در این فصل ابتدا مقدماتی در مورد آیرودینامیک توربین های بادی و مفاهیم کاربردی در مورد عملکرد آن ها بیان می شود. سپس با معرفی انواع توربین های بادی براساس نوع عملکرد ونحوه چرخش محور آن ها به توصیفی از انوع پر کاربرد آن ها می پردازیم. در ادامه نیز به شرح وبیان دو نوع توربین مورد استفاده در این پایان نامه به همراه پیشینه ی ادبیاتی در مورد آن ها خواهیم پرداخت. در پایان فصل نیز پس از معرفی توربین های مورد نظر، هدف از انجام این پایان نامه بیان خواهد شد.
۲-۲ آیرودینامیک توربین و کمیت های تاثیرگذار در عملکرد آن
موفقیت در جذب توان موجود در باد نیازمند شناختی دقیق از فیزیک جریان و چگونگی تقابل هوای در حال حرکت و پره های توربین بادی است. جریان باد شامل ترکیبی از مقدار متوسط جریان و نوسانات ناشی از اغتشاش می باشد. پیچیدگی تحلیل ایرودینامیک توربین های محور قائم ناشی از چرخش پره ها در طول جریان باد ورودی است.
۲-۲-۱ نیروی برا^[۷]
نیروی برا (لیفت)، L ، یکی از اصلی ترین اجزاء نیروی وارد بر پره از سوی جریان باد ورودی به حساب می آید. جهت این نیرو عمود بر جهت جریان باد است. این نیرو ناشی از اختلاف فشار در دو سمت پره بوده و به صورت زیر تعریف می شود :
(۲.۱)
در این رابطه ρ چگالی هوا، ضریب لیفت و A مساحت ایرفویل پره می باشد.
۲-۲-۲ نیروی پسا^[۸]
نیروی پسا (درگ)، D ، در جهت جریان باد بر پره وارد می شود. این نیرو ناشی از اصطکاک لزجی جریان بر روی ایرفویل پره به وجود می آید. درگ تابعی از سرعت نسبی باد در سطح پره، که به صورت تفاضل سرعت باد و سرعت در سطح توربین تعریف می شود، بوده و از رابطه زیر بدست می آید :
(۲.۲)
که rΩ سرعت در سطح پره، ضریب درگ و V سرعت باد است.
ضرایب لیفت و درگ معمولا از طریق آزمایش و در اعداد رینولدز مختلف محاسبه می شوند. قسمتی از پره یک توربین بادی به همراه سرعت ها، نیروها و زوایای تاثیرگذار در شکل ۲-۱ رسم شده است. در این شکل نیروهای به وجود آمده لیفت و درگ، L و D ، عمود و موازی جهت باد رسم شده اند.

شکل ۲-۱ نیروهای وارد بر پره توربین بادی [۹]
طراحی دقیق شکل و نحوه قرارگیری پره ها تاثیر بسیاری در دستیابی به بازده بیشینه در توربین های بادی دارد. در سه دهه گذشته توربین های بادی عموما از ایرفویل های طراحی شده برای بال هواپیما استفاده می کردند ولی در دهه اخیر ایرفویل های جدیدی مختص توربین های بادی طراحی و به طور وسیعی مورد استفاده قرار گرفته اند. ایرفویل ها که در توربین های بادی نوع لیفت مورد استفاده قرار می گیرند، از نیروی لیفت برای جذب انرژی باد استفاده می کنند. در این توربین ها نیروی درگ حکم بازدارنده داشته و طراحان در جهت حذف آن تلاش می کنند. به طور کلی توربین های لیفت بازده بالاتری از توربین های درگ داشته و از این رو سعی می شود با افزایش مقدار و کارآیی نیروی لیفت در توربین درگ، بازده توربین درگ طراحی شده را به طور محسوسی نسبت به نمونه های صرفا درگ فعلی افزایش دهد.

( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

هنگامی که لبه بر آمده ایرفویل زاویه اندکی نسبت به جهت وزش باد داشته باشد، سیال با سرعت بیشتری از بالای ایرفویل عبور کرده که منجر به افت فشار در این قسمت می شود. از سوی دیگر فشار زیادی در سمت دیگر ایرفویل وجود خواهد داشت. این اختلاف فشار مبنای ایجاد نیروی لیفت و به حرکت در آوردن پره است (شکل ۲-۲). به این زاویه، زاویه حمله اطلاق می شود. مقدار مناسب زاویه حمله تاثیر بسیاری در عملکرد توربین های لیفت داشته و در این تحقیق تلاش می شود با طراحی توربین لیفت بر اساس زاویه حمله بهینه، ضریب توان بالاتری از ایرفویل استخراج شود.

شکل ۲-۲-الف تصویر یک توربین محور قائم برا [۸]
شکل ۲-۲-ب تصویر یک توربین محور افقی برا [۲۹]
بر اساس رابطه برنولی افزایش سرعت سیال به معنای کاهش فشار در سطح ایرفویل خواهد بود :
(۲.۳)
عبارت اول در سمت چپ رابطه فوق فشار استاتیکی و عبارت دوم فشار دینامیکی می باشد. به منظور ثابت ماندن سمت چپ رابطه در صورت افزایش فشار سرعت کاهش می یابد و بالعکس.
۲-۲-۳ عدد رینولدز
عدد رینولدز (Re) نسبت نیروی اینرسی به نیروی لزجت می باشد. این کمیت بی بعد بوده و خصوصیات جریان سیال را مشخص می کند. برای یک توربین محور قائم لیفت عدد رینولدز به شکل زیر تعریف می شود :
(۲.۴)
در این رابطه μ لزجت سیال، لزجت سینماتیکی، L طول مشخصه، c وتر موضعی^[۹] پره و سرعت نوک پر^[۱۰]ه می باشد.
۲-۲-۴ صلبیت توربین
صلبیت توربین، δ ، نسبت سطح پره ها به سطح جاروب شده توربین است. برای یک توربین بادی محور قائم لیفت، صلبیت به صورت زیر تعریف می شود.
(۲.۵)
در این رابطه B تعداد پره ها می باشد. تغییر تعداد پره ها و یا تغییر اندازه وتر موضعی پره © منجر به تغییر صلبیت توربین می شود. صلبیت توربین تاثیر بسزایی در عملکرد آن داشته و برای طراحی بهینه توربین باید مناسب ترین مقدار صلبیت در نظر گرفته شود.
۲-۲-۵ ضریب سرعت نوک پره
ضریب سرعت نوک پره ، λ ، به صورت نسبت سرعت در نوک پره به سرعت باد در جریان آزاد تعریف می شود. در یک سرعت باد مشخص سرعت زاویه ای توربین ، ω ، بر اساس نوع و طراحی توربین متفاوت است. سرعت نوک پره در یک توربین محور قائم از حاصلضرب شعاع توربین در سرعت زاویه ای آن بدست می آید. در نتیجه ضریب سرعت نوک پره را می توان به شکل زیر تعریف نمود.
(۲.۶)
۲-۲-۶ بازدهی و توان توربینهای بادی
حرکت سیال هوا (باد) با یک سرعت مشخص و در یک جهت معین دارای چه مقدار^[۱۱] انرژی جنبشی و توانایی انجام کار می‌باشد؟ برای پاسخ به این سؤال در سال ۱۹۲۶ پروفسور بتز]۱۰[ محاسباتی انجام داده که با توضیحاتی در زیر ارائه می‌شود.
می‌دانیم که هر گاه جسمی به جرم m با سرعت v در حال حرکت باشد این جسم دارای انرژی جنبشی خواهد بود و حداکثر به همین مقدار توانایی انجام کار خواهد داشت. حرکت سیال هوا (باد) نیز که دارای چگالی یا جرم ویژه در شرایط متعارف می‌باشد اگر با سرعت v حرکت کند و با سطح A برخورد نماید توانی برابر با دارا می‌باشد.
در برخورد سیال هوا با سرعت به توربین بادی، تمامی انرژی آن گرفته نمی‌شود بلکه بسته به نوع توربین و قابلیت آن، سیال هوا با سرعت که همواره کمتر از سرعت ورودی است از توربین خارج میشود.
بازده و راندمان یک توربین بادی توان کمیتی به نام ضریب توان تعریف می شود. ضریب توان دستگاه یا قابلیت مهار انرژی توربین بستگی به نسبت (عامل القای جریان) دارد و بنا به محاسبات پروفسور بتز از رابطه زیر به دست می‌آید]۱۰و ۱۱[.
(۲.۷)
مقدار حداکثر این ضریب توان را می توان به صورت ریاضی محاسبه نمود. کافی است که مشتق آن را برابر صفر قرار داده و جواب معادله حاصله را تعیین نماییم.
یکی از جوابهای قابل قبول خواهد بود که برای ضریب توان مقدار حداکثر و ایده‌‌آل را که به عدد بتز معروف است، به دست می‌دهد (یعنی حدود ۵۹ درصد) و این وقتی است که سرعت سیال هوا بعد از گذشتن از توربین به اندازه از سرعت آن کاسته شده و به کار مفید تبدیل گردد(که در عمل به علت اصطکاک‌های موجود ممکن نیست ). در این صورت در خروجی سرعت را خواهیم داشت.
چنانکه در بالا اشاره گردید ضریب توان دستگاه بستگی به نوع توربین یعنی دستگاه مهار کننده انرژی باد دارد و تا به حال توربینی ساخته نشده است که ضریب توان آن به مقدار ایده‌آل رسیده باشد .
هر چند برخی منابع بازدهی یک توربین بادی در مهار انرژی را طبق رابطه تعریف کرده اند که در اینجا مقدار ایده‌آل و P مقدار واقعی توان توربین یا توان مفید می‌باشد، با این وجود استفاده از پارامتر ضریب توان به عنوان بازده توربین رایج تر است. در این پژوهش بازده توربین مترادف با ضریب توان آن عنوان شده است.
۲-۳ انواع توربینهای بادی
اگرچه طراحی های مختلفی برای توربین بادی موجود می باشد ولی به طور عمده به دو دسته کلی بر اساس جهت محور چرخش تقسیم بندی می شوند: محور افقی^[۱۲] و محور عمودی^[۱۳].

شکل ۲-۳ نمونه ای ازتوربین بادی محور قائم و افقی
جریان هوا بر روی هر سطحی دو نوع نیروی ایرودینامیکی با نام های درگ و لیفت به وجود می آورد که نیروی درگ در جهت جریان باد است و نیروی لیفت عمود بر جریان باد می باشد. یکی از این نیروها یا هر دو می توانند نیروی مورد نیاز برای چرخش پره های توربینهای بادی را تامین نمایند.
۲-۳-۱ توربینهای محور افقی
ویژگی روتورهای توربینهای محور افقی جدید بسیار شبیه ملخ هواپیما می باشد. جریان هوا روی مقطع ایرودینامیکی شکل پره هاحرکت می کند و نیروی لیفت را به وجود آورده که باعث چرخش روتور می گردد. ناسل توربینهای محور افقی محلی برای گیربکس و ژنراتور می باشد. مساحتی که هر کدام از پره ها جاروب می کنند از این فرمول بدست می آید:
(۲.۷)
که در آن D قطر روتور می باشد. این مساحت جاروب شده باید مستقیما روبروی وزش باد باشد تا ماکزیمم برق تولیدی را داشته باشیم. پس توربینهای محور افقی باید سیستمی برای تنظیم در مقابل باد قرار گرفتن داشته باشند که به آن مکانیزم یاو ^[۱۴]می گویند. به طوری که کل ناسل می تواند به سمت باد بچرخد. در توربینهای کوچک دنباله باد نما این کنترل را بر عهده دارد. ولی در سیستمهای متصل به شبکه سیستم کنترل یاو فعال می باشد که به وسیله سنسورهای تعیین کننده جهت باد و موتورها، ناسل به سمت باد می چرخد. پرکاربردترین و معروفترین نوع توربین بادی محور افقی، نوع سه پره آن می باشد که اجزای اصلی و عملکرد آن ها به شرح زیر می باشند.