توضیحات
پروژه شبیه سازی توربین بادی محور عمودی ساونیوس(Savonius) مارپیچ در نرم افزار انسیس فلوئنتANSYS FLUENT
انواع توربین های بادی:
توربین های بادی مدرن را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد؛ توربین های بادی با محور افقی و توربین های بادی با محور عمودی(ساونیوس یا نوع داریوس) که به ترتیب HAWT و VAWT خوانده می شوند. توربین های محور افقی دارای ساختمان و نصب پیچیده بوده و نصب آنها فقط در مناطق با باد دائمی و سرعت های بالای آن ارزش اقتصادی دارد. در این توربین ها سرعت دوران روتور بسیار بالا بوده ولی گشتاور آن ها کم است و از آنها بیشتر برای تولید برق استفاده می شود. اما توربین های محور عمودی که می توان آنها را پدر آسیاب های بادی دانست، دارای ساختمان و نصب بسیار ساده ای بوده و در سرعت ها و جهت های مختلف باد قابل استفاده می باشند. توربین های محور عمودی با هزینه پایین تر از توربین های با محور افقی ساخته می شوند و دارای ساختار فیزیکی و آیرودینامیکی ساده تری هستند. از دیگر مزایای این توربین ها این است که ژنراتور این توربین ها بر روی زمین نصب می شود که باعث سادگی در تعمیرات و سرویس نوربین می شود و نیز وزن این توربین ها سبک تر و قیمت برج آن ارزانتر از توربین های با محور افقی است. این توربینها، بر خلاف توربین های محور افقی، دارای سرعت دورانی کم و گشتاور زیاد بوده و مستقل از جهت باد هستند. مزیت اصلی توربین های محور عمودی این است که تنها یک قسمت متحرک دارند(روتور)، به نحوی که به هیچ گونه مکانیزم حرکت مرکزی (yaw) نیاز ندارند. بنابراین ساده سازی صورت طراحی بسیار مهم است. تیغه های توربین محور عمودی با پره های مستقیم ممکن است دارای مقطع یکنواخت و بدون پیچ باشد که این امر تولید و مونتاژ آنها را بطور نسبی ساده می سازد.
توربین های محور افقی:
توربین های بادی با محور افقی از نظر جهت برخورد با باد به دو نوع توربین های با محور افقی رو به باد و توربین بادی محور افقی پشت به باد تقسیم می شوند. در توربین های رو به باد، سطح دایره ای شکل حاصل از چرخش پره ها، اولین قسمتی از توربین است که باد به آن برخورد می کند و برای بدست آوردن بیشترین میزان انرژی بادی همواره باید محور توربین بر راستای وزش باد عمود باشد و این امر با کمک نصب بادنما و سیستم گردانده انجام می شود و تقریبا اغلب توربین های با محور افقی از نوع رو به باد با قابلیت حرکت در راستای وزش باد هستند. در توربین های با محور افقی از نوع پشت به باد ، ابتدا برج توربین با باد برخورد می کند و در نتیجه قسمتی از انرژی باد، به موجب سایه اندازی بر روی دایره چرخش پره ها تلف خواهد شد. در این نوع سیستم ها نیاز به وجود بادنما و سیستم انحراف نمی باشد.
شکل توربین بادی محور افقی.
توربین های محور عمودی:
در توربین ها یا روتورهای محور عمودی، محور دوران بر راستای افق و جریان باد عمود است. 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 منحنی پره از اهمیت خاصی برخوردار است. توربین های محور عمودی را می توان به شرح زیردسته بندی کرد:
1-توربین داریوس،
2-توربین سیلکوژیرو
3-روتور ساونیوس.
شکل نمونه ای از توربین داریوس در کنار توربین های محور افقی.
انرژی باد:
استفاده از انرژی های تجدیدپذیر موضوع جدیدی نیست. اولین کشوری که در دنیا از انرژی باد برای مصارف کشاورزی استفاده کرده ایران بود که در این زمینه سابقه ای حدود از ۲۵۰۰ تا ۳۰۰۰ سال دارد. استفاده از این انرژی بعداً از طریق ایران به دیگر سرزمین های اسلامی راه یافت و سپس اروپا و قاره آمریکا و سایر نقاط جهان انرژی باد را مورد استفاده قرار دادند که در مصارف مختلف مانند پمپاژ آب و آبیاری، آسیاب نمودن غلات، تولید الکتریسیته، استفاده مکانیکی نظیر اره نمودن چوب، صنایع دستی و غیره به خدمت گرفته شد و بطور وسیعی مورد بهره برداری قرار گرفت. کشور هلند در قرن ۱۴ پیشرفته ترین کشور در این زمینه بود و از این انرژی جهت آبیاری استفاده می نمود، اما دانمارکی ها اولین ملتی بودند که در زمینه تولید الکتریسیته از انرژی باد اقدام عملی نمودند. این کشور در سال 1890 از یک دستگاه توربین بادی جهت تولید الکتریسیته استفاده نمود. با آغاز قرن بیستم اندیشه استفاده از انرژی باد و تبدیل آن به انرژی الکتریکی قوت گرفت و کشورهایی نظیر فرانسه، انگلیس، آلمان، ایالات متحده آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی کوشش زیادی جهت توسعه توربین های بادی به عمل آوردند. در مباحث مربوط به انرژی باد بیشتر تاکیدات بر توربین های بادی مولد برق جهت اتصال به شبکه است؛ زیرا این نوع از کاربرد انرژی باد می تواند سهم مهمی در تامین برق مصرفی جهان داشته باشد. تخمین زده می شود که سهم انرژی باد در تامین انرژی جهان در سال 2020 تقریبا برابر با 1200 TWh در سال خواهد بود.
این میزان انرژی با استفاده از توربین های بادی به ظرفیت مجموع 700 GW میسر خواهد شد. بطورکلی با استفاده از انرژی باد بعنوان یک منبع انرژی در دراز مدت می توان دو برابر مصرف انرژی الکتریکی فعلی را تامین کرد. درحال حاضر ظرفیت استفاده از توربین های بادی در جهان بیش از 318117 مگاوات است. دانمارک با حدود ۶۰ درصد بزرگترین کشور سازنده توربین های بادی و آلمان با تولید بیش از ۵۱۰۰۰ مگاوات برق از طریق این توربینها بزرگترین استفاده کننده از آن است. بزرگترین توربین بادی جهان با قدرت ۸ مگاوات و با روتوری به قطر ۱۶۴ متر است که در کشور دانمارک و توسط شرکت وستاس ساخته شده است و با ارتفاع ۲۲۰ متری خود، می تواند برق مورد نیاز بیش از ۵۰۰۰ منزل سه خانواری را تامین کند. بزرگترین شرکت های سازنده توربین بادی جهان در حال حاضر شرکت وستاس، شرکت انرکون و شرکت NEG مایکون هستند که به ترتیب23.3، 14.6 و 12.4 درصد از بازار جهان را در اختیار دارند.
شکل بزرگ ترین توربین بادی جهان.
هنگامی که نور خورشید به کرة زمین می تابد، زمین مقداری از این تابش را جذب کرده و هوای بالای خود را گرم می کند. هوای گرم به دلیل آنچه جریانات انتقالی نامیده می شود، بالا می رود و به دلیل تابش نامتوازن نور خورشید، باد شکل می گیرد. به عنوان مثال، اگر اشعه خورشید به زمین و دریا بتابد، زمین سریعتر گرم می شود و به تبع آن هوای بالای خود را نیز گرم کرده و باعث می شود که این هوا سریع تر از هوای بالای دریا حرکت کند. درنتیجه هوای نسبتا خنکتر بالای دریا به منظور پرکردن شکاف ناشی از حرکت هوای بالای زمین، به سمت زمین حرکت می کند و باد شکل می گیرد. انرژی باد آلاینده محیط نیست و در بسیاری از مناطق آزادانه در دسترس است. توربین های بادی روز به روز کارآمد تر می شوند و هزینه برق تولیدی آنها را در حال کاهش است. با اینحال، انرژی باد معایبی نیز دارد. به منظور بالا بردن کارآمدی، توربین های بادی نیاز دارند با هم در ارتباط باشند، که اغلب ۲۰ توربین با بیشتر در کنار یکدیگر، یک مزرعه بادی را تشکیل میدهند. تشکیل مزرعه بادی امر ناخوشایندی به نظر می رسد و می تواند پر سر و صدا باشد. همچنین این مزارع باید اندکی به مناطق پر جمعیت نزدیک باشند تا بتوان برق تولید شده را به راحتی توزیع نمود. نقطه ضعف دیگر انرژی بادی این است که بادها متناوب هستند و همیشه نمی وزند.
توربین بادی ساونیوس(savonius):
توربین بادی ساونیوس ابتدا توسط مهندس فنلاندی، در سال ۱۹۳۱ اختراع شد. توربین از دو نیم استوانه ساخته شده و پس از حرکت دو سطح نیم استوانه همراه با صفحه جداکننده مانند حرف S می شوند. دو سطح نیم دایره، که پره های توربین هستند بر روی یک محور عمودی ایستاده، در جهت باد و با فاصله همپوشانی نصب شده اند. توربین ساونیوس مانند یک بادسنج فنجانی با یک دستگاه مبتنی بر نیروی پسا کار می کند. نسبت سرعت لبه پره به سرعت باد کمتر از یک واحد است، زیرا پره های بازگشتی در جهت باد، هرگز نمی توانند سریعتر از باد حرکت کنند.
در توربین بادی ساونیوس گشتاور خروجی برابر با اختلاف گشتاور ناشی از پره مقعر در جهت باد که انرژی باد را دریافت می کند و گشتاور مقاوم پره محدب که در خلاف جهت باد دوران می کند. کارایی توربین بادی ساونیوس نصف توربین های وابسته به نیروی برا می باشد. مکانیزم توربین بادی ساونیوس به گونه ای است که با اعمال نیروهای متفاوت بر روی هر پره توربین شروع بکار می کند. قسمت مقعردر جهت باد، جریان هوا و نیروهای وارد بر پره را برای چرخش در اطراف محور عمودی مرکزی خود درگیر می کند. در غیر این صورت، قسمت محدب، جریان هوا را می گیرد و باعث انحراف پره در جهت معکوس در اطراف شفت می شود. انحنای پره در هنگام حرکت در خلاف وزش باد نیروی پسا کمتری نسبت به پره هایی که با باد در حرکت اند دارند. بدین ترتیب، پرههای مقعر با نیروی پسای بیشتر نسبت به نیم استوانه دیگر موجب چرخش روتور می شود.
شکل توربین بادی ساونیوس با اعمال نیروهای پسا.
عواملی که می توانند بازدهی توربین بادی ساونیوس را تغییر دهند:
-هندسه توربین
-تعداد پره های توربین
-تعداد طبقات توربین
-زاویه پیچش
-ایجاد دریچه و شکاف در پره های توربین
-اضافه کردن صفحات انتهایی
-همپوشانی پره ها
-عدد رینولدز و نسبت منظری.
شکل مقطع عرضی توربین بادی ساونیوس.
تاثیر زاویه پیچش: در توربین بادی ساونیوس زمانی که حداکثر نیرو به نوک پره ها وارد شود حداکثر گشتاور مثبت ایجاد می شود. با ایجاد پیچش در توربین این به اعمال حداکثر نیرو به نوک پره ها کمک می کند و حداکثر گشتاور ایجاد می شود. البته لازم است که میزان زاویه پیچش در توربین بررسی شود تا زاویه پیچش بهینه بدست آید.
شکل توربین بادی ساونیوس با زاویه های پیچش ۹۰، ۱۸۰، ۲۷۰ و ۳۶۰ درجه.
مقایسه توربین بادی عمودی و توربین بادی افقی:
توربین های بادی به دو دسته محور عمودی ( VAWT ) و محور افقی ( HAWT ) تقسیم می شوند که هر کدام ویژگی های خاص خود را دارند.
مزایای توربین های محور افقی(HAWT):
تغییر زاویه حمله، ارتفاع بالای hub، ضریب توان بالا.
معایب توربین بادی محور افقی:
مشکل حمل و نقل به دلیل بزرگ بودن، مشکل نصب به دلیل ارتفاع بالا، اختلال در سیگنال رادارها، بروز پدیده خستگی، فاصله زیاد ژنراتور از زمین و مشکل تعمیر، سرعت شروع بالا، وابستگی به مسیر وزش باد
مزایای توربین بادی محور عمودی(VAWT):
نزدیکی ژنراتور به زمین و آسان بودن تعمیرات، سرعت شروع پایین، قابلیت نصب در مناطق کم ارتفاع، صدای کمتر، استقلال از مسیر وزش باد معایب : نزدیکی به زمین ( اصل عدم لغزش )، وزن قطعات روی ژنراتور، ضریب توان پایین.
با مقایسه ویژگی های بالا، مشخص است که مزایای توربین های بادی محور عمودی بیشتر از توربین های بادی محور افقی است، ولی ضریب توان بالا باعث ارجحیت توربین های محور افقی شده است.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی توربین بادی محور عمودی ساونیوس(Savonius) مارپیچ در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) رسم شده است.
مش بندی و شبکه:
مش بندی و شبکه در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است.
به منظور حل مسئله از حلگر فشار مبنا (pressure based) در شرایط گذرا (transient) استفاده شده است.
مدل لزجت:
مدل لزجت استفاده شده در این پروژه، مدل تک معادله ای اسپالارت آلماراس می باشد.میدان جریان حول روتور توربین بادی ساونیوس ذاتاً متلاطم است. بنابراین، به منظور دستیابی به نتایج مطلوب از طریق یک شبیه سازی عددی مناسب، باید توجه ویژه ای به آشفتگی داشته باشیم، هرچند هرکدام از مدل های آشفتگی مزایا و معایب خاص خود را دارند. در میان مدل های مختلف توربولانس، مدل اسپالارت آلماراس Spalart-Allmaras یک مدل اغتشاش ساده یک معادله ای است که در آن گرادیانهای متغیرها در نزدیکی دیوار ها، بسیار کوچکتر از مدل هایی است که بر اساس معادله انرژی جنبشی مغشوش (کی-اپسیلون) بنا شده اند. شاید به همین دلیل است که این مدل حساسیت کمتری نسبت به رفتار سیال در نزدیکی دیواره ها در اطراف روتور ساونیوس دارد. بنابراین در این پروژه یک شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی با استفاده از مدل اسپالات-آلماراس به منظور بررسی عملکرد روتور محور عمودی ساونیوس مارپیچ انجام شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
از الگوریتم سیمپل(SIMPLE) برای حل معادلات وابستگی سرعت-فشار استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
