بررسی اصول و شبیه‌سازی عددی عملکرد توربین باد در حالت پایا

نوع مقاله: مقاله علمی ترویجی

نویسندگان

1 دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

3 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه امیرکبیر،‌تهران

چکیده

با توجه به اهمیت روزافزون انرژی‌های تجدیدپذیر، لزوم مطالعه در این زمینه ضروری است. باد به عنوان یکی از منابع مهم انرژی‌های تجدیدپذیر شناخته می‌شود که قابلیت بهره‌برداری از انرژی آن با استفاده از توربین‌های بادی وجود دارد. در همین راستا و با توجه به اهمیت بررسی عملکرد توربین بادی، در پژوهش حاضر ابتدا پیشینه و اصول عملکرد مربوط به توربین‌های بادی تشریح و سپس از روش دینامیک سیالات محاسباتی به‌منظور بررسی عملکرد هیدرودینامیکی دو نوع توربین بادی ساحلی و فراساحلی که به ترتیب دارای دو و سه پره هستند استفاده گردیده است. از دینامیک سیالات محاسباتی به‌منظور بررسی اثر توربین و تعداد پره‌های آن بر بازدهی و همچنین تعیین مقادیر توان مکانیکی و نیروی پیشرانه در حالت پایا و برای هر دو نوع توربین استفاده گردیده است. عملکرد توربین به‌ صورت سه‌بعدی شبیه‌سازی و نتایج با نتایج تجربی مورد مقایسه قرار گرفته است که میانگین انحراف حدود 4 درصد در گشتاور مکانیکی توربین ساحلی نسبت به نتایج تجربی نشان دهنده صحت روش و فرضیات مورد استفاده است. مشاهده گردید که با افزایش سرعت باد توان مکانیکی و همچنین نیروی پیشرانه به‌ صورت تدریجی افزایش پیدا خواهد کرد و توزیع فشار بر روی سطوح به علت شدت توربولانسی نامرتب خواهد شد. همچنین با افزایش سرعت جریان آزاد باد، سرعت در نوک پره و توپی نیز افزایش خواهد یافت به ‌نحوی‌ که گردابه‌های حاصل از آن گسترش پیدا خواهند کرد.

کلیدواژه‌ها


[۱] کوراوند, شهریار. امکان‌سنجی فنی و اقتصادی ساخت و تولید توربین بادی عمود محور مقیاس کوچک خانگی برای استفاده در مناطق استان یزد. مجله علمی ترویجی انجمن مهندسان مکانیک ایران, 27(1):32--37, 1397.

[۲] ابراهیم‌پور, محمد, شفقت, روزبه, عالمیان, رضوان, و صفدری شادلو, مصطفی. شبیه‌سازی عددی توربین باد محور عمودی نوع ساونیوس و ارزیابی تأثیر فاصله هم‌پوشانی افقی بر عملکرد توربین. مجله علمی پژوهشی رایانش نرم و فناوری اطلاعات, 6(2):40--50, 1397.

[3] Otero, A.D. and Ponta, F.L. On the structural behaviour of variable-geometry oval-trajectory darrieus wind turbines. Renewable Energy, 34(3):827 – 832, 2009.

[4] United Nations Development Programme. World Energy Assessment: Energy and the Challenge of Sustainability. UNDP, 2000.

[۵] محمدی, مونا, محمدی, محمدرضا, و محمدی, علیرضا. توربین‌های بادی مرتفع. مجله علمی ترویجی انجمن مهندسان مکانیک ایران, 22(2):25--31, 1392.

[6] Betz, Albert. Introduction to the theory of flow machines. 1966.

[7] Igra, Ozer. Research and development for shrouded wind turbines. Energy Conversion and Management, 21(1):13 – 48, 1981.

[8] Igra, Ozer. Compact shrouds for wind turbines. Energy Conversion, 16(4):149 – 157, 1977.

[9] Foreman, K.M., Gilbert, B., and Oman, R.A. Diffuser augmentation of wind turbines. Solar Energy, 20(4):305 – 311, 1978.

[10] Sicot, Christophe, Devinant, Philippe, Laverne, Thomas, Loyer, Stéphane, and Hureau, Jacques. Experimental study of the effect of turbulence on horizontal axis wind turbine aerodynamics. Wind Energy, 9(4):361–370, 2006.

[11] Digraskar, Dnyanesh A. Simulations of flow over wind turbines, 2014.

[12] Kelley, N., Hand, M., Larwood, S., and McKenna, E. The NREL large-scale turbine inflow and response experimentPreliminary results.

[۱۳] علیصادقی, حامد, صفی‌پور, حسین, و رضایی‌فرد, حجت. شبیه‌سازی عددی و مطالعه پارامتری یک توربین بادی دوباله نوسان‌کننده. ماهنامه علمی-پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس, 19(5), 1398.

[14] Klimas, P.C. and Worstell, M.H. Effects of blade preset pitch/offset on curved-blade darrieus vertical axis wind turbine performance. 10 1981.

[15] Fiedler, Andrzej J. and Tullis, Stephen. Blade offset and pitch effects on a high solidity vertical axis wind turbine. Wind Engineering, 33(3):237–246, 2009.

[16] González-Longatt, F., Wall, P., and Terzija, V. Wake effect in wind farm performance: Steady-state and dynamic behavior. Renewable Energy, 39(1):329 – 338, 2012.

[۱۷] پیرکندی, جاماسب و حربی منفرد, رضا. توربین‌های بادی نوین و نقش آنها در آینده سیستم‌های انرژی. مجله علمی ترویجی انجمن مهندسان
مکانیک ایران, 25(3):23--31, 1395.

[۱۸] پیرکندی, ‌جاماسب, مشهدی, ‌مهرداد, و نصرت‌الهی, ‌مهران. شبیه‌سازی و تحلیل دنباله‌ی یک توربین بادی نمونه در مزرعه‌ی بادی با کمک دینامیک سیالات محاسباتی. مهندسی و مدیریت انرژی (مدیریت انرژی), 5(4):50 -- 61, 1394.

[۱۹] سیفی, سیدمحمدسجاد, مجدم, محمد, و هاشمی طاری, پویان. طراحی بهینه پره توربین باد محور افقی کوچک با در نظر گرفتن قیود مکانیکی. ماهنامه علمی-پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس, 18(9), 1397.

[۲۰] ویسی, امین‌الله و شفیعی میم, محمدحسین. بررسی تأثیر جهت چرخش توربین برای دو توربین باد پشت سرهم به روش شبیه‌سازی
گردابه‌های بزرگ. ماهنامه علمی-پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس, 16(12), 1395.

[21] Sturge, D., Sobotta, D., Howell, R., While, A., and Lou, J. A hybrid actuator disc – full rotor CFD methodology for modelling the effects of wind turbine wake interactions on performance. Renewable Energy, 80:525 – 537, 2015.

[22] Mo, Jang-Oh, Choudhry, Amanullah, Arjomandi, Maziar, Kelso, Richard, and Lee, Young-Ho. Effects of wind speed changes on wake instability of a wind turbine in a virtual wind tunnel using large eddy simulation. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 117:38 – 56, 2013.

[23] Manwell, James F, McGowan, Jon G, and Rogers, Anthony L. Wind energy explained: theory, design and application. John Wiley & Sons, 2010.

[24] Sanderse, B, Koren, B, and Sanderse, B. Energy preservation in the numerical calculation of wind turbine wakes. in Euromech Colloquium, vol. 508, pp. 20–22, 2009.

[25] Bastankhah, Majid and Porté-Agel, Fernando. A new analytical model for wind-turbine wakes. Renewable Energy, 70:116 – 123, 2014. Special issue on aerodynamics of offshore wind energy systems and wakes.

[۲۶] جوارشکیان, محمدحسن و بیدرونی, امیر لطیفی. بهینه‌سازی ایرفویل ضخیم برای قسمت میانی پره توربین باد. ۲۰۱۳

[۲۷] صالحی, حمیدرضا, ابوکاظم‌پور, اسماعیل, و اسدی, عباس. کاربردها و الزامات به‌کارگیری مواد مرکب در بهره‌بردای از انرژی باد و ساخت توربین بادی. مجله علمی ترویجی انجمن مهندسان مکانیک ایران, 26(5):81--90, 1396.

[28] Islam, M., Esfahanian, V., Ting, D. S. K., and Fartaj, A. Applications of vertical axis wind turbines for remote areas. in Proc. 5th Iran Natl. Energy Conf., 2005.

[29] Hand, M. M., Simms, D. A., Fingersh, L. J., Jager, D. W., and Cotrell, J. R. Unsteady aerodynamics experiment phase v: Test configuration and available data campaigns; TOPICAL. tech. rep., United States, Aug 2001. NREL/TP–500-29491.

[30] Kooijman, H. J. T., Lindenburg, C., Winkelaar, D., and Hooft, E. L. Van Der. Dowec 6 mw pre-design: Aero-elastic modelling of the DOWEC 6 MW pre-design in PHATAS, 2003.

[31] Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W., and Scott, G. Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development. tech. rep., United States, 2009.

[32] Boussinesq, Joseph. Essai sur la théorie des eaux courantes. Imprimerie Nationale, Paris, 1877.

[33] Yelmule, Mukesh Marutrao and V. S. J, Eswararao Anjuri. CFD predictions of NREL phase VI rotor experiments in NASA/AMES wind tunnel. International Journal of Renewable Energy Research (IJRER), 3(2):261–269, 2013.