برهمکنش سیال-سازه توربین های بادی تلقی گردد.
۱-۹- مروری اجمالی بر فصول پایان نامه
همانطور که در این فصل بیان شد، ابتدا به تعریف انرژی تجدیدپذیر و انواع آن پرداختیم. 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 نمودیم و سپس انواع توربین های بادی که شامل محور عمودی و افقی بوده را بررسی کرده و به بیان محاسن و معایب آن پرداختیم. در پایان نیز مقالات به چاپ رسیده بیست سال اخیر در این زمینه را بررسی نمودیم تا خواننده محترم با آشنایی کامل با موضوع پایان نامه به فصلهای بعدی که توضیحات تخصصی بیشتری در رابطه با توربین بادی محور عمودی داده شده است، مراجعه نماید.
در فصل ۲، به تشریح آخرین مقاله در زمینه برهمکنش باد بر پره های توربین پرداخته می شود و سپس تئوری های مختلفی که دانشمندان در رابطه با ضریب قدرت توربین و .. ارائه نموده اند بررسی می شود و در نهایت، مقادیر ضریب قدرت در دو تئوری گلائورت و بتز محاسبه و مقایسه خواهد شد.
در فصل ۳، مدلسازی برهمکنش سیال-سازه برای شبیه سازی دینامیکی توربین ساوونیوس ارایه شده است.
در فصل ۴، نتایج تحلیل عددی با ارائه نمودارهای مختلف از قبیل نمودار گشتاور استاتیکی، ضریب قدرت و … بررسی خواهدشد.
در فصل آخر نیز با جمع بندی نتایج بدست آمده در پایان نامه، پیشنهادهایی برای انجام تحقیقات بعدی ارائه خواهد شد.

فصل دوم: معرفی پارامترهای آنالیز FSI
۲-۱- مقدمه
در این فصل، ابتدا پارامترهای موثر بر نتایج آزمایشگاهی که بر اساس مرجع ]۵[ معرفی می شود. این پارامترها شامل گشتاور استاتیکی، زاویه فاز، نسبت هم پوشانی پره ها، و ضریب قدرت توربین می باشد.
سپس دو تئوری مهم در زمینه توربین های بادی توضیح داده خواهد شد. این تئوری ها شامل تئوری بتز و گلائورت می باشد. تئوری بتز قادر است به کمک قوانین ابتدایی فیزیک انرژی مکانیکی حاصل از برخود جریان هوا به پره های یک توربین را محاسبه کند. هر چند که استخراج قدرت بهینه به نسبت سرعت سیال قبل از توربین، به سرعت سیال بعد از آن بستگی دارد. اگرچه در تئوری حرکت بتز جهت ساده سازی معادلات فرض بر آن است که در یک توربین اصطکاک بین سیال و پره های توربین ناچیز می باشد اما همان معادلات هنوز به عنوان معادلات بنیادین مورد استفاده قرار می گیرد. در تئوری گلائورت نیز، به بررسی طراحی مفهومی آیرودینامیکی پره توربین بادی و طراحی مفهومی سازه ای پره های توربین بادی پرداخته شده و روابط مورد نیاز برای محاسبه دقیق هندسی برای سطح پره توربین های بادی محور افقی، بیان گردیده است.
۲-۲- معرفی پارامترهای موثر بر نتایج آزمایشگاهی
در تمامی مقالات ارائه شده در رابطه با پره های توربین بادی تنها نتایج بصورت آزمایشگاهی بررسی شده است و هیچ مقاله ای که به فرایند کامل برخورد هوا با پره های توربین و بررسی شرایط مختلف ایجاد شده بر روی پره ها پرداخته باشد، در دسترس نیست. لذا بهتر است تا به تشریح پارامترهای موثر بر نتایج آزمایشگاهی بپردازیم.
در مقاله ای که اخیرا در رابطه با موضوع این پایان نامه، ارائه شده است ، نتایج آزمایشگاهی نوعی از توربین ساوونیوس با محور عمودی بررسی شده که در آن توربین ها با نسبت هم پوشانی پره ها ی متفاوت و همچنین تغییر زاویه پره هادر دو طبقه توربین های دوطبقه ای، مورد ارزیابی قرار گرفته است. هر نوع توربین در چهار سرعت باد متفاوت تحت بررسی قرار گرفته شده است.
ضریب قدرت توربین با محور عمودی بستگی به پارامترهای مختلفی، از جمله: تعداد پره ها، شکل پره ها، نسبت هم پوشانی پره ها و تغییرزاویه پره ها در توربین های دو طبقه دارد.
در مقاله حاضر سه توریین با نسبت هم پوشانی های متفاوت ساخته شده و تحت آزمایش قرار گرفته و نتایج آن مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، توربین ها می توانند در زوایای متفاوت که شامل می باشد، قبل از تست قرار بگیرند که این باعث تغییر در زوایای برخورد سیال با پره های توربین می گردد.
تئوری کلی توربین ساوونیوس بسیار ساده می باشد. انرژی باد نیرویی را بر سطح پره ها وارد می کند که این باعث چرخش پره ها حول یک محور می گردد. جهت تخمین ضریب قدرت توربین ، هایو(۲۰۰۶) معادله زیر را ارائه نمود که عموما مورد استفاده قرار می گیرد]۵[.
(۲-۱)
(۲-۲)
که در رابطه فوق، سرعت نوک پره های توربین، ضریب دراگ در توربین ساوونیوس و سرعت سیال می باشد.
بنابراین، معادله فوق، تعداد پره های توربین، نسبت فاصله و شکل پره های توربین را نادیده گرفته است و تنها ضریب دراگ را در معادله تاثیر داده است.
معادله دقیق تر جهت بررسی رفتار پره های توربین توسط چاوئین و بینگریپ (۱۹۸۹) ارائه شده که بر اساس نتایج آزمایشگاهی استوار است. چاوئین توربین ساووینوسی با دو پره ساخته و مجهز به انواع سنسورها نموده و تحت باد با سرعت ۱۰ و ۱۲ متر بر ثانیه تست نموده که حاصل آن رابطه زیر می باشد]۵[.
(۲-۳)
(۲-۴)
از اختلاف فشار بین سطوح پره های توربین، گشتاور دینامیک محاسبه می گردد. بنابراین، برای استفاده از یک مدل تحلیلی، اختلاف فشار بین پره ها در زوایای مختلف قابل دسترسی می باشد. دقیق تر کردن معادله بالا ، کار بسیار پیچیده ای می باشد و معادله بالا از ساده سازی تخمین ضریب قدرت توربین بدست آمده است آن هم در صورتی ک
ه تمامی مشخصات و ویژگی های توربین را داشته باشیم.
توربین ساوونیوس معمولا به عنوان یک توربین با نیروی دراگ شناخته می گردد اما مقاله فوق نشان می دهد که این توربین مشخصات نیروی لیفت را دارا می باشد.
چاوئین و بینگریپ (۱۹۸۹)نشان دادند که ضریب لیفت اثر منفی در مقدار ضریب قدرت توربین می گذارد. بنابراین در صورتی که نیروی لیفت را بهبود بخشید مقدار ضریب قدرت توربین افزایش می یابد.
راه دیگر افزایش میزان ضریب قدرت توربین، تغییر در طراحی پره های توربین می باشد. یاسویوکی (۲۰۰۳) توربینی با پره های چرخشی را مورد تحقیق قرار داد و میزان گشتاور اولیه را همانند ضریب قدرت توربین بررسی و بهینه نمود.
نسبت سرعت نوک پره توسط رابطه زیر بدست می آید.
(۲-۵)
که در رابطه فوق، سرعت زاویه ای روتور می باشد. ضریب گشتاور استاتیکی توسط رابطه زیر محاسبه می گردد.
(۲-۶)
که در رابطه بالا، گشتاور استاتیکی از مقادیر آزمایشگاهی محاسبه می گردد و مقدار مساحت چرخش توربین می باشد که به کمک رابطه ذیل بدست می آید.
(۲-۷)
و ضریب گشتاور را نیز می توان توسط رابطه زیر بدست آورد.
(۲-۸)
توربینی که در مقاله حاضر بررسی گردیده است، به شکل زیر می باشد.

شکل ۲-۱- توربین داریوس مورد بررسی در پایان نامه ]۵[

شکل ۲-۲- بررسی تغییر زاویه بین صفحات روتور در توربینهای دو طبقه ]۵[

حال به بررسی پارامترهای موثر در نتایج آزمایشگاهی می پردازیم.
۲-۲-۱- گشتاور استاتیکی
ضریب گشتاور استاتیکی برای توربین دو طبقه DS0PSA0OL در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل ۲-۳- نتایج گشتاور استاتیکی توربین دو طبقه با زاویه تغییر فاز ۰ درجه ]۵[

همانطور که در شکل ۲-۳ مشاهده می شود توربین با چهار نوع باد تحت آزمایش قرار گرفته است. ضریب گشتاور استاتیکی برای باد با سرعت و بسیار نزدیک هم می باشند. نمودار گشتاور برای سرعت و نیز تا زاویه همانند نمودار سرعتهای و می باشد.
نتایج گشتاور در سرعت های و کمترین مقدار خود را حدود زاویه پیدا می کند. نمودار گشتاور استاتیکی برای سرعتهای و با اختلاف فاز نسبت به سرعتهای و می باشد.
۲-۲-۲- زاویه فاز
همانطور که در شکل ۲-۴ مشاهده می شود ضریب گشتاور استاتیکی توربین با نسبت هم پوشانی برای توربین با زاویه تغییر فاز یکسان افزایش می یابد. همچنین این ضریب جهت توربین با نسبت هم پوشانی درجه بهترین مقدار ضریب گشتاور استاتیکی را دارا می باشد چراکه در این توربین قسمت بالایی و پایینی توربین در راستای افزایش ضریب گشتاور استاتیکی به هم کمک می کنند.

شکل ۲-۴- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای ۵ نوع توربین در سرعت باد ]۵[

۲-۳-۳- نسبت هم پوشانی پره ها
شکل ۲-۵ ویژگی های گشتاور شروع را برای توربین و و نشان می دهد. توربین با نسبت هم پوشانی صفر مقادیر منفی ضریب گشتاور استاتیکی بین الی درجه را دارا می باشد. در حالی که برای توربین با نسبت هم پوشانی و تنها ضریب گشتاور استاتیکی مثبت دارد. به صورت کلی می توان بیان کرد که ضریب گشتاور استاتیکی میانگین با افزایش نسبت هم پوشانی نیز افزایش می یابد. شکل ۶ نیز همین نمودار را برای توربین های تک طبقه نشان می دهد.

شکل ۲-۵- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای ۳ نوع توربین در سرعت باد ]۵[

شکل ۲-۶- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای ۳ نوع توربین در سرعت باد ]۵[

افزایش شدید گشتاور استاتیکی بین درجه و قابل مشاهده است. شکلهای ۵ و ۷ و ۸ نیز حرکت نقطه بیشینه را برای شرایط مختلف نشان می دهد.

شکل ۲-۷- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای ۳ نوع توربین در سرعت باد ]۵[

شکل ۲-۸- نتایج گشتاور استاتیکی توربین برای ۳ نوع توربین در سرعت باد ]۵[

۲-۲-۴- گشتاور دینامیکی(ضریب قدرت)
شکلهای ۲-۹ الی ۲-۱۱ نمودار گشتاور دینامیکی را برای توربینهای در سرعت باد نشان داده است. برای نسبت سرعت نوک پره های توربین متفاوت که در شکل ۱۱ نشان داده شده است، مقدار گشتاور دینامیکی بیشینه بین برای توربین و برای توربین می باشد.
مجددا برای سرعت باد ، نیز مقدار گشتاور دینامیکی بیشینه بین برای توربین و برای توربین می باشد. لازم به ذکر است که عملکرد توربین و مشابه هم می باشد بدین صورت که نسبت سرعت نوک پره های توربین بسیار نزدیک هم بوده اما مقدار گشتاور دینامیکی توربین بیشتر از توربین می باشد ( مطابق شکل ۲- ۱۱).

شکل ۲-۹- نتایج ضریب قدرت توربین برای ۳ نوع توربین در سرعت باد ]۵[

شکل ۲-۱۰- نتایج ضریب قدرت توربین برای ۳ نوع توربین در سرعت باد ]۵[

شکل ۲-۱۱- نتایج ضریب قدرت توربین برای ۳ نوع توربین در سرعت باد ]۵[

همانطور که در نمودارهای فوق بررسی کردیم، عملکرد توربین ساوونیوس با محور عمودی به مقدار نسبت هم پوشانی بسیار بستگی دارد. همچنین تغییر زاویه فاز نیز بر عملکرد توربین براساس سرعت باد تاثیر می گذارد که بررسی گردید که مقدار زاویه فاز بزرگتر در سرعت باد کمتر تاثیر بهتری دارد و در زاویه فاز یکسان در سرعت باد بالاتر، توربین عملکرد بهتری از خود نشان می دهد]۵ .[
جهت تشریح حرکت جریان هوا، تئوری ساده میزان گشتاور استاتیکی توسط بتز۱۹ ماکزیمم مقدار ضریب قدرت ۰.۵۹۳ را در نظر گرفته است و مستقل از نسبت سرعت نوک پره می باشد. با توجه به گشتاور زاویه ای، ضریب قدرت تابع نسبت سرعت نوک پره می باش
د. این در حالی است که ضریب قدرت در مقدار نسبت سرعت نوک پره، بینهایت به سمت مقدار ایده آل بتز میل می کند.
۲-۳- تئوری بتز
هدف اصلی توربین بادی تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریسیته می باشد. استخراج انرژی مکانیکی از انرژی باد به کمک یک صفحه دیسک شکل به شرح ذیل می باشد که البته اعتبار این قوانین به احترام آلبرت بتز، قوانین بتز نامیده شده است.
درسال ۱۹۲۲ الی ۱۹۲۵ میلادی، بتز نوشته ای منتشرو در آن بیان کرد که او قادر است به کمک قوانین ابتدایی فیزیک، انرژی مکانیکی حاصل از برخود جریان هوا به پره های یک توربین را محاسبه کند. علاوه براین، او بیان کرد که استخراج قدرت بهینه به نسبت سرعت سیال قبل از توربین به سرعت سیال بعد از آن بستگی دارد. اگرچه در تئوری حرکت بتز جهت ساده سازی معادلات، فرض بر آن است که در یک توربین، اصطکاک بین سیال و پره های توربین ناچیز می باشد اما همان معادلات هنوز به عنوان معادلات بنیادین مورد استفاده قرار می گیرد.
در ذیل معادلات ریاضی بتز که بر اساس معادلات بنیادین فیزیک است ارائه شده است.
انرژی جنشی هوا به جرم که با سرعت در حال وزیدن است به صورت ذیل بدست می آید:
(۲-۹)
با توجه به سطح مقطع مشخص که در آن جریان سیال با سرعت در حال گذر است، نرخ جریان حجمی در واحد زمان به صورت ذیل می باشد:
(۲-۱۰)
همچنین ، نرخ دبی جرمی با چگالی سیال هوا نسبت مستقیم دارد.
(۲-۱۱)
این معادلات، بیانگر انرژی جنبشی سیال در حال حرکت و جریان جرم و عملکرد مقدار عبور انرژی از طریق سطح مقطع در واحد زمان می باشد. این انرژی از لحاظ فیزیکی به قدرت بستگی دارد:
(۲-۱۲)
سوال این است که چه میزان انرژی مکانیکی را می توان به کمک یک توربین از جریان آزاد استخراج کرد؟ همانطور که انرژی مکانیکی را تنها از انرژی جنبشی داخل سیال در جریان می توان استخراج کرد به این معنا که در جریان با دبی ثابت، سرعت سیال بعد از توربین باید کمتر از سرعت اولیه سیال قبل از توربین باشد، کاهش سرعت به این دلیل است که با وجود دبی ثابت،سطح مقطع افزایش می یابد. به این ترتیب لازم است شرایط سیال قبل و بعد از توربین مورد ارزیابی قرار گیرد.(شکل ۲-۱۲)

شکل ۲-۱۲- شرایط سیال در سطح مقطع مشخص با دبی ثابت بر اساس تئوری ابتدایی حرکت ]۱۰[

در اینجا سرعت جریان آزاد سیال قبل از رسیدن به توربین می باشد و سرعت سیال بعد از عبور از توربین می باشد. صرفنظر از هر گونه تلفات، انرژی مکانیکی ناشی از برخورد سیال با پره های توربین از اختلاف فشار قبل و بعد از توربین بدست می آید.
(۲-۱۳)
با در نظر گرفتن، حجم سیال (معادله پیوستگی) داریم:
(۲-۱۴)
بنابراین؛
(۲-۱۵)
از این معادله

Written by 

دیدگاهتان را بنویسید