توضیحات
پروژه مدلسازی و شبیه سازی جریان هوا در برخورد با توربین بادی محور افقی در نرم افزار سالیدورک
Modeling and Simulation of Air Flow in Horizontal Axis Wind Turbine in SOLIDWORKS
انواع توربین بادی:
توربین های بادی از نظر نوع محور به دو گروه توربین های بادی محور افقی(Horizontal Axis Wind turbine) و توربین های بادی محور عمودی(Vertical Axis Wind Turbine) تقسیم می شوند.
توربین بادی محور عمودی:
قدیمی ترین طراحی های توربین بادی، توربین هایی با محور عمودی هستند. در ابتدا توربین های محور عمودی براساس اثر نیروی پسا طراحی و ساخته می شدند. هواکش های مورداستفاده در خطوط ریلی راه آهن و کاسه بادسنج که برای سنجش سرعت باد مورداستفاده قرار می گیرد، مثال های خوبی برای ماشین های بادی قدیمی با محور چرخش عمودی هستند. در سال های اخیر مهندسان موفق به طراحی و ساخت نوعی از توربین های بادی محور عمودی شده اند که با بازده نسبتا خوبی از نیروی ایرودینامیکی برا جهت چرخاندن پره توربین استفاده میکنند. گئورگ ساوینیوس طراح و مخترع فنلاندی بود که اولین توربین بادی محور عمودی را در سال ۱۹۲۴ ساخت و به پاس زحمات او توربین هایی با این نوع پیکره بندی را به عنوان توربین های ساوینیوس نامگذاری می کنند. این توربین شامل یک صفحه S شکل عمودی است که حول یک محور دوران می چرخد. توربین های محور عمودی 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 خاص هستند که باد را در خود ذخیره کرده و باعث چرخش محور اصلی می گردند. ساخت این توربین ها بسیار ساده است. ساختار این توربین ها به گونه ای است که در یک طرف توربین، باد بیشتر از طرف دیگر جذب می شود و این امر باعث ایجاد لنگر در پره و چرخش آن می گردد. مهمترین مزیت این نوع از توربین، استقلال آن نسبت به جهت وزش باد است. این توربین ها ظرفیت تولید توان اندکی دارند که جهت تولید برق برای کاربردهایی نظیر شارژ کردن باتری ها و یا توان کمکی در قایق های بادبانی و به طورکلی جهت مصارف خانگی و صنایع کوچک مورد استفاده قرار می گیرند و جهت تولید انبوه برق کمتر مورد توجه اند. از مزایای این نوع توربین ها می توان به موارد زیر اشاره کردن عدم نیاز به تنظیم قرار گیری توربین نسبت به جهت وزش باد با توجه به محور عمودی این نوع توربین، بر خلاف توربین های محور افقی جهت وزش باد تأثیری بر راندمان خروجی توربین ندارد. در واقع با توجه به اینکه نیروی غالب در به حرکت درآوردن پره های توربین، نیروی لیفت است؛ تغییر جهت باد تأثیری بر مقدار نیروی لیفت وارد بر پره ندارد. تعمیر و نگهداری آسان عملکرد مناسب هنگام وزش جریانهای باد مغشوش و گردابهای از آن جایی که نوک پره این نوع توربین ها به محور دوران نزدیک است، سروصدای کمتری در مقایسه با توربین های محور افقی تولید می کنند. به علت محور عمودی توربین، جعبه دنده و ژنراتور توربین در نزدیکی زمین و در دسترس قرار می گیرند و دسترسی به آنها جهت نگهداری و تعمیرات ساده تر خواهد بود.
سرعت چرخش بالا که سبب استفاده از گیربکس هایی با نسبت سرعت پایین می شود بازده بالا از معایب این نوع توربین ها موارد زیر را می توان نام برد. کم بودن سرعت دورانی و توان تولیدی با توجه به اندازه کوچک این نوع توربین و نوع بارگذاری و اینکه این نوع از توربین ها در ارتفاع کمی نصب می شوند، سرعت دورانی پره ها و توان تولیدی ژنراتور این نوع از توربین ها نسبت به توربین های بادی محور افقی کمتر است.
هزینه بالای سیستم انتقال قدرت ناپایداری دینامیکی حساسیت به کار در شرايط خارج از محدوده طراحی محدودیت در نصب در مکان هایی با ارتفاع کم در مناطق با سرعت باد کم توربین های محور عمودی در سه دسته کلی قرار می گیرند: توربین های ساوینیوس(Savonius)، داریوس(Darrieus) و توربین های H.
شکل توربین های بادی محور عمودی. الف: توربین داریوس، ب: توربین H، ج: توربین ساوینیوس.
توربین بادی محور افقی:
اگر وضعیت قرارگیری روتور توربین به صورت افقی نسبت به زمین باشد؛ توربین از نوع محور افقی خواهد بود. در توربین های محور افقی، جهت وزش باد به موازات محور روتور است. قدرت این نوع از توربین ها بستگی به طول و سطح پرههایش دارد. این نوع از توربین ها معمولا ۲ الی ۴ پره دارند. توربین های دو پرهای به دلیل کم بودن تعداد پره ها، ارزان تر بوده و سریع تر می چرخند. ولی در مقابل این سرعت زیاد سبب افزایش ناپایداری دینامیکی و ارتعاشات سیستم می گردد. اما توربین های سه پرهای آرام تر می چرخند و پایداری دینامیکی بیشتری دارند. به همین خاطر آشفتگی و اختلالات کمتری نسبت به توربین های دو پرهای دارند. همچنین بازده ایرودینامیکی آنها بیشتر از توربین های دو پره ای است.
شکل توربین بادی محور افقی.
انواع توربین بادی محور افقی از نظر جهت قرارگیری در برابر باد:
توربین بادی محور افقی از نظر قرارگیری در جهت باد به دو نوع رو به باد و پشت به باد تقسیم می شوند. طراحی رو به باد بدین صورت خواهد بود که باد در اولین برخورد به توربین، به پره های توربین خواهد رسید. در صورتی که در طراحی پشت به باد، جریان باد قبل از رسیدن به پرهها، از ناسل و برج توربین عبور خواهد کرد. اغلب توربین های مدرن به صورت رو به باد طراحی می شوند. توربین های پمپ آب در قرن ۱۹ میلادی به صورت پشت به باد طراحی می شدند. همچنین توربین های دو پرهای معمولا به صورت پشت به باد نصب می شوند. توربین های رو به باد سروصدای کمتری در مقایسه با توربین های پشت به باد تولید می کنند.
شکل وضعیت قرارگیری توربين در برابر باد.
شرح پروژه:
در این پروژه مدلسازی و شبیه سازی جریان هوا در برخورد با توربین بادی محور افقی در نرم افزار سالیدورک(Solidworks) انجام شده است.
مدلسازی:
شبیه سازی در محیط Solidworks Flow Simulation:
