تحليل عملكرد و بهينه سازي توربين بادي محور عمودي گورلوف

دكتري تخصصي

تمامي اقدامات انساني، وجود منابع انرژي را الزامي مي‌كنند. در حال حاضر، بخش عمده‌اي از انرژي مورد نياز ما، از طريق سوخت هاي فسيلي تأمين مي‌شود كه در دهه‌هاي آينده با عدم‌قطعيت در مورد در دسترس‌بودن آن¬ها روبرو هستيم؛ اگرچه احتراق اين سوخت‌ها منجر به عواقب نامطلوب زيست‌محيطي مي‌گردد. انرژي باد در زمره يكي از منابع انرژي پاك و تجديدپذير قرار مي‌گيرد. انرژي باد با استفاده از توربين‌هاي بادي داراي محور افقي و عمودي توليد مي‌شود. توربين‌هاي بادي داراي محور عمودي، تحت شرايط سرعت باد كم به منظور توليد برق در مقياس‌هاي كوچك به‌ خوبي كار مي‌كنند. در طرف ديگر، طرح‌هاي متعددي براي افزايش عملكرد آن‌ها در چنين شرايطي ارائه شده ‌است. در اين پژوهش، هدف بر آن است كه يك مدل كم هزينه را به منظور ارزيابي طراحي آئروديناميكي و عملكرد توربين بادي محور عمودي گورلوف توسعه دهيم. بدين منظور، يك مدل لوله چند جريان دوبخشي كه مبتني بر تئوري مومنتوم المان پره است، براي توربين¬هاي بادي محور عمودي نوع داريوس با پره¬هاي مستقيم و نوع گورلوف، توسعه داده شده است. مدلهاي توسعهيافته از طريق مقايسه نتايج بدست‌آمده از آن‌ها با نتايج موجود در منابع اعتبارسنجي شده‌اند. به علاوه، مقايسه‌اي ميان توربين¬هاي بادي محور عمودي نوع داريوس با پره¬هاي مستقيم و نوع گورلوف از نقطه نظر عملكردي صورت گرفته است. علاوه بر اين، ارزيابي جامعي در مورد اثرات پارامترهاي هندسي و عملكردي از جمله پروفيل ايرفويل تيغه (پره)، تعداد تيغه‌ها، زاويه مارپيچ، نسبت ابعادي و سرعت باد آزاد براي عملكرد آئروديناميكي و منحني‌هاي گشتاور توربين گورلوف انجام شده‌است. اضافه بر موارد گفته شده، پارامترهاي طراحي اوليه روتور توربين گورلوف مورد مطالعه، مبتني بر مدل‌سازي بر اساس جايگزيني در هر نسبت سرعت نوك (λ) بهينه‌سازي شده است. بدين منظور، پس از تعيين پارامترهاي موثر و محدوده تغييرات آن‌ها، ماتريس نمونه با استفاده از روش طراحي آزمايش ، از تركيب پارامترهاي مورد مطالعه به عنوان متغيرهاي ورودي و ضريب توان (Cp) كه براي هر كدام از آن‌ها بر اساس مدل لوله چند جريان دوبخشي توسعه‌يافته محاسبه شده‌است، تشكيل شده‌است. مدل جايگزيني با استفاده از نتايج بدست‌آمده در هر نسبت سرعت نوك تعريف شده‌است. پس از آن، بهترين تركيب پارامترهاي هندسي مطالعه شده از فضاي طراحي با استفاده از روش الگوريتم ژنتيك و با هدف بيشينهسازي ضريب توان توربين براي هر λ از 1.5، 2، 2.5، 3، 3.5، 4 و 4.5 استخراج شده‌است. از نتايج مشاهده شده‌است كه با وجود كاهش اندك پيك ضريب توان توربين گورلوف در مقايسه با نوع داريوس، عملكرد روتور توربين گورلوف از نقطه نظر اثربخشي و نوسان با توجه به منحني ضريب گشتاور تيغه مارپيچ بهتر است. با در نظر گرفتن نتايج ارزيابي پارامتريك در توربين گورلوف، حداكثر ضريب توان برابر با 0.479 براي نسبت سرعت نوك 3.5 در ايرفويل 0018 NACA مي‌باشد. به علاوه، آشكار مي‌شود كه تعداد تيغهها و زاويه مارپيچ پارامترهاي مهمي در كاهش بارهاي آيروديناميكي و بهبود پايداري روتور هستند. هرچه طول وتر تيغه يا نسبت ابعادي افزايش يابد، عملكرد در مقادير پايين λ بهبود مي‌يابد. گرچه عملكرد در مقادير بالاي λ و پيك Cp كاهش مي‌يابد. افزون بر اين، رفتار خود-راه‌اندازي با افزايش طول وتر تيغه يا سرعت باد آزاد بهبود يافته و با استفاده از ايرفويلهاي نازك‌تر رو به وخامت مي‌گذارد. منحني‌هاي عملكردي تا زماني‌كه سرعت باد آزاد به سرعت نامي برسد، كه براي توربين گورلوف مورد مطالعه 12 متر بر ثانيه مي‌باشد، عريض‌تر مي‌شوند. با مقايسه نتايج روند بهينهسازي، حداكثر مقدار پيك Cp برابر با 0.503 به طراحي بهينه توربين گورلوف در λ برابر با 3.5 تعلق دارد. در حالي‌كه، طراحي بهينه توربين گورلوف در مقدار λ برابر با 3 بهترين منحني عملكردي Cp را نسبت به منحني‌هاي بهينه طراحي λ كمتر از 3 دارد.

196572

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

مهدي مقيمي