر عادی، عامل اصلی پدیده های زمین شناسی از جمله فعالیتهای آتشفشانی، ایجاد زمین لرزه ها، پیدایش رشته کوه ها (فعالیتهای کوه زایی) و همچنین جابجایی صفحات تکتونیکی7 می باشد که کره زمین را به یک سیستم دینامیک تبدیل نموده و پیوسته آن را تحت تغییرات گوناگون قرار می دهد.
امروزه با بهره گیری از فن آوریهای موجود، تنها بخش کوچکی از این منبع سرشار مهار شده و بطور اقتصادی قابل بهره برداری است.
بنابراین انرژی زمین گرمایی، همان انرژی حرارتی قابل استحصال از پوسته جامد زمین است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژی های تجدیدپذیر منشاء یک انرژی پایدار با فاکتور دسترسی 100% است که بطور شبانه روزی در طول سال قابل بهره برداری است.
شکل1-3- خروج بخار از یک چاه زمین گرمایی ]12[
از انرژی زمین گرمایی در دو بخش کاربردهای نیروگاهی ( غیر مستقیم)و غیر نیروگاهی ( مستقیم)استفاده می شود. تولید برق از منابع زمین گرمایی هم اکنون در22 کشور جهان صورت می گیرد که مجموع قدرت اسمی کل نیروگاه های تولید برق از این انرژی بیش از 8000 مگاوات می باشد. این در حالی است که بیش از 64 کشور جهان نیز با مجموع ظرفیت نصب شده بیش از 15000 مگاوات حرارتی از این منبع انرژی در کاربردهای غیر نیروگاهی بهره برداری می نمایند.
1-4-3- فن آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده
در سال 1997 میلادی کنوانسیون تغییرات آب و هوایی با هدف تثبیت غلظت گازهای گلخانه ای در اتمسفر، پروتکل کیوتو را مطرح نمود که به موجب این پروتکل کشورهای صنعتی ملزم به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای شده اند و هدف اصلی از این کنوانسیون دستیابی به تثبیت غلظت گازهای گلخانه ای در اتمسفر تا سطحی است که مانع تداخل خطرناک فعالیتهای بشری با سیستم آب و هوایی گردد و چنین سطحی در چهارچوب زمانی مناسب قابل اجرا خواهد بود تا اکوسیستم ها بطور طبیعی خود را با تغیییر آب و هوایی تطبیق دهند و اطمینان حاصل شود که امنیت غذایی تهدید نمی شود و توسعه اقتصادی بطور پایدار ایجاد می گردد. از سوی دیگر مجموعه انرژیهای تجدید پذیر روز به روز سهم بیشتری را در سیستم تامین انرژی جهان بعهده می گیرد؛ لذا در برنامه ها و سیاستهای بین المللی، نقش مهمی به منابع تجدید پذیر انرژی محول گردیده است.
اما سازگار نمودن این منابع با سیستم فعلی مصرف انرژی جهانی هنوز با مشکلاتی همراه است که بررسی و حل آنها حجم وسیعی از تحقیقات علمی جهان را در دهه های اخیر به خود اختصاص داده است.
تقریباً همه منابع انرژی تجدید پذیر بصورت تناوبی در دسترس هستند و بخودی خود قابل حمل یا ذخیره سازی نیستند و به همین دلیل نمی توانند بصورت سوخت به ویژه در حمل و نقل مورد استفاده قرار گیرند.
سوختهای پاک دارای خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که آنها را پاکتر از بنزین با ساختار و ترکیب فعلی در عمل احتراق می نمایند. این سوختها در حین احتراق مواد آلاینده کمتری تولید می کنند، در ضمن استفاده از این سوختها بشدت افزایش یافته و انباشته شدن دی اکسید کربن- که موجب گرم شدن زمین می گردد- را نیز کاهش می دهد. هیدروژن بعنوان یک سوخت پاک می تواند جایگزین مناسبی برای سایر سوختهای متداول و در آینده بعنوان یک حامل انرژی مطرح گردد. فراوانی سهولت تولید از آب، مصرف تقریباً منحصر بفرد و سودمندی زیست محیطی ذاتی هیدروژن از جمله ویژگیهایی است که آنرا در مقایسه با سایر گزینه های مطرح سوختی متمایز می کند. هیدروژن را می توان با استفاده از انواع منابع انرژی اولیه تولید کرد و در تمام موارد و کاربردهای سوختهای فسیلی مورد استفاده قرار داد. هیدروژن به ویژه منابع تجدید پذیر انرژی را تکمیل می کند و آنها را در هر محل و هر زمان، بصورت مناسبی در دسترس قرار داده و در اختیار مصرف کننده می گذارد. سیستم انرژی هیدروژنی بدلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دائمی، پایدار، فنا ناپذیر، فراگیر و تجدید پذیر می باشد. از اینرو پیش بینی می شود که در آینده ای نه چندان دور، تولید و مصرف هیدروژن به عنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهانی سرایت کرده و اقتصاد هیدروژن تثبیت شود.
شکل1-4- تولید برق از فن آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده ]12[
1-4-4- انرژی باد
کشور ایران از لحاظ منابع مختلف انرژی یکی از غنی ترین کشورهای جهان محسوب می گردد، چرا که از یک سو دارای منابع گسترده سوختهای فسیلی و تجدید ناپذیر نظیر نفت و گاز است و از سوی دیگر دارای پتانسیل فراوان انرژیهای تجدید پذیر از جمله باد می باشد.
با توسعه نگرشهای زیست محیطی وراهبردهای صرفه جویانه در بهره برداری از منابع انرژیهای تجدید ناپذیر، استفاده از انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مطرح در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است. استفاده از تکنولوژی توربینهای بادی به دلایل زیر می تواندیک انتخاب مناسب در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدید پذیر باشد:
الف) قیمت پایین توربینهای برق بادی در مقایسه با دیگر صور انرژیهای نو
ب) کمک در جهت ایجاد اشتغال در کشور
ج) عدم آلودگی محیط زیست
در کشورهای پیشرفته نظیر آلمان، دانمارک، آمریکا، اسپانیا، انگلستان و بسیاری کشورهای دیگر، توربینهای بادی بزرگ و کوچک ساخته شده است و برنامه هایی نیز جهت ادامه پژوهشها و استفاده بیشتر از انرژی باد جهت تولید برق در واحدهایی با توان چند مگاواتی مورد مطالعه می باشد.
در ایران نیز با توجه به وجود مناطق بادخیز، طراحی و ساخت آسیابهای بادی از 2000 سال پیش از میلاد مسیح رایج بوده و هم اکنون نیز بستر مناسبی جهت گسترش بهره برداری از توربینهای بادی فراهم می باشد.مولدهای برق بادی می تواند جایگزین مناسبی برای نیروگاه های گازی و بخاری باشند. مطالعات و محاسبات انجام شده در زمینه تخمین پتانسیل انرژی باد در ایران نشان داده اند که تنها در 26 منطقه از کشور (شامل بیش از 45 سایت مناسب)میزان ظرفیت اسمی سایتها، با در نظر گرفتن یک راندمان کلی 33%، در حدود 6500 مگاوات می باشد و این در شرایطی است که ظرفیت اسمی کل نیروگاه های برق کشور (در حال حاضر)34000 مگاوات می باشد. در توربینهای بادی، انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد.
پتانسیل قابل بهره برداری انرژی باد در جهان 110 اگاژول (هر اگاژول معادل 1018ژول) برآورد گردیده است که از این مقدار 40 مگاوات ظرفیت نصب شده تا اواخر سال 2003 میلادی (1382 ه.ش.)در جهان می باشد.از مزایای استفاده از این انرژی عدم نیاز توربین بادی به سوخت، تامین بخشی از تقاضاهای انرژی برق، کمتر بودن نسبی انرژی باد نسبت به انرژی فسیلی در بلند مدت، تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی، قدرت مانور زیاد در بهره برداری (از چند وات تا چندین مگاوات)، عدم نیاز به آب و نداشتن آلودگی محیط زیست می باشد.
شکل1-5- توربین 600 کیلو وات واقع در روستای بابائیان منجیل ]12[
توربین های بادی از جهت اندازه انواع مختلفی دارندکه عبارتند از:
الف)توربینهای بادی کوچک
از توربینهای بادی کوچک جهت تامین برق جزیره های مصرف و یا مناطقی که تامین برق از طریق شبکه سراسری برق مشکل می باشد، استفاده می شود. این توربینها تا قدرت 10 کیلووات توان تولید برق را دارا می باشند.
ب)توربینهای بادی متوسط
عموماً تولید برق این توربینها بین 250-10 کیلووات است. از این توربینها جهت تامین مصارف مسکونی، تجاری، صنعتی و کشاورزی استفاده می شود.
ج)توربینهای بادی بزرگ( مزارع بادی)
این نوع توربینها معمولاً شامل چند توربین بادی متمرکز با توان تولیدی 250 کیلووات به بالا می باشند که به صورت متصل به شبکه و یا جدا از شبکه طراحی می گردند ]12[.
هم اکنون در کشورمان ایران، نیروگاه بادی منجیل به ظرفیت 62 مگاوات در منطقه گیلان و نیروگاه بادی بینالود به ظرفیت 38/28 مگاوات در منطقه بینالود مشهد و یک توربین به ظرفیت 220 کیلووات در منطقه لوتک زابل و نیز تبریز در حال بهره برداری و تولید برق می باشند.
پارامترهایی که یک توربین بادی به عنوان شاخص های طراحی و ویژگی های مشخصه می تواند داشته باشد، مشتمل بر شعاع روتور8، ظرفیت نامی ژنراتور، ارتفاع برج و چندین پارامتر دیگر است. نحوه انتخاب این پارامترها و نیز تاثیر و جایگاه هر یک در میزان توان تولیدی و هزینه های مربوطه از اهمیت ویژه ای برخوردار است]1.[
1-5- تاریخچه مختصری از انرژی باد
با توجه به منابع مختلف، اولین کاربرد شناخته شده از نیروی باد در مکانی بین ایران و افغانستان کنونی در قرن هفتم تا دهم میلادی به ثبت رسیده است. این آسیاب های بادی عمدتاً جهت پمپ کردن آب و یا خرد کردن گندم مورد استفاده قرار می گرفته است. این آسیاب ها دارای محور عمودی بوده و از نیروی درگ جهت حرکت استفاده می کرده که باعث پایین بودن بهره وری آنها شده است. علاوه بر این از لحاظ عملکرد، وضعیت مناسبی نداشته اند.
شکل1-6 – آسیاب بادی ایرانیان9 ]11[
اولین آسیاب های بادی ساخته شده در اروپا که از نمونه های خاورمیانه ای الهام گرفته شده است با محور افقی ساخته شده که در این نوع آسیاب ها، نیروی لیفت جایگزین نیروی درگ گردیده است. بهترین نوع آسیاب های بادی که جهت تخلیه آب در اراضی کشاورزی مورد استفاده قرار گرفته، در هلند نصب شده اند]11[.
شکل1-7 – آسیاب بادی هلندی10 ]3[
توربین های بادی در ایالت متحده آمریکا در نیمه اول قرن نوزدهم میلادی تا دهه سوم قرن بیستم بطور عمده جهت آبیاری مورد استفاده قرار می گرفته اند. البته این نوع توربین ها، دارای تعداد پره های فولادی بسیاری بوده است.
شکل 1-8 – آسیاب بادی آمریکایی ( دارای تعداد پره زیاد) 11 ]3[
اولین تلاش برای تولید برق در پایان قرن نوزدهم میلادی صورت گرفته است که این نمونه ها از نوع محور افقی بوده است . البته در همان دوره ( سال 1931 میلادی) “جرج جین ماری داریوس” مشهورترین و پرکاربردترین توربین بادی با محور عمودی را ساخته است.
شکل 1-9- توربین بادی داریوس12 ]3[
نوع دیگری از توربین با محور عمودی توسط یک مهندس فنلاندی در سال 1992 اختراع شد که به پاس تلاش او به توربین ساونیوس معروف گردید. البته نمونه مشابه این توربین توسط یوهان ارنست الیاس بسلر، سالها قبل در سال 1745 ساخته شده بود. لازم بذکر است که این نوع توربین به علت راندمان پایین به شبکه برق قدرت شهری متصل نشد.
شکل 1-10 – توربین بادی ساونیوس13 ]3[
پیشرفت های اخیر منجر به دستیابی به تنوع زیادی از انواع توربین با محور عمودی از قدرت چند کیلو وات تا حدود 8 مگاوات گردیده است]3[.
1-6- انواع توربین بادی
وظیفه توربین هاي بادي، تبدیل انرژي باد به کار مکانیک (مانند آسیاب بادي و حرکت وزنه)و تولید الکتریسیته می باشد. توربین هاي بادي یک منبع جایگزین انرژي اند که تجدید پذیر بوده؛ از آنجایی که هیچ گونه آلودگی ندارند با محیط زیست کاملا سازگارند.
این نوع توربین ها به دو دسته کلی محور افقی و محور عمودي تقسیم میشوند.
1-6-1- توربین محور عمودی
در توربین ها یا روتورهاي محور عمودي، محور دوران عمود بر سطح زمین و چرخش تیغه ها به موازات زمین است و به همین دلیل سطحی که توسط باد به حرکت در میآید پس از نیم دور چرخش مجبور است در جهت عکس جریان باد به حرکت خود ادامه دهد و این مشکل سبب پایین آمدن ضریب توان آنها می شود. به همین دلیل در این روتورها منحنی پره از اهمیت خاصی برخوردار است.
1-6-1-1- مزایای توربین هاي محور عمودي :
از مزایاي این نوع توربین عمودي نسبت به توربین هاي بادي محور افقی، عدم حساسیت به جهت باد و آشفتگی آن می باشد (این نکته در مکانهایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلًا در بالاي ساختمانهاي مسکونی، یک امتیاز به شمار میرد.)
عملکرد مناسب و کارا هنگام وزش بادهاي مغشوش و گردابه اي از دیگر مزایای این توربین است.
توربین بادي محور عمودي می تواند در فاصله اي نزدیکتر به زمین نصب گردد و جعبه دنده و ژنراتور در نزدیکی زمین قرار می گیرند که این موضوع سبب امنیت و ارزانی بیشتر در ساخت و نگهداري و تعمیر آسانتر آن می شود و همچنین برج یا دکل نیاز به پشتیبانی آن ندارد.
از آنجا که نوك پره ها در این نوع توربین ها به محور دوران نزدیکتر است، سر و صداي کمتري نسبت به توربین محور افقی تولید می کنند و حجم واندازه کمتر آن ها، برخوردهاي محیطی را نیز کاهش میدهد.
1-6-1-2- معایب توربین هاي محور عمودي :
مشکل اصلی این نوع توربین ها، ایجاد نیروي مخالف نسبت به بادي که به پره دیگر می وزد، می باشد پس بازدهی انفرادي کمتر آنها در مقایسه با توربینهاي افقی و گشتاور تکانی (لنگر)که در طول هر دوره تناوب تولید می شود؛ کمتر است.
نصب توربین هاي محور عمودي روي برج ها سخت است؛ بدین معنی که آنها باید در جریان هاي هوایی آهسته تر با اغتشاش بیشتر و نزدیک زمین با بازده استخراج انرژي پایین تر عمل کنند.
به دلیل کم بودن سرعت دورانی پره ها، گشتاور زیاد است.
هزینه بالاي طراحی و تحلیل ایرفویل پره ها از دیگر مسایل است. جبران بازده کمتر توربینهاي محور عمودی از طریق چیدمان فشرده تر آنها و طراحی جدید امکانپذیر است. مسأله خستگی سازه نیز با قابلیت پیش بینی دقیقتر بارهاي آیرودینامیکی تا حد زیادي قابل بر طرف شدن است.
1-6-2- توربین محور افقی
این نوع توربین ها رایج ترین توربین هاي بادي هستند که مورد استفاده قرار می گیرند. همه اجزاي آن (پره ها، شفت، ژنراتور)در بالاي برج بلندي قرار گرفته و تیغه ها رو به باد طراحی شده اند. محور شفت نسبت به زمین افقی است، باد در حال برخورد به تیغه ها باعث چرخش آن ها می شود. در انتهاي محور، چرخ دنده اي وجود دارد که به ژنراتور متصل است و برق تولید شده را به شبکه قدرت می رساند. این توربین ها چند بخش کلیدي دارند که بهره وري را بالا می برد. موتور انحراف دهنده پره ها کاري می کنند که پره ها همواره رو به باد باشند. در مقابل بادهاي شدید، توربین ترمزي دارد که به سیستم استراحت می دهد و از هر گونه صدمه اي جلوگیري به عمل می آورد.
توربین هاي محور افقی، داراي ساختمان پیچیده بوده و نصب آنها فقط در مناطق با باد دائمی و سرعت بالا ارزش اقتصادي دارد. اما توربین هاي محور عمودي داراي ساختمان و نصب بسیار ساده اي بوده و در سرعت ها و جهت هاي مختلف باد قابل استفاده می باشند. این توربین ها، بر خلاف توربین هاي محور افقی، داراي سرعت دورانی کم و گشتاور زیاد بوده و مستقل از جهت باد هستند. به همین دلیل از آنها بیشتر براي تولید برق



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید