با محور عمودی شده است. آنها بر نوع توربین با سرعت پایین متمرکز شدندکه ذاتاً به صورت آیرودینامیکی ناپایدار بوده وشدیدترین نوع بارگذاری ها را تجربه می کند]۴[.
در سال ۲۰۰۶ سئونگ و همکارانش به تحقیق و پژوهش برای بهبود عملکرد توربین محور عمودی با پره های مستقیم پرداخته اند. به منظور بهبود عملکرد سیستم تولید برق، توربین با محور عمودی که متشکل از پره های مستقیم و موازی با محور توربین تحت دو سیستم تیغه مستقیم و موازی۱۴ (شبیه دایره) و سیتم کنترل فعال تیغه است، مورد بررسی قرار گرفته است.
برای توربین بادی با سیستم سیکلی، تجزیه و تحلیل آیرودینامیکی با تغییر زاویه گام و زاویه فاز بر اساس حرکت سیکلی و با در نظر گرفتن تغییر سرعت و جهت وزش باد مورد بررسی قرار گرفته است. با این روش انرژی الکتریکی تولیدی حدود ۳۰ درصد بیشتر از انرژی تولید شده به روش زاویه فاز ثابت می باشد. با به حداکثر رساندن نیروی مماسی در هر یک از تیغه های دوار در موقعیت چرخش خاص، نوع بهینه زاویه گام، بدست آمده است.
در تحقیق سئونگ چندین ایرفویل ( مانند)مورد بررسی قرار گرفته شده و در نهایت در آن تحقیق با تجزیه و تحلیل آیرودینامیک، بهبود عملکرد ۶۰% بدست آمده است.

شکل ۱- ۱۳- سیستم تیغه مستقیم و موازی ]۶[

در شکل ۱-۱۳ هنگامی که جهت باد از بالا به پایین باشد، چرخش روتور در جهت ساعتگرد می باشد. زاویه زاویه خط مماس و خط خمیده تیغه است و زمانی به ماکزیمم مقدار خود می رسد که زاویه در شکل بالا ۹۰ یا ۲۷۰ درجه باشد.
شکل ۱- ۱۴ تولید برق با توجه به ضریب (نسبت سرعت نوک پره به سرعت وزش باد)را برای ۴ زاویه گام متفاوت و با سرعت باد نشان می دهد. همانطور که ملاحظه می شود هر چه سرعت چرخش روتور افزایش می یابد، قدرت بیشتری تولید می گردد و در نمودار قدرت پس از نقطه ماکزیمم با کاهش میزان قدرت روبرو هستیم.
مقدار ماکزیمم قدرت در زاویه گام و بدست می آید. حداکثر قدرت در مقدار زاویه گام بزرگتر و سرعت پره کوچکتر حاصل می گردد و این بدین معنی است که گشتاورهای زیادی را می توان با زاویه گام های بزرگتر در شرایط شروع، بدست آورد.

شکل ۱-۱۴- قدرت تولید شده بر اساس ضریب ]۶[
شکل ۱۵ قدرت تولید شده را بر اساس زاویه گام و زاویه فاز نشان می دهد. حداکثر مقدار خروجی در زاویه گام و زاویه فاز تولید می گردد و مقدار بهینه زاویه فاز با مقدار زاویه گام متفاوت است]۶[.

شکل ۱-۱۵- قدرت تولید شده بر اساس زاویه فاز و زاویه گام ]۷[

در همان سال سوزوکی و همکارانش نیز به بررسی تعداد پره ها و زاویه فاز پره های توربین داریوس پرداخته اند]۷[.
در سال ۲۰۱۰ بروک و همکارش به طراحی، تجزیه و تحلیل پره کامپوزیتی به روش مدل سازی المان محدود، پرداخته است. در این تحقیق، یک تیغه با ساختار ساندویچی با مواد ترموپلاستیک شیشه ای و پوسته کامپوزیتی که توسط یک هسته فوم ترموپلاستیک تقویت شده، پیشنهاد شده است. آزمایش های انجام شده در یک مقیاس کوچک که در راستای وتر با نسبت ۲/۱ و در راستای طول با نسبت ۴/۱ انجام شده است.

شکل ۱-۱۶- توربین با محور عمودی با پره های کامپوزیتی تقویت شده ]۸[

شکل ۱-۱۷- هندسه پره توربین در مقیاس واقعی و مقیاس کوچکتر ]۸[

شکل ۱۸ مقایسه تجربی و شبیه سازی نیرو- جابجایی را برای پره با مقیاس کوچکتر نشان می دهد که در آن پاسخ اولیه در ناحیه الاستیک تا نقطه اوج افزایش یافته و به دنبال آن تا میزان ۶۶% کاهش میابد. منحنی شبیه سازی نشان می دهد که رابطه خوبی با شکل کلی از منحنی آزمون دارد. بار پیش بینی در اوج ۴.۴۲ کیلونیوتن و جابجایی در بار اوج ۲۵ میلیمتر بوده و بر اساس نتایج تجربی بار ۴.۴ کیلونیوتن وجابجایی ۲۸ میلیمتر خواهیم داشت.

شکل ۱-۱۸- مقایسه نتایج تجربی و شبیه سازی ]۸[
(a) نمودار نیرو-جابجایی (b) الیاف و ماتریس شکست (c) پیش بینی شکست الیاف (d) پیش بینی شکست ماتریس

همانطور که در شکل بالا ملاحظه می نمایید مقایسه تجربی و شکست در پره ها پیش بینی شده است. شکست پیش بینی شده در مقیاس واقعی، شامل شکستگی فیبر فشرده، و شکست ماتریس در مرکز پوسته بالا و لبه پیشرو در نزدیکی سر بارگیری، اتفاق خواهد افتاد. با این حال، مدل، قادر به پیش بینی شکست نهایی در هسته، پوسته و یا جداشدن پوسته از هسته نمی باشد و این به دلیل آنست که یک پیوند کامل بین هسته و پوسته در نظر گرفته شده است. با این وجود، عملکرد کلی مدل در یک محدوده بارگذاری، مناسب بوده و با اطمینان میتوان برای تجزیه و تحلیل و پیش بینی در مقیاس کامل مورد استفاده قرار داد]۸[.
در همان سال ریچارد بروان و همکارانش نیز به بررسی انتقال توان به روتور در اثر وزش باد به پره های توربین با محور عمودی پرداختند. در این تحقیق بررسی شد که چرخش توربین باعث تغییرات زیادی در زاویه حمله تیغه های آن می گردد که میتوان آن رابه عنوان شکست دینامیکی نشان داد. علاوه بر این، اثرات متقابل میان پره های توربین و باد می تواند منجر به شکست دینامیکی ،تشدید و تغییرات ناگهانی بارگذاری آیرودینامیکی به پره گردد .
مشخص است که توربین با محور عمودی با پره های مستقیم گشتاور خود را به شفت مرکزی انتقال می دهدکه این گشتاور بصورت فرکانسی نوسان می کند. اما توربین با پره های منحنی ،گشتاور نسبتا ثابتی به شفت منتقل می کند.
در مقاله ریچارد بروان، نشان داده شده است که برهمکنش بین سیال و تیغه های منحنی منجر به آشفتگی های موضعی به بار
آیرودینامیک می گردد که تاثیر بسزایی بر قدرت خروجی می گذارد و این درحالی است که در صورت حذف چنین آشفتگی های موضعی، قدرت خروجی نسبتا یکسانی خواهیم داشت. همچنین نشان داده شده است که توربین های محور عمودی با پره های منحنی نسبت به پره مستقیم تاحدودی به شکست دینامیکی موضعی حساس ترند.
در این تحقیق سه نوع توربین با محور عمودی مورد بررسی قرار گرفته که در شکل ۱-۱۹ نمایی کلی از آنها نمایش داده شده است]۹[.

شکل ۱-۱۹- هندسه توربین با محور عمودی (a) پره مستقیم (b) پره منحنی (c) پره پیچشی ]۹[
در زیر جهت هر یک از سه توربین بالا نمودار نیروهای مماسی و عمودی به تفکیک بررسی شده است.

شکل ۱-۲۰- نمودار مماسی و عمودی توربین با محور عمودی با پره مستقیم ]۹[

شکل ۱-۲۱- نمودار مماسی و عمودی توربین با محور عمودی با پره منحنی ]۹[

شکل ۱-۲۲- نمودار مماسی و عمودی توربین با محور عمودی با پره پیچشی]۹[

در سال ۲۰۱۱ کومبرنس و همکارانش نیز به بررسی نسبت همپوشانی و تغییر زاویه چرخش در توربین ساوونیوس پرداخته اند. در این تحقیق نشان داده می شود که نسبت هم پوشانی بالاتر، اثر بیشتری در شروع چرخش توربین ساوونیوس نسبت به تغییر زاویه چرخش دارد. همچنین مشخص می گردد زاویه فاز رابطه مستقیمی با سرعت باد داخل تونل دارد که باعث افزایش ضریب قدرت۱۵ توربین دارد. نکته جالب در نتایج این تحقیق این است که بر خلاف نظریه عمومی که معتقد است توربین ساوونیوس در اثر نیروی دراگ می چرخد پیشنهاد می کند که در پارامترهای مربوط به این توربین توجه ویژه ای به نیروی لیفت گردد.
تئوری کلی توربین ساوونیوس بیان می کند که در اثر ایجاد نیروی فشاری روی سطوح پره های توربین توسط باد، توربین دور محور خود می چرخد. جهت تخمین ضریب قدرت هائو معادله زیر را ارائه کرد.
(۱-۱)
(۱-۲)
در این معادله، سرعت نسبی باد، سرعت نوک پره توربین،ضریب دراگ در توربین ساوونیوس و سرعت جریان آزاد باد می باشد.
همانگونه که دیده می شود در معادله بالا، تعداد پره های توربین، نسبت شکاف، انحنای پره توربین و … در نظر گرفته نشده است. لذا یک رابطه تحلیلی دقیق تر جهت عملکرد توربین ساووینیوس توسط چائووین و همکارش جهت توربین با دو پره ارائه گردید که بر پایه اطلاعات تجربی سالهای قبل تخمین زده شده است.
(۱-۳)
(۱-۴)
در این رابطه، گشتاور دینامیکی آنی در دو راستای ، اختلاف فشار بین دو سطح پره اول و اختلاف فشار بین دو سطح پره دوم و زاویه موقعیت پره توربین می باشد.
در رابطه فوق، از اختلاف فشار بین دو سطح یک پره، گشتاور آنی محاسبه می گردد . جهت استفاده از فرمولهای (۳) و (۴) نیاز به این اختلاف فشار در زوایای مختلف داریم. همچنین لازم به ذکر است که این رابطه برای تخمین گشتاور دینامیک آنی سطوح ساده قابل استفاده می باشد.
اخیراً، روشهای عددی پیشرفته، برخی پدیده های جریان را نمایش داده و تشریح می کند. بوئورابا و همکارش (۲۰۰۴) جهت تخمین جریان و عملکرد توربین یک بسته نرم افزاری را استفاده کردند اما این روشهای عددی قابلیت پیش بینی عملکرد توربین ساووینیوس را ندارند و تنها راه ممکن که تا کنون پیشنهاد شده است استفاده از نتایج آزمایشگاهی می باشد.
همانگونه که در بالا ذکر شد، توربین ساووینیوس معمولاً توسط نیروی دراگ به چرخش در می آید اما کلومبرنس در تحقیقاتش نشان می دهد که نیروی لیفت تاثیر بسزایی در این نوع توربین دارد. فرناندو (۱۹۷۹) نیز در تحقیقات خود، نشان می دهد که توربین ساوونیوس از برآیند دو نیروی دراگ و لیفت به چرخش در می آید. چائووین و همکارش (۱۹۸۹) نیز بیان میکنند که ضریب لیفت تاثیر منفی بر ضریب قدرت توربین در مقادیر پایین نسبت به سرعت۱۶ دارد. لذا در صورتی که ضریب لیفت در توربین بهبود یابد عملکرد کلی توربین ارتقاء می یابد. تغییر طراحی پره های توربین یکی از روشهای ارتقای عملکرد توربین می باشد. یاسویوکی (۲۰۰۳)پس از بررسی پیچ و تاب پره های توربین بیان کرد که در صورت بهبود بخشیدن گشتاور شروع چرخش، ضریب قدرت بهبود می یابد. همچنین، پرابهوو (۲۰۰۹) در بررسی خود به این نتیجه رسید که در صورت حذف شافت میانی توربین ، عملکرد توربین بهتر می گردد.
نتایجی که در تحقیقات کلومبرنس بدست آمده گویای تاثیرات نیروی لیفت در ضریب قدرت می باشد که در زیر چندی از نتایج را بررسی می نماییم.
الف) گشتاور استاتیکی
گشتاور استاتیکی توربین در سرعت بادهای متفاوتی بدست آمده که در زیر نمایش داده شده است. در شکل ۱-۲۳ نشان داده می شود که گشتاور استاتیکی در زوایای شروع حرکت افزایش می یابد و سپس پس از چرخش ۹۰ درجه ای گشتاور استاتیکی تقریباً صفر می گردد و نهایتا در ۲۰ درجه بعد از آن گشتاور مجدداً افزایش می یابد. همچنین می توان از این نمودار دریافت که گشتاور استاتیکی در نمودار های و بسیار نزدیک هم می باشد و این دو نمودار در زوایای بین ۸۵-۹۰ درجه کمترین اختلاف را با هم دارند و برای نمودارهای و در زوایای بین ۹۵-۱۰۰ درجه کمترین اختلاف وجود دارد.

شکل۱-۲۳- نمودار گشتاور استاتیکی۱۷]۵[

ب) تاثیر نسبت همپوشانی
شکل ۱-۲۴ نشان می دهد که توربین با نسبت هم پوشانی۱۸ صفر دارای ضریب گشتاور استاتیکی منفی درزوایای ۸۵ الی۹۰ درجه می باشد در حالی که برای نسبت هم پوشانی۰.۱۶،۰.۳۲ ضریب گشتاور استاتیکی مثبت می باشد. در حالت کلی، مقدار ضریب گشتاور استاتیکی با افزایش نسبت هم پوشانی، افزایش می یابد. در
نمودار زیر مشاهده می گردد که در زوایای ۹۵ الی۱۱۰ درجه منحنی دارای تغییر ناگهانی می باشد که این تغییر در تحقیقات قبلی که توسط جونز و همکارانش انجام گرفته بود نیز نشان داده شده بود.

شکل ۱-۲۴- نمودار گشتاور استاتیکی (برای ۳ نوع توربین با ) ]۵[

لازم به ذکر است که مقاله فوق کلیه داده های خود را به صورت تجربی جمع آوری نموده و محققان آن نتوانسته بودند تا تحقیقات خود را توسط نرم افزار مدلسازی نموده و با نتایج بدست آمده با آزمایشات تجربی صحت سنجی نمایند]۵[.
آرمسترانگ و همکارش نیز به بررسی بارگذاری آیرودینامیکی در توربین با محور عمودی پره مستقیم پرداخته اند. ایشان پس از انجام آزمایشات متعدد در تونل باد و در شرایط مختلف، به تاثیرگام ثابت تیغه های مستقیم شیب دار در باد با سرعت پرداختند. در شکل ۱-۲۵ نشان داده می شودکه ضریب قدرت در زاویه به مقدار ماکزیمم خود ۰.۲۷ می رسد و این مقدار در زاویه کاهش می یابد.
مقدار ماکزیمم ضریب قدرت در نسبت سرعت تیغه حدودی می باشد. عملکرد توربین به طور قابل توجهی نسبت به زاویه گام حساس بوده و در نسبت سرعت تیغه حدودی ضریب قدرت ماکزیمم در محدوده ۰.۰۶ الی ۰.۲۴ تغییر می یابد.
استفاده از زاویه گام بهترین عملکرد را در سرعت بادهای مختلف دارا می باشد.
شکل۱-۲۵- نمودار ضریب قدرت برای تیغه های مستقیم شیب دار با زاویه گام های مختلف ]۵[
(برای سرعت باد )

۱-۸- روش تحقیق، اهداف و ویژگی های پایان نامه
با توجه به مطالعات انجام شده و بررسی مقالات متعدد در زمینه تحلیل برهمکنش سیال بر جامد (باد بر پره های توربین باد)در این مقاله، توربین ساخته شده توسط آقای کلومبرنس و همکارانش (که در آخرین مقاله بالا به طور اجمالی مرورشد)را در نرم افزار آباکوس مدلسازی کردیم. پس از انجام آنالیز، برخی نمودار های بدست آمده از آنالیز را با نتایج عملی مقاله مقایسه و به صحت انجام آنالیز اطمینان حاصل نمودیم. پس از آن به بررسی دلایل تغییرات پارامترهایی که بیان شده می پردازیم و در نهایت با پیشنهاد طرحی بهینه در زمینه توربینهای بادی محور عمودی با تغییر برخی پارامترهای موجود از قبیل تاثیر زاویه گام و تاثیر سرعت بر تنش ها و کرنش های وارده بر پره های توربین و بررسی تعداد پره ها در مقادیر گشتاور استاتیکی و … پرداخته ایم.
اما بدون شک می توان بیان کرد که هیچ مقاله ای به بررسی تحلیل عددی برهمکنش باد بر روی پره های توربین بادی که منجر به بررسی سرعت و شتاب زاویه ای ایجاد شده در روتور اصلی باشد و مقایسه با نتایج، نپرداخته است. لذا این پایان نامه می تواند شروع تحلیلهای پیچیده تری درباره مدلسازی

Written by 

دیدگاهتان را بنویسید