© SM Ishfaq and HN Chaudhry، منتشر شده توسط EDP Sciences، 2018

1. معرفی

نیاز به انرژی بیشتر در سراسر جهان به سرعت در حال افزایش است. هم کشورهای توسعه یافته و هم کشورهای در حال توسعه با سرعت زیادی در حال رشد هستند که با آن انرژی بیشتری برای تکمیل پیشرفت آنها باید تامین شود. برای حدود سه قرن، انرژی‌های غیرقابل تجدید بدنام مورد بهره‌برداری قرار گرفته است تا جایی که جهان دریافته است که باید از یک منبع جایگزین انرژی برای آینده آینده استفاده کرد. بسیاری از منابع تجدیدپذیر انرژی مانند خورشیدی، بادی، هسته ای، زمین گرمایی و آبی به دلیل آگاهی از این موضوع که منابع انرژی تجدیدناپذیر سرانجام روزی از بین خواهند رفت، وارد بازی می شوند.

انرژی بادی یکی از منابع اصلی انرژی تجدیدپذیر است که برای آینده قابل پیش بینی مورد توجه قرار گرفته است. بسیاری از کشورها از مزارع بادی بزرگ در ساحل و خارج از ساحل استفاده کرده اند که برق با ظرفیت مگاوات تولید می کنند. این مزارع بادی تمایل دارند چندین توربین بادی در مقیاس بزرگ داشته باشند. هر توربین بادی در مقیاس بزرگ دارای قدرت نامی حداقل یک مگاوات [1 ]. اگرچه توربین‌های بادی می‌توانند مقادیر زیادی نیرو تولید کنند، اما دارای چندین مزیت و همچنین معایب هستند. مزیت اصلی استفاده از نیروی باد این است که منبع انرژی پاک است. از باد ورودی به عنوان منبعی برای چرخاندن پره های توربین برای تولید برق استفاده می کند. یکی از معایب اصلی استفاده از نیروی باد، در دسترس بودن خود انرژی است. باد یکنواخت نیست و به طور مداوم تغییر می کند. بنابراین، بحث بیشتری در مورد اینکه آیا نیروی باد می تواند به عنوان یک منبع متمرکز برای تامین انرژی مورد استفاده قرار گیرد، وجود دارد.

توربین های بادی در مقیاس کوچک بیشتر در خانه های خانگی برای تولید برق استفاده می شوند. بسیاری از توربین های مقیاس کوچک طیفی از توان نامی را ارائه می دهند. توان نامی این توربین ها در هر نقطه زیر 50 کیلووات است [ 1 ]. هرچه توان نامی یک توربین بیشتر باشد، سرعت باد بیشتری برای چرخاندن روتورهای آن برای حداکثر خروجی مورد نیاز است. توربین های بادی کوچک به دلیل عدم کارایی عملیاتی و سازگاری مورد انتقاد قرار گرفته اند. اگرچه توربین های بادی کوچک منابع پاک تولید انرژی هستند، اما دارای معایب متعددی هستند که باعث شده در بازار داخلی بسیار محبوب نباشند. بسیاری از تکنیک های تولید انرژی غیرمتمرکز به دلیل ناتوانی در تامین ظرفیت برق مورد نیاز مورد انتقاد قرار می گیرند.

دلایل زیادی وجود دارد که چرا توربین های بادی کوچک قادر به کارکرد با ظرفیت توان مورد نیاز نیستند. اینها شامل اندازه نادرست ظرفیت توربین بادی است. محل نصب در منطقه با توجه به سرعت باد ورودی یکی دیگر از دلایل است. توربین های بادی مختلف دارای سرعت قطع خاصی هستند که از آنجا شروع به تولید برق می کنند. توربین های بادی باید بر اساس داده های باد موجود انتخاب شوند. قرار دادن توربین های بادی یکی دیگر از اشتباهات کاربران است که بر عملکرد آنها تأثیر می گذارد. چنین موضوعاتی نیازمند تحلیل دقیق تری برای درک و ارزیابی کامل آنها هستند.

با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، این کار استفاده از یک توربین بادی با مقیاس کوچک تجاری را برای بررسی موقعیت‌های مختلف نشستن روی سقف برای استخراج حداکثر انرژی باد اتخاذ کرده است. این مطالعه با بررسی پروفیل‌های جریان، افزایش باد و استخراج نیرو انجام شد. پارامترهای مورد مطالعه برای اجرای یک توربین بادی در مقیاس کوچک سقفی، سرعت شتاب جریان تامین همراه با شدت تلاطم بود.

2 کارهای مرتبط قبلی

تحلیل موقعیت‌یابی توربین‌های بادی در مقیاس کوچک که در ساختمان‌های خانگی ادغام شده‌اند به ندرت انجام شده است. اگرچه اطلاعات قابل توجهی در مورد توربین های بادی در مقیاس کوچک وجود دارد، اما اطلاعات زیادی در مورد جایی که توربین ها باید روی سقف ساختمان های خانگی قرار گیرند وجود ندارد.

توممالا و همکاران [ 1 ]، یک بررسی کلی از همه چیزهایی که در مورد توربین های بادی در مقیاس کوچک مربوط می شود، ارائه کرد. توربین‌های بادی به‌عنوان منابع بادوام تولید انرژی برای آینده شناخته می‌شوند. توربین‌های بادی در مقیاس بزرگ و مقیاس کوچک طبقه‌بندی می‌شوند. توربین‌های بادی در مقیاس بزرگ دارای رتبه‌بندی قدرت بیشتر با قطر روتور بزرگ‌تر هستند. توربین های بادی در مقیاس کوچک به نوبه خود دارای توان کمتر و قطر روتور کوچکتر هستند. توربین های بادی در مقیاس کوچک به دو دسته توربین های بادی محور عمودی و محور افقی تقسیم بندی شدند. مشخص شد که نصب یک توربین بادی در مقیاس کوچک بر روی هر سقفی نیاز به در نظر گرفتن داده‌های باد موجود، مشخصات شکل سقف و توزیع تلاطم دارد.

لدو و همکاران [2 ] برای درک جریان سرعت باد و شدت تلاطم، شبیه‌سازی‌های CFD را بر روی سه شکل نمای سقف مختلف انجام داد. این آزمایش برای مجموعه‌ای از خانه‌های شهری با شکل‌های سقف مشابه که شامل سقف صاف، شیبدار و هرمی بود، انجام شد. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از مدل آشفتگی SST k -ω انجام شد. مدل اغتشاش به عنوان برتر از k اشاره شدمدل تلاطم -ε زیرا تمایل به پیش‌بینی بیش از حد گرداب ویسکوزیته در شبیه‌سازی‌های جریان مجزا دارد. توصیه می شد که در سقف های مسطح، توربین بادی را می توان در لبه، گوشه یا مرکز نصب کرد. اشاره شد که مکانی که در آن سطح تلاطم بالا وجود دارد برای قرار دادن یک توربین بادی نامناسب خواهد بود زیرا شرایط طراحی بیان می کند که بیش از 16-18٪ نباشد. این بدان معنی است که سطح تلاطم بالا باعث کاهش طول عمر توربین بادی می شود. اشاره شد که خانه‌های بام مسطح برای اثر افزایش سرعت به جهت باد و محل نصب بستگی ندارند. همچنین نشان داده شد که نیروی باد موجود در بالای سقف تخت به طور مداوم بسیار بیشتر از هر پروفیل سقف دیگری بود.

ابوهلا و همکاران [3 ] شبیه‌سازی‌های CFD را برای ارزیابی موقعیت‌های نشستن بهینه یک توربین بادی در مقیاس کوچک روی سقف روی چندین پروفیل سقف انجام داد. پروفیل های سقف مختلفی که شبیه سازی شدند شامل یک تخت، طاقدار، گنبدی، گوه ای، شیروانی و بشکه بود. مدل متشکل از سقف تخت دارای ابعاد 6 در 6 متر و ارتفاع 6 متر بود. همچنین اشاره شد که مدل آشفتگی k -ε قابل تحقق روشی بسیار ارجح برای ارزیابی جریان‌های اطراف ساختمان‌های جدا شده است. هنگامی که باد به موازات ساختمان جریان داشت، بهترین موقعیت نشستن برای توربین بادی در مقیاس کوچک روی یک سقف صاف با مختصات C2-3 در ارتفاع 1.45 H بود.. هنگامی که جهت باد در 45 درجه جریان داشت، بهترین موقعیت نصب برای توربین بادی سقفی در مقیاس کوچک روی سقف تخت با مختصات C2-2 در ارتفاع 1.30 H بود . به این نتیجه رسیدیم که موقعیت مناسب یک توربین بادی روی سقف در مقیاس کوچک می تواند با در نظر گرفتن شتاب هوای تولید شده از طریق یک پروفایل سقف معین قابل دوام باشد.

مرتنز [4] پارامترهایی را که بر توربین های بادی نصب شده روی سقف در مقیاس کوچک تأثیر می گذارد، بررسی کرد. ویژگی‌های جریان یک منظر شهری برای استفاده از توربین بادی روی سقف بررسی شد. پارامترهای اولیه که مورد بحث قرار گرفت شامل ارتفاع مطلوب بالای سقف و همچنین واریانس سرعت باد بالای سقف بود. سرعت باد در بالای پشت بام توسط زوایای انحراف و انحراف باد تعیین شد. این زوایای حباب جدایی را تعیین می کند که در آن سرعت کمتر و همچنین تلاطم بالاتری وجود دارد. حباب جداسازی منطقه ای است که سرعت در آن کمترین در حالی است که تلاطم در بالاترین حد خود خواهد بود. تلاطم زیاد با ایجاد خستگی به توربین بادی آسیب می رساند که منجر به کاهش توان خروجی می شود. از این رو اکیداً توصیه می شود که توربین بادی را بالای حباب جداسازی سقف قرار دهید. مشخص شد که موقعیت نصب مرکزی دارای بالاترین چگالی انرژی است. محل نصب مرکزی یک موقعیت ارجح برای HAWT بود زیرا زوایای جریان کج کمتر خواهد بود.

بوکالا و همکاران [5 ] پارامترهایی را که بر کارایی توربین‌های بادی در مقیاس کوچک تأثیر می‌گذارند، بررسی کرد. یک نمای کلی از تولید برق از یک توربین بادی ارائه شد. معادله (1) پارامترهای دخیل در انرژی به دست آمده از یک توربین بادی را توضیح می دهد. پارامترها شامل چگالی هوا (ρ)، ناحیه جاروب شده روتور توربین بادی (A) و سرعت باد ( u) است.). حد Betz که حداکثر بازده تبدیل انرژی جنبشی به توان مکانیکی برای HAWT است 59.3٪ است. راندمان نهایی توربین های بادی به دلیل تلفات مکانیکی و الکتریکی بیشتر کاهش می یابد. جریان باد آشفته همچنین بازده عملکرد توربین بادی را کاهش می دهد زیرا باعث می شود انرژی جنبشی قابل بازیافت باد به جریان تلاطمی تبدیل شود. حباب متلاطم یا جدایی منطقه ای است که در آن تلاطم باد حداکثر است. قرار دادن توربین بادی در این منطقه به شدت انرژی خروجی از آن را کاهش می دهد و بارهای دینامیکی بیشتری وارد می کند که می تواند هزینه نگهداری و بهره برداری را بیشتر افزایش دهد. یکی دیگر از ویژگی هایی که می تواند تاثیر مثبت و منفی داشته باشد استفاده از اثر شتاب زمین است. این می تواند سرعت باد تولید شده برای توربین بادی را افزایش دهد اما همچنین می تواند به طور قابل توجهی تلاطم را افزایش دهد. نتیجه‌گیری شد که بهینه‌سازی آیرودینامیک توربین‌های بادی تأثیر کمی بر بازده تولید نیرو دارد.(1)

کابل [6 ] مدل های مختلف آشفتگی را برای جریان همرفتی اجباری و طبیعی در دهلیز ساختمان EV ارزیابی کرد. چندین مدل آشفتگی برای اعتبارسنجی سازگاری آنها با یکدیگر استفاده شد. هر سه مدل آشفتگی k -ε استفاده شدند که شامل استاندارد، گروه نرمال سازی مجدد (RNG) و قابل تحقق بود. مدل آشفتگی k -ε قابل تحقق به دلیل توانایی پیش‌بینی جریان‌های جدا شده و سایر ویژگی‌های جریان ثانویه پیچیده، نسبت به قسمت‌های متقابل خود برتر بود. مدل آشفتگی k -ε قابل تحقق از رابطه (2) و معادله (3) تشکیل شده است . دو کمدل‌های آشفتگی -ω نیز استفاده شد که شامل استاندارد و انتقال تنش برشی (SST) می‌شود. مدل آشفتگی SST k -ω ترکیبی از k -ω استاندارد و k -ε تبدیل شده است. تنوع بیشتری از جریان های مختلف را می توان با دقت بیشتری توسط مدل آشفتگی SST k -ω پیش بینی کرد. مدل آشفتگی SST k -ω از رابطه (4) و معادله (5) تشکیل شده است .(2)(3)(4)(5)

ادبیات قبلی نشان می دهد که کار در درک جریان هوا بر روی ساختمان های مختلف برای تعیین کمیت موقعیت نصب برای یک توربین بادی در مقیاس کوچک انجام شده است. CFD برای درک بیشتر جریان باد بر روی ساختمان ها به کار گرفته شده است. تولید برق توربین های بادی نیز با توجه به ضریب توان آنها که به عنوان حد بتز شناخته می شود در نظر گرفته شده است. اگرچه ادبیات موجود جریان را بر روی ساختمان ها مورد بحث قرار می دهد، مدل های شبیه سازی شده بدون توربین بادی موجود بر روی سقف ها نشان داده شده اند. درک جریان شبیه سازی شده بر روی توربین بادی کوچک می تواند به کمیت کردن توزیع سرعت بر روی پره ها کمک کند. اعتبارسنجی ابزاری که توسط بسیاری از افراد مورد استفاده قرار می‌گیرد، می‌تواند اثربخشی آن‌ها را در حوزه مورد نیاز مطالعه کمی کند. مقایسه دو مدل آشفتگی که k قابل تحقق هستند-ε و SST k -ω می‌توانند درکی از تفاوتی که ممکن است بین خودشان به اشتراک بگذارند را ارائه دهند. می توان از آنها برای مقایسه سرعت و پروفیل های یکدیگر برای مدل های شبیه سازی شده استفاده کرد. استخراج مقادیر توان از جریان های شبیه سازی شده می تواند مقادیر سرعت به دست آمده را تکمیل کند. شبیه سازی یک نمونه توربین بادی در شرایط محیطی می تواند به محاسبه توان موجود کمک کند. ارجاع متقابل آن مدل با داده های منحنی توان موجود توربین بادی می تواند توان استخراج شده را که هم تلفات مکانیکی و هم تلفات الکتریکی را در نظر می گیرد، کمیت کند.

3 حوزه فیزیکی

این تحقیق حول 9 موقعیت نصب توربین بادی سقفی در مقیاس کوچک انتخاب شده است. توربین بادی در مقیاس کوچک بر روی ساختمان پیشنهادی به ابعاد 20 متر در 15 متر در 6 متر نصب خواهد شد. شکل 1 مجموع 9 موقعیت پیشنهادی برای نصب توربین بادی بر روی سقف ساختمان را نشان می دهد. چهار موقعیت نصب گوشه؛ چهار موقعیت نصب لبه و یک موقعیت نصب در مرکز ساختمان در ANSYS DesignModeler مدل‌سازی شدند. فاصله جریان بین هر موقعیت نصب 9.5 متر و فاصله دهانه 7 متر است. حجم کنترل گنجانده شده برای مدل ها دارای حجم 112 500 متر ^مکعب است .

عکس. 1محل نصب توربین بادی

بادگیر 3.1 Rutland FM910-4

توربین بادی انتخاب شده برای این آزمایش Rutland FM910-4 Furlmatic Windcharger [7 ]. توربین بادی 155 وات با سرعت باد 15 متر بر ثانیه رتبه بندی شده است. ارتفاع نصب توربین بادی بالای سقف ساختمان 2 متر در نظر گرفته شده است. مدل توربین بادی در ANSYS Design Modeler ساخته شده است. شکل 2a طرح شارژر بادی راتلند را به طور کامل با ناسل، تیغه ها، دم و پره نشان می دهد. توربین بادی دارای قطر پره 0.910 متر با قطع سرعت باد 3 متر بر ثانیه است. شکل 2b مدل توربین بادی ساخته شده در ANSYS Design Modeler را نشان می دهد. تیغه ها و ناسل مدل برای نزدیک شدن به توربین بادی اصلی ساخته شده اند.

شکل 2(الف) بادگیر Rautland FM 910-4 [ 7 ]; (ب) مدل بادگیر راتلند.

4 حوزه محاسباتی

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) روشی است که برای شبیه سازی جریان هوا در اطراف ساختمان اتخاذ می شود. نرم افزار کامپیوتری مورد استفاده ANSYS 17.2 است که می تواند پارامترهای مدل مورد نیاز را شبیه سازی کند. دو مدل تلاطم بر روی نه پیکربندی مورد بررسی شبیه‌سازی شد.

4.1 راه اندازی CFD

انواع نرم افزارهای مبتنی بر کامپیوتر برای ارزیابی جریان در ساختمان ها وجود دارد. ANSYS 17.2 برای انجام شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی برای این آزمایش انتخاب شد. انجام شبیه‌سازی CFD نیازمند یک مدل آشفتگی خاص است که در شرایط مرزی ANSYS Fluent وارد شده است. دو نوع مدل آشفتگی برای مقایسه نتایج در شبیه‌سازی استفاده شد. هر دو مدل تلاطم مدل‌های دو معادله‌ای هستند که در آنها انرژی جنبشی آشفتگی همراه با اتلاف اغتشاش یا نرخ اتلاف تلاطم خاص را می‌توان یافت.

اولین مدل آشفتگی، k -ε قابل تحقق بود که رایج‌ترین مدلی است که در شبیه‌سازی جریان ساختمان استفاده می‌شود [ 3 ]. در این مدل آشفتگی، مقدار ( k ) نشان دهنده انرژی جنبشی آشفتگی موجود و مقدار (ε) نشان دهنده اتلاف تلاطم است. مدل آشفتگی k -ε قابل تحقق برای محاسبه شبیه‌سازی‌های CFD برای آزمایش استفاده شد. این نوع مدل آشفتگی به عنوان روشی ارجح برای ارزیابی جریان‌های اطراف یک ساختمان جدا شده انتخاب شد. این مدل تلاطم نرخ اتلاف تلاطم را بهتر از قطعات متقابل خود پیش‌بینی می‌کند. مدل آشفتگی k -ε قابل تحقق به‌ویژه برای جریان‌های آزاد به‌طور تجربی تأیید شده است. قابل تحقق kمدل آشفتگی -ε از معادلات (7) و (8) تشکیل شده است . از رابطه (7) برای محاسبه انرژی جنبشی آشفتگی ( k ) استفاده می شود. معادله (8) برای محاسبه نرخ اتلاف اغتشاش (ε) [8 ].(7)(8)

دومین مدل آشفتگی SST k -ω بود که برای شبیه‌سازی جریان ساختمان محبوب‌تر می‌شود. در این مدل آشفتگی، مقدار ( k ) نشان دهنده انرژی جنبشی آشفتگی موجود و مقدار (ω) نشان دهنده نرخ اتلاف اغتشاش خاص است. مدل آشفتگی SST k -ω انتخاب شد زیرا ویسکوزیته گردابی را در شبیه‌سازی‌های جریان مجزا پیش‌بینی نمی‌کند. این مدل آشفتگی نسبت به سایر مدل‌های آشفتگی حساسیت کمتری نسبت به شرایط جریان آزاد نشان می‌دهد. محدود کننده SST به مدل آشفتگی اجازه می دهد تا از ایجاد انرژی جنبشی آشفتگی در نزدیکی نقاط رکود جلوگیری کند. SST kمدل اغتشاش -ω به دلیل عملکرد کافی در جداسازی جریان و شیب فشار نامطلوب شایسته است. مدل آشفتگی از معادلات (11) و (12) تشکیل شده است. از رابطه (11) برای محاسبه انرژی جنبشی آشفتگی ( k ) استفاده می شود. معادله (12) برای محاسبه نرخ اتلاف اغتشاش خاص (ω) [9 ].(9)(10)

4.2 پارامترهای مش بندی

مش انتخاب شده برای این آزمایش یک چهار وجهی بدون ساختار خوب برای همه مدل ها با وضوح بالا در نزدیکی توربین بادی بود. این نوع مش به دلیل انعطاف پذیری در کاربرد در هندسه های مختلف اعمال شد. این نوع مش در چندین مطالعه دیگر نیز استفاده شد که جریان باد را شبیه‌سازی کردند [10 ،11 ]. همه مدل های شبیه سازی شده تقریباً 310000 عنصر و 460000 گره با نرخ رشد 1.2 داشتند. شکل 3a شبکه های ایجاد شده را نشان می دهد که در وسط آن در نزدیکی توربین بادی ظریف تر است. شکل 3b ، تولید مش در توربین بادی را از درشت به ریز نشان می دهد. شکل 3c همچنین جزئیات مش را در سطح صفحه ای که از وسط توربین بادی متقاطع شده است نشان می دهد. مش به نظر می رسد که در جایی که توربین قرار دارد از درشت به ریز می رود.

شکل 3(الف) مش دامنه ها؛ (ب) توربین بادی مشبک. (ج) تبدیل مش در سراسر یک صفحه.

4.3 تأیید شبکه

سازگاری شبکه همچنین برای محاسبه پایداری مدل‌های CFD مورد آزمایش استفاده شد. تأیید برای پنج پیکربندی مختلف سلول های عنصر مش انجام شد. سپس مقایسه‌ای از سرعت‌های متوسط ​​محاسبه‌شده و انرژی جنبشی آشفته برای همه موارد مشبک شده مختلف انجام شد. این دو متغیر در امتداد یک خط خطی (120 متر) از ورودی حجم کنترل و از وسط ناسل توربین بادی تا خروجی اندازه‌گیری شدند. مقادیر متوسط ​​سرعت و انرژی جنبشی آشفته در خط مستقیم فرضی که در سراسر حجم کنترل جریان دارد اندازه‌گیری شد. میانگین ترکیبی مقادیر اندازه گیری شده گرفته شد. شکل 4 الفخطای پسین متغیرهای اندازه گیری شده را نشان می دهد. خطا برای هر دو متغیر در مرحله دوم انطباق شبکه حداکثر نشان داده شده است. با افزایش تعداد سلول‌ها، خطای خلفی کاهش می‌یابد و نشان می‌دهد که مدل در نهایت در طول انطباق شبکه تثبیت می‌شود. شکل 4b سازگاری متغیرهای فیزیکی اندازه گیری شده را نشان می دهد که نشان می دهد مدل CFD شبیه سازی شده در سازگاری با شبکه پایدار است.

شکل 4(الف) خطا در افزایش تعداد سلول. (ب) متغیرهایی با افزایش تعداد سلول.

4.4 شرایط مرزی

سرعت باد ورودی 4 متر بر ثانیه تعیین شد که میانگین سرعت باد در منطقه امارات متحده عربی است [12 ]. شدت درصد آشفتگی پیش‌فرض برای ورودی 5 درصد با نسبت ویسکوزیته آشفتگی 10 بود. حجم سیال ماکرو نیز برای شبیه‌سازی شرایط جریان خارجی محیط با استفاده از گرانش استفاده شد. جریان باد در 0 درجه از محور اصلی که مدل ها در آن تنظیم شده بودند شبیه سازی شد.

در مجموع هجده مدل با استفاده از دو نوع مختلف مدل تلاطم شبیه سازی شد. برای یک مجموعه از نه مدل، مدل آشفتگی k -ε قابل تحقق با توابع دیوار استاندارد استفاده شد. محدودیت‌های مدل آشفتگی k -ε به عنوان پیش‌فرض حفظ شدند. مجموعه دوم از نه مدل با استفاده از مدل آشفتگی SST k -ω با محدود کننده تولید روشن شبیه‌سازی شد. محدودیت‌های مدل آشفتگی SST k -ω نیز به عنوان پیش‌فرض حفظ شدند. جدول 1 خلاصه ای از شرایط مرزی مختلف اعمال شده برای اجرای مدل ها را نشان می دهد.

5 نتایج و بحث

شبیه‌سازی‌های CFD نتایجی مشابه با نتایج تحلیل شده در ادبیات موجود ایجاد کردند. نه مدل موجود بر اساس پروفیل های جریان سرعت آنها مورد بررسی قرار گرفته است. پروفیل های سرعت هر مدل الگوی جریان هوا را در سراسر ساختمان و توربین بادی توصیف می کند. نمودارهای سرعت در سراسر ناسل توربین بادی در مدل محصور شده نیز بیشتر مورد بحث قرار گرفته است. نمودارهای سرعت در سراسر ناسل به درک تغییرات سرعت باد هر مدل کمک کردند. درصد افزایش افزایش سرعت اولیه باد نیز مورد بحث قرار می گیرد تا تحلیل شود که کدام مدل توربین بادی حداکثر سرعت را ایجاد می کند. تفاوت بین مدل‌های آشفتگی مورد بحث قرار می‌گیرد تا نتیجه‌گیری شود که کدام یک از دو انتخابی واقعی‌ترین نتایج را تولید کرده‌اند. در آخر،

5.1 پروفیل های سرعت

شتاب سرعت باد محور اصلی این مطالعه است. شتاب سرعت باد بالای سقف ساختمان، نیروی مورد نیاز توربین بادی را برای کار و تولید انرژی فراهم می کند. در مجموع نه موقعیت نصب توربین بادی انتخاب شد. موقعیت های نصب توربین های بادی در گروه ها مورد بحث قرار خواهد گرفت. شتاب جریان، سرعت باد شتاب‌گرفته در بالای ساختمان است که در پروفیل‌های سرعت همه مدل‌ها نشان داده می‌شود. حباب جدایی ناحیه ای است که تلاطم در آن در بالاترین حد و سرعت باد در کمترین مقدار است نیز در پروفیل های سرعت مورد بحث قرار خواهد گرفت. مجموعه سه تایی به سمت باد در ابتدا مورد بحث قرار خواهد گرفت. به دنبال آن مرکز سه و سپس سه بادگیر. پروفیل های سرعت بین نتایج دو مدل توربولانس انتخاب شده مقایسه می شوند.

سه موقعیت نصب توربین بادی رو به باد به ترتیب (1،1)، (1،0) و (1،-1) هستند. پروفیل های سرعت هر سه موقعیت در شکل 5 نشان داده شده است . پروفیل ها برای نشان دادن مقایسه مستقیم در تفاوت سرعت باد بین مدل آشفتگی k -ε (چپ) و k -ω (راست) مرتب شده اند. دو پروفیل سرعت بالایی به ترتیب در موقعیت نصب (1,0) قرار دارند. دو پروفیل سرعت مرکزی به ترتیب از موقعیت های نصب (1،1) هستند. دو پروفیل سرعت پایین به ترتیب از موقعیت های نصب (1،-1) هستند. مشخصات سرعت k -ε موقعیت نصب (1,0) دامنه بزرگتری از شتاب جریان نسبت به k -ω جایگزین ایجاد کرد. k _پروفیل سرعت -ε حباب جدایی بر خلاف ادبیات تحلیل شده ایجاد نکرد. پروفیل سرعت k -ω الگوی باد متفاوتی نسبت به پروفیل سرعت k -ε ایجاد کرد. دامنه شتاب سرعت جریان در مدل k -ω کمی کمتر از آن مشاهده شده در پروفایل k -ε بود. k -ω حباب جدایی را ایجاد کرد که در ادبیات موجود دیده می شد . موقعیت نصب (1،1) الگوهای جریان سرعت مشابهی را در هر دو مدل آشفتگی با شتاب جریان و حباب جداسازی ایجاد کرد. تنها تفاوت بین این دو این بود که شتاب جریان بیشتر در k -ω بود تا kمدل -ε. موقعیت نصب (1،-1) پروفیل های جریان باد با سرعت یکسان را ایجاد کرد. شتاب جریان همراه با حباب جدایی ویژگی‌های جریان یکسانی در هر دو مدل تلاطم انتخاب شده داشتند.

سه موقعیت نصب توربین بادی در مرکز به ترتیب (0،1)، (0،0) و (0،-1) هستند. پروفیل های سرعت هر سه موقعیت مرکزی در شکل 6 نشان داده شده است . پروفیل ها برای نشان دادن مقایسه مستقیم در تفاوت سرعت باد بین مدل آشفتگی k -ε (چپ) و k -ω (راست) مرتب شده اند. دو پروفیل سرعت بالایی به ترتیب در موقعیت نصب (0,0) قرار دارند. دو پروفیل سرعت مرکزی به ترتیب از موقعیت های نصب (0،1) هستند. دو پروفیل سرعت پایین به ترتیب از موقعیت های نصب (0،-1) هستند. k -ε و kپروفیل های سرعت -ω موقعیت نصب (0,0) نتایج مشابهی را ایجاد کردند. هر دو مناطق یکسانی از شتاب جریان در بالا و قبل از توربین بادی نصب شده روی سقف را نشان داده‌اند. نشان داده شده است که سرعت جریان در دو برابر ارتفاع قطب توصیه شده توربین بادی رخ می دهد. حباب جداسازی قبل از توربین بادی نصب شده در هر دو پروفیل سرعت وجود دارد. موقعیت نصب (0،1) الگوهای جریان سرعت مشابهی را در هر دو مدل آشفتگی با شتاب جریان و حباب جداسازی ایجاد کرد. k -ε غلظت کمی کمتر از شتاب جریان را از آنچه در k -ω مشاهده شد ، پیش بینی کرد . غلظت حباب جداسازی در پروفیل سرعت k -ε کمتر از k بود-ω. موقعیت نصب (0،-1) پروفیل های جریان باد با سرعت متفاوت را ایجاد کرد. شتاب جریان در پروفیل سرعت k -ε کمی کمتر بود و قبل از موقعیت نصب توربین بادی رخ داد. شتاب جریان در k -ε مستقیماً بالای توربین بادی بزرگتر بود.

سه موقعیت نصب توربین های بادی به ترتیب (-1،1)، (-1،0) و (-1،-1) هستند. پروفیل های سرعت هر سه موقعیت در شکل 7 نشان داده شده است . پروفیل ها به گونه ای مرتب شده اند که مقایسه مستقیمی را در تفاوت سرعت باد بین k -ε (سمت چپ) و k نشان دهند.-ω (راست) مدل آشفتگی. دو پروفیل سرعت بالایی به ترتیب در موقعیت نصب (-1,0) قرار دارند. پروفیل های مرکزی دو سرعت به ترتیب از موقعیت های نصب (-1,0) هستند. دو پروفیل سرعت پایین به ترتیب از موقعیت های نصب (-1,0) هستند. موقعیت نصب (-1،0) توربین بادی نتیجه یکسانی از شتاب جریان و حباب جداسازی ایجاد کرد. نشان داده شد که شتاب جریان در بالا و قبل از موقعیت نصب شده توربین بادی رخ می دهد. حباب جداسازی پروفیل های سرعت در بالای سقف ثابت باقی ماند. پروفیل های تغییرات موقعیت های نصب (-1،1) و (-1،-1) الگوهای جریان باد یکسانی را با شتاب جریان قبل از موقعیت توربین های بادی ایجاد کردند. حباب جداسازی در این مدل ها به طور قابل توجهی کمتر از موقعیت های توربین بادی وسط عقب بود. این به دلیل قرار گرفتن موقعیت‌های نصب در لبه‌های ساختمان است، بنابراین حباب جداسازی تأثیر کمتری بر پروفیل‌های سرعت دارد. اینپروفیل سرعت k -ε حباب جدایی بر خلاف ادبیات تحلیل شده ایجاد نکرد.

شکل 5به سمت باد سه موقعیت نصب k -ε (چپ) و k -ω (راست).

شکل 6وسط سه موقعیت نصب k -ε (چپ) و k -ω (راست).

شکل 7به سمت جلو سه موقعیت نصب k -ε (چپ) و k -ω (راست).

5.2 روند سرعت

درک شتاب سرعتی که در نزدیکی توربین بادی و در بالای ساختمان اتفاق می‌افتد، به تعیین موقعیت مناسب برای نصب کمک می‌کند. سرعت باد از طریق خطی که از ابتدای حجم کنترل، از وسط ناسل توربین بادی و تا انتهای ولوم کنترل عبور می کرد، گرفته شد. در مجموع پنجاه نمونه سرعت از خط فرضی عبوری از ناسل توربین بادی گرفته شد. این نمونه ها در نمودارهای نمودار نشان داده شده در شکل 8 برای مقایسه روند سرعت باد در همه مدل ها نشان داده می شوند. تجزیه و تحلیل گروهی بیشتر از این نمودارهای نمودار با توجه به موقعیت های نصب و مدل های آشفتگی آنها انجام می شود.

شکل 8دو نمودار نمودار را نشان می دهد که روندهای سرعت را در سراسر حجم کنترل مدل نشان می دهد. اولین مجموعه از روندهای سرعت مربوط به موقعیت های نصب توربین های بادی به سمت باد است. موقعیت‌های نصب به سمت باد شامل (1،1)، (1،0) و (1،-1) است. خط آبی نقطه‌دار که نمودار را در طول محوری 45.5 متر قطع می‌کند، محل نصب توربین بادی است. مجموعه دوم روندهای سرعت مربوط به موقعیت های نصب مرکزی توربین های بادی است. موقعیت های نصب در مرکز شامل (0،1)، (0،0) و (0،-1) است. خط سیاه نقطه چین که نمودار را در طول محوری 55 متر قطع می کند، محل نصب توربین بادی است. سومین و آخرین مجموعه روندهای سرعت مربوط به موقعیت‌های نصب رو به بادبانی توربین‌های بادی است. موقعیت‌های نصب به سمت چپ شامل (-1،1)، (-1،0) و (-1،-1) است. خط نارنجی نقطه چین که نمودار را در طول محوری 64.5 متر قطع می کند، محل نصب توربین بادی است. حداکثر سرعت مشاهده شده در هر 9 محل نصب توربین بادی در مقیاس کوچک درجدول 2 .

شکل 8روند سرعت باد مدل های تلاطم k -ε و k -ω.

5.3 فاکتور افزایش

افزایش سرعت باد میزان افزایش به دست آمده توسط یک مدل را تعیین می کند. درصد افزایش بر اساس حداکثر مقدار به دست آمده تقسیم بر مقدار ورودی اولیه است. هر مدل شبیه سازی شده دارای سرعت ورودی 4 متر بر ثانیه بود [ 12 ]. افزایش سرعت باد در موقعیت نصب مورد نیاز درصد افزایش را به همراه خواهد داشت. این درصدها فقط برای موقعیت‌های نصب توربین بادی جلو قابل استفاده بود. این به دلیل حداکثر سرعت باد است که در محل نصب توربین های بادی به دست می آید. جدول 2 حداکثر مقدار افزایش به دست آمده برای شش مدل شبیه سازی شده را نشان می دهد. حداکثر افزایش به دست آمده توسط (1,0) مدل k -ω در 33٪ بود. کمترین افزایش به دست آمده توسط (1،-1) k بود-ω مدل در 26.5%.

حداکثر افزایش از هر دو مدل آشفتگی نصب شده در (1,0) مکان مرکزی-باد به دست آمد. حداکثر افزایش توسط k -ω (1,0) تولید شد که 33٪ بود. افزایش تولید شده توسط مدل k -ε (1,0) 29.75٪ بود که 3.25٪ کمتر از مدل k -ω است. شکل 9 توزیع دو مدل آشفتگی سرعت باد را بر روی پره های توربین نشان می دهد. مدل k -ε نشان می دهد که پره های توربین بادی در مقایسه با مدل k -ω دارای سرعت بیشتری هستند . SST kمدل توربولانس -ω در بدست آوردن حداکثر سرعت در یک نقطه خاص و همچنین ارائه توزیع سرعت یکسان در پره‌های توربین بادی مؤثر بود. مدل آشفتگی k -ε قابل تحقق نیز در تهیه حداکثر سرعت در یک نقطه خاص و ایجاد یک اثر شتاب کمی بهتر بر پره‌های توربین بادی نسبت به مدل آشفتگی SST k -ω مؤثر بود. حداکثر افزایش تولید شده توسط k -ε (1،1) که 29.25٪ بود. افزایش تولید شده توسط مدل k -ω (1،1) 27.25٪ بود که 2٪ کمتر از k است.مدل -ε. هر دو مدل تلاطم توزیع سرعت یکسانی را روی پره‌های توربین بادی نشان می‌دهند. از این رو هر دو مدل آشفتگی در تولید یک نتیجه از توزیع سرعت بر روی پره‌های توربین بادی برای محل نصب (1،1) سازگار بودند. حداکثر افزایش تولید شده توسط k -ε (1،-1) که 28.25٪ بود. افزایش تولید شده توسط مدل k -ω (1،-1) 26.5٪ بود که 1.75٪ کمتر از مدل k -ε است. هر دو مدل تلاطم توزیع سرعت مشابهی را روی پره‌های توربین بادی نشان دادند. مدل k -ε سرعت کمی بالاتر بر روی پره های توربین بادی نسبت به مدل k -ω داشت. جدول 3

شکل 9k -ε (چپ) و k -ω (راست) (1,0) مدل توزیع سرعت بر روی پره های توربین بادی.

5.4 استخراج نیرو

نیروی تولید شده از یک توربین بادی به عوامل مختلفی بستگی دارد. اینها شامل انرژی موجود از سرعت باد و سطح مقطع پره توربین بادی است. با استفاده از رابطه (1) توان موجود را می توان با چگالی هوا، سطح مقطع پره توربین بادی و سرعت باد تعیین کرد. سطح مقطع تیغه بادگیر Rutland FM910-4 Furlmatic 0.65 متر ^مربع است . سرعت باد ورودی برای هر مدل از جدول افزایشی 2 گرفته شده است . چگالی هوا 1.225 کیلوگرم بر متر مکعب است. شکل 10 خلاصه ای از سرعت را به همراه حداکثر توان موجود برای توربین بادی نشان می دهد.

شکل 10مدل های بادگیر توان موجود و سرعت اوج.

5.5 منحنی قدرت Rutland FM910-4

منحنی قدرت یک توربین بادی میزان توانی را که می تواند با سرعت باد موجود تولید کند، تعیین می کند. منحنی توان Rutland FM910-4 در شکل 11 آورده شده است . منحنی توان سرعت قطع اولیه باد را 3 متر بر ثانیه نشان می دهد. نسبت توان به سرعت به طور پیوسته تا 16 متر بر ثانیه افزایش می یابد که در آن توربین بادی به حداکثر توان خروجی 160 وات می رسد.

توربین های بادی قادر به استخراج تمام توان موجود در سرعت باد نیستند. مجموع توان موجود با کل توان قابل استخراج توسط توربین بادی متفاوت است. تفاوت بین این دو در این است که کل توان قابل استخراج متغیر دیگری را به معادله اضافه می کند که ضریب عملکرد است. این ضریب عملکرد به عنوان حد بتز شناخته می شود. حد بتز حداکثر توان خروجی است که می تواند توسط یک توربین بادی به دست آید که 59.3٪ است. هوایی که با سرعت از آن عبور می کند به سمت بیرون پخش می شود و انرژی جنبشی خود را با استخراج توسط توربین بادی از دست می دهد. محدودیت در 59.3٪ تنظیم شده است زیرا هندسه کارایی را از بالاتر رفتن محدود می کند. درون یابی سرعت باد به دست آمده از مدل های CFD در منحنی توان Rutland FM910-4 قدرت استخراج شده توسط توربین بادی را می دهد. با اصلاح معادله برای بدست آوردن ضریب توان، توان استخراج شده توسط توربین بادی بر کل توان بادی موجود تقسیم می شود. معادله(11) نسخه اصلاح شده معادله (1) با اضافه کردن متغیر ضریب توان (Cp) است.(11)

محدودیت Betz برای Rutland FM910-4 38.2٪ است. شکل 12 کل توان قابل استخراج توسط Rutland FM910-4 را در منحنی قدرت توربین بادی نشان می دهد. حداکثر توان باد استخراج شده توسط مدل (1,0) k -ω که 22.84 وات است به دست می آید. حداقل توان باد استخراج شده توسط مدل k -ω (1،-1) که 19.72 وات است به دست می آید. استخراج نیرو توسط توربین بادی با هر دو مدل توربولانس مطابقت دارد. توربین بادی مرکزی رو به باد در هر دو مدل بیشترین قدرت را تولید می کند. توربین‌های بادگیر گوشه‌ای در مقایسه با توربین‌های بادی مرکزی-بالای باد، توان کمتری تولید می‌کنند.

شکل 11منحنی قدرت بادگیر Rutland FM910-4 [ 7 ].

شکل 12قدرت قابل استخراج از مدل های بادگیر.

6. نتیجه گیری

این مقاله نشست بهینه یک توربین بادی در مقیاس کوچک را تعیین کرد. پس از تجزیه و تحلیل CFD، موقعیت ایده آل برای نصب توربین بادی کوچک به عنوان مکان (1,0) تعیین شد. این مکان توسط هر دو مدل اغتشاش k -ε و SST k -ω تایید شده است تا بهینه ترین موقعیت برای توربین بادی برای استخراج حداکثر توان باشد.

نتایج نشان داد که راندمان عملیاتی راتلند 910-4 Windcharger تنها در مکان‌هایی که به سمت باد نصب شده‌اند، امکان‌پذیر است که شتاب جریان بالاتر از سرعت باد نامی توربین بادی است. اگرچه سرعت باد شتاب‌دهنده جریان در مدل‌های بادگیر کافی بود، اما در سه موقعیت رو به بالا ثابت بود زیرا بالای 5 متر بر ثانیه بود. مقایسه دو شبیه‌سازی‌شده مدل‌های آشفتگی k -ε و SST k -ω، هر دو نتایجی را تولید کردند که با یکدیگر سازگار بودند. با این حال، واریانس در سرعت باد به دست آمده بین موقعیت های نصب توربین سه بادی مدل های k -ε قابل تحقق در مقایسه با مدل های SST k -ω کمتر بود. (1,0) kمدل -ω بالاترین سرعت باد را تولید کرد که 5.32 متر بر ثانیه با قدرت استخراج توربین بادی 22.84 W بود. توان استخراج 19.72 وات

توربین های بادی سقفی در مقیاس کوچک یکی از روش های تولید انرژی غیرمتمرکز آینده است. درک اینکه چگونه می توان آنها را در جامعه شهری به کار برد، ناگزیر آنها را به منبعی برای تولید انرژی قابل دوام تبدیل می کند. اگر توپولوژی محلی و شرایط آب و هوایی به اندازه کافی در نظر گرفته شود، توربین های بادی روی سقف در مقیاس کوچک می توانند به عنوان منبع کوچکی برای تولید برق عمل کنند. بررسی در یک محیط شهری پیکربندی ساختمان با توربین های بادی کوچک نصب شده بر روی پشت بام ها یا هر منطقه قابل دوام دیگری که سرعت باد کافی است. مدل سازی اشکال مختلف سقف که می تواند برای تولید شتاب جریان یکنواخت برای استفاده توربین بادی استفاده شود. علاوه بر این، مکان‌های نصب توربین‌های بادی کوچک به دلیل سرعت باد و پروفیل‌های فشار ایجاد شده در هر پیکربندی سقف متفاوت است.

نامگذاری

توضیحات متغیر

P : قدرت باد (W)

ρ : چگالی (kg/ ^m3 )

A : سطح مقطع ( ^m2 )

u : سرعت (m/s)

C _p : ضریب عملکرد (حد بتز)

k : انرژی جنبشی آشفتگی ویژه (m ² /s ² )

ε : نرخ اتلاف آشفته (s ^-1 )

ω : نرخ اتلاف آشفته خاص (s ⁻¹ )

P _k : نرخ تولید k (kg/ms ³ )

P _ω : نرخ تولید ω (kg/m ³ s ² )

P _b : انرژی جنبشی آشفته ناشی از شناوری

β : ثابت مدل سازی آشفتگی

Β ^* : ثابت مدل سازی آشفتگی

F ₁ : عملکرد ترکیبی

G _k : انرژی جنبشی آشفته ناشی از گرادیان سرعت متوسط

G _b : انرژی جنبشی آشفته ناشی از شناوری

Y _M : اتساع نوسانی در آشفتگی تراکم پذیر

Y _k : اتلاف انرژی جنبشی آشفته در اثر تلاطم

S _k : ثابت تعریف شده توسط کاربر

C : ضریب تابع فاز خطی-ناهمسانگرد

S : بزرگی نرخ کرنش (m ^-1 )

D _ω : اصطلاح انتشار متقاطع

σ : عدد پراندتل آشفته

v _T : ویسکوزیته گردابی سینماتیک (m2 ^/ s)

شرح اختصاری

CFD: دینامیک سیالات محاسباتی

BEM: Blade Element Momentum

HAWT: توربین بادی محور افقی

VAWT: توربین بادی محور عمودی

BAWT: ساخت توربین بادی تقویت شده

SST: انتقال تنش برشی

منابع