توضیحات
پروژه شبیه سازی توربین بادی محور عمودی داریوس(Darrieus) سه پره با ایرفویل ناکا 0018 با روش دینامیک مش (6DOF) در نرم افزار انسیس فلوئنت
انواع توربین های بادی و مکانیسم کار آن ها را می توان به توربین های با محور چرخش افقی و عمودی دسته بندی نمود:
توربین های بادی محور افقی(HAWT):
این توربین ها در مقایسه با نوع محور عمودی رایج تر بوده همچنین از لحاظ فناوری پیچیده تر و گرانتر می باشند. ساخت آن ها مشکل تر از نوع محور عمودی بوده ولی راندمان بسیار بالایی دارند. این نوع توربین ها در سرعت های پایین توانایی تولید انرژی الکتریکی داشته و توانایی تنظیم جهت در مسیر وزش باد را دارند. این توربین ها دارای ۳ یا در مواردی ۲ پره می باشند که روی یک برج بلند نصب می شوند. این پره ها همواره در جهت وزش باد قرار می گیرند.
توربین های بادی محور عمودی(VAWT):
توربین های بادی محور عمودی یکی از قدیمی ترین و پرکاربردترین انواع توربین های بادی می باشند. درواقع نخستین توربین بادی ساخته شده بشر از نوع عمودی بوده است. این توربین ها از دو بخش اصلی تشکیل شده اند. میله اصلی که رو به باد قرار می گیرد و میله های عمودی دیگر که عمود بر جهت باد کار گذاشته می شوند. این توربین ها شامل قطعاتی با اشکال گوناگون بوده که باد را در خود جمع کرده و باعث چرخش محور اصلی می گردد. ساخت این توربین ها بسیار ساده بوده و همچنین بازده پایینی دارند. در این نوع توربین ها در یک طرف توربین، باد بیشتر از طرف دیگر جذب می شود و باعث می گردد که سیستم بچرخد. یکی از مزایای این سیستم وابسته نبودن آن به جهت وزش باد است. به طور کلی توربین های بادی محور عمودی به دو دسته زیر تقسیم بندی می شوند:
١- توربین های بادی مبتنی بر نیروی پسا ۲- توربین های بادی مبتنی بر نیروی برآ.
توربین های بادی مبتنی بر نیروی پسا:
در این نوع توربین ها، باد نیرویی را در جهت وزش خود به پره های توربین وارد می کند. این نوع از توربین ها در حالت کلی از دو قسمت محدب و مقعر مانند تشکیل می شوند. علت چرخش این توربین، سطح محدبی است که نیروی پسا کمتری نسبت به سطح مقعر ایجاد می کند.
با جداکردن پره ها، می توان عملکرد این نوع توربین را بهبود بخشید، به طوری که در این حالت هوا با عبور از این فاصله، شتاب گرفته و نیروی پسا پره محدب را کاهش می دهد. سپس با برخورد باد به پره دیگر به آن نیرو وارد می شود و به ایجاد گشتاور کمک می کند. این نوع توربین ها از نظر بازده نمی توانند با توربین هایمبتنی بر نیروی بر رقابت کنند، اما ساختشان ساده بوده و می توانند به عنوان سنسور در بادسنج ها به کارگرفته شوند.
شکل چرخش توربین باد مبتنی بر نیروی پسا.
توربین های بادی مبتنی بر نیروی برآ:
از آنجا که این نوع توربین ها از نیروی برآ بهره می برند، از بازده بیشتری برخوردارند. برای ایجاد نیروی برآ لازم است تا مقطع پره به شکل ایرفویل باشد. سرعت بادی که ایرفویل حس می کند، برآیند سرعت باد و سرعت هوای ناشی از چرخش روتور می باشد که اصطلاحا سرعت نسبی نامیده می شود. در این نوع از توربین ها، باد نیرویی را عمود بر جهت وزش خود ایجاد می کند. درواقع آیرودینامیک ایرفویل سبب ایجاد اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین آن وایجاد یک نیروی خالص عمود بر جهت جریان باد شده و باعث حرکت روتور می شود.
شکل چرخش توربین بادی مبتنی بر نیروی برآ.
توربین بادی محور عمودی داریوس(Darrieus VAWT):
توربین بادی محور عمودی داریوس یک توربین بادی با سرعت بالا و گشتاور پایین است که معمولاً از ۲ یا ۳ پره تشکیل شده است. توان تولیدی توسط توربین بادی داریوس به وسیله نیروی برآ ایجاد شده روی مجموعه پره های با مقطع ایرفویل ایجاد می گردد. وقتی توربین شروع به چرخش می کند، ایرفویل ها با جریان باد زاویه حمله ایجاد می کنند که این زاویه حمله سبب تولید گشتاوری در جهت چرخش توربین می شود.
شکل توربین های محور عمودی داریوس.
پره های این توربین ها معمولا به شکل تخم مرغی هستند. از مزایای این توربین ها می توان به قابلیت نصب اجزای آن بر روی زمین اشاره کرد، از این رو نگهداری و تعمیر آن ها ساده تر است.
توربین بادی محور عمودی ساوونیوس(Savonius VAWT):
یکی دیگر از انواع توربین بادی محور عمودی، توربین ساوونیوس است. این توربین از نوع توربین با محرک نیروی پسایی است که بر مبنای تغییر جهت جریان باد عمل می کند. توربین های ساوونیوس معمولا دارای ۲ یا ۳ پره برای جذب انرژی بادی هستند. طراحی این توربین ها به گونه است که سرعت چرخش پایین اما گشتاور زیادی را در هر یک دور گردش محور تولید می کنند. بر خلاف توربین های از نوع برة، سرعت گردش توربین ساوونیوس حتی از سرعت جریان باد کمتر است. که این امر استفاده از آن ها را در تولید الکتریسیته نامطلوب می سازد.
شکل توربین محور عمودی ساوونیوس.
مهمترین ویژگی های توربین ساوونیوس؛ سادگی، ضریب اطمینان و تولید صدای کم است. این توربین میتواند حتی در سرعت های باد پایین نیز به خوبی کار کند، زیرا گشتاور تولیدی آن در سرعت های پایین بزرگ است.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی توربین بادی محور عمودی داریوس سه پره با ایرفویل ناکا 0018 با روش دینامیک مش (6DOF) در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار اتودسک اینونتور(Autodesk Inventor) و 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 آشفتگی دو معادله ای k-ε می باشد.
وابستگی سرعت-فشار:
از الگوریتم حل سیمپل(SIMPLE) برای حل معادلات وابستگی سرعت-فشار استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
