دانلود پایان‌نامه c (412)

1-6-2نیروهای روی ایرفویل13
1-6-3ساختار سازه پره توربین بادی14
1-6-4سازه داخلی پره توربین بادی15
1-6-5مواد پره‏ توربین بادی16
1-7نیروهای وارد بر توربین بادی محور افقی18
1-7-1نیروهای آیرودینامیکی18
1-7-2نیروهای گرانشی19
1-7-3نیروهای گریز از مرکز19
1-7-4نیروهای ژیروسکوپی20
1-7-5آشفتگی باد20
1-7-6تغییرات پروفیل باد21

1-8مقدمه‏ای بر ارتعاشات توربین بادی محور افقی22
1-8-1نیروهای تحریک و درجات آزادی ارتعاشی23
1-8-2ارتعاشات پرههای باریک توربین بادی25
1-9کارت دینامیکی پره توربین بادی (نمودار کمپبل)27
1-10تاریخچه‏ی کارهای انجام شده در زمینه‏ی آنالیز دینامیکی پره‏ی توربین بادی28
1-11کار حاضر و اهداف پروژه31
1-11-1مشخصات توربین بادی مورد مطالعه32
1-12محتوای فصلهای بعدی33
فصل دوم: تئوری‏های حاکم ……………………………………………………………………………………34
2-1فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبهای تیر چرخان35
2-1-1تغییر مکان نقاط تیر36
2-2تئوری تیر تیموشنکو37
2-2-1ضریب اصلاح برشی40
2-3محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی42
2-4اصل همیلتون44
2-4-1تغییرات مجازی انرژی جنبشی44
2-4-2تغییرات مجازی انرژی کرنشی45
2-4-3تغییرات مجازی انرژی پتانسیل ناشی از بارهای اعمال شده به سیستم45
2-4-4معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم برای حالت لبهای47
2-5گسسته سازی معادلات حرکت48
2-5-1محاسبه توابع شکل48
2-6فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبهای بر اساس تئوری تیر اویلر- برنولی61
2-7فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بالزدن تیر چرخان63
2-7-1تغییر مکان نقاط تیر63
2-7-2محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی65
2-7-3معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم در حالت بالزدن67
2-7-4گسسته سازی معادلات حرکت68
2-8فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بالزدن بر اساس تئوری تیر اویلر- برنولی72
فصل سوم: تحلیل ارتعاشات پره توربین بادی به کمک نرمافزار و استخراج پارامترهای مودال………73
3-1روش مدلسازی و تحلیل نرمافزاری74
3-1-1روش نرم‏افزاری اجزا محدود74
3-1-2نرمافزار اجزاء محدود آباکوس75
3-2فرضیات بکار رفته در استفاده از نرمافزار75
3-3فرایند تحلیل نرمافزاری76
3-3-1مدلسازی پره توربین بادی76
3-3-2تعریف خصوصیات ماده76
3-3-3تعیین نوع حل76
3-3-4تعریف شرایط مرزی و بارگذاری77
3-3-5مشبندی یا شبکهبندی78
3-4اعتبار‏سنجی81
3-5نتایج تحلیل نرمافزاری پره توربین بادی86
3-5-1تحلیل فرکانسی پره توربین بادی86
3-5-2تحلیل فرکانسی پره توربین بادی با در نظر گرفتن سرعت دورانی روتور87
3-5-3مقایسه فرکانسهای طبیعی تئوریهای اویلر- برنولی و تیموشنکو93
3-5-4بررسی اثر لایهچینی مواد کامپوزیتی بر روی فرکانسهای طبیعی 93
3-5-5بررسی اثر سرعت دورانی بر روی فرکانسهای طبیعی97
3-5-6بررسی اثر ضخامت پوسته پره توربین بادی بر روی فرکانسهای طبیعی98
3-5-7بررسی اثر شعاع هاب روتور بر روی فرکانسهای طبیعی99
3-5-8بررسی پاسخ گذرای سیستم تحت یک ضربهی فشاری100
فصل چهارم: نتیجهگیری و پیشنهادات ……………………………………………………………………..103
4-1نتیجه‏گیری103
4-2پیشنهادات105
مراجع ……………………………………………………………………………………………………………….106
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1: ظرفیت کلی برق بادی جهان، 1996-201203
شکل1-2: ظرفیت سالیانه برق بادی در نواحی مختلف جهان از سال 2004 تا 2012 03
شکل1-3: انواع توربین‏های بادی پیشرفته: a) توربین بادی با محور عمودی b) توربین بادی با محور افقی04
شکل 1-4: تقسیم‏بندی توربین‏های بادی: a) تک پره‏ای b) دو پره‏ای c) سه پره‏ای d) چند پره‏ای05
شکل 1-5: تقسیمبندی روتور توربینهای بادی: a) پایین دست برج(پشت به باد) b)بالا دست برج(رو به باد)06
شکل 1-6: تقسیمبندی نیروگاههای بادی: a) نیروگاه‏های مستقر در دریا (b نیروگاه‏های مستقر در خشکی07
شکل 1-7: قسمت‏های مختلف یک توربین بادی09
شکل 1-8: نمونهای از ساختار پره توربین بادی مدرن011
شکل1-9: پارامترهای اصلی یک ایرفویل012
شکل1-10: نمونه‏های از ایرفویل012
شکل1-11: نیروهای برا و پسا013
شکل 1-12: نمودار ممان خمشی ناشی از نیروی برا برحسب شعاع پره توربین014
شکل 1-13: سطح مقطع و اتصال سازهای درون پره توربین بادی015
شکل 1-14: نمای داخلی یک پره توربین بادی016
شکل 1-15: جزئیات یک برش از پره توربین بادی کامپوزیتی017
شکل 1-16: نیروهای وارد بر توربین بادی018
شکل 1-17: جریان هوا در لایهی مرزی021
شکل 1-18: نیروهای تحریک و درجات آزادی ارتعاشی یک توربین بادی023
شکل 1-19:نمودار فرکانسهای طبیعی نسبت به سرعت روتور 025
شکل 1-20: نمونههای از پدیده تشدید در توربین بادی026
شکل 1-21:نمونهای از نمودار کمپبل روتور سه پرهای سرعت متغیر027
شکل 1-22: توربین بادی مورد مطالعه032

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل 2-1: دو حالت ارتعاشی خمشی تیر یکسر گیردار دوار: a) ارتعاشات لبهای b) ارتعاشات بالزدن035
شکل 2-2: شکل شماتیک صفحه‌ای تیر چرخان035
شکل 2-3: دستگاه چرخان و دستگاه اینرسی036
شکل2-4: هندسه اولیه و تغییر شکل یافته تیر تحت فرضیات تئوری تیر مرتبه اول(تئوری تیر تیموشنکو) 038
شکل2-5: سطح مقطع تیر041
شکل2-6: تغییر طول تیر ناشی از جابجایی عرضی045
شکل 2-7: تعادل یک المان تیر049
شکل 2-8: تعریف(یا تعادل داخلی) نتایج تنش050
شکل 2-9: المان تیر052
شکل 3-1: مدل پره توربین بادی مورد مطالعه در نرمافزار آباکوس076
شکل 3-2: اعمال نیروهای متناظر با چرخش به جای اثر دورانی با توجه به اصل دالامبر077
شکل 3-3: اعمال شرایط مرزی و بارگذاری بر روی پره توربین بادی در نرمافزار آباکوس078
شکل 3-4:مشبندی پره توربین بادی در نرمافزار آباکوس080
شکل 3-5: تیر یکسر گیردار دوار081
شکل 3-6:تغییرات فرکانس مود اول بالزدن بر حسب تعداد المان 083
شکل3-7: مود اول در جهت لبهای084
شکل3-8: مود اول در جهت بالزدن084
شکل 3-9: مود دوم در جهت لبهای084
شکل 3-10: مود دوم در جهت بالزدن085
شکل 3-11: نمودار کمپبل سه مود اول ارتعاشی پره برای ماده کامپوزیتی شیشه نوع S 088
شکل 3-12: نمودار کمپبل سه مود اول ارتعاشی پره برای ماده کامپوزیتی تکنورا 089
شکل 3-13: نمودار کمپبل سه مود اول ارتعاشی پره برای ماده کامپوزیتی کولار 149 089
شکل 3-14: مود اول در جهت بالزدن091
شکل 3-15: مود اول در جهت لبهای091
شکل 3-16: مود دوم در جهت بالزدن092
شکل 3-17: مود سوم در جهت بالزدن092
شکل3-18: مود دوم در جهت لبهای092
شکل3-19: مقایسه فرکانسهای طبیعی تئوریهای اویلر- برنولی و تیموشنکو093
شکل 3-20: ترتیب لایهچینی مواد کامپوزیتی در نرمافزار آباکوس094
شکل 3-21: مقطع قوطی تیر کامپوزیتی095
شکل 3-22: مود اول در جهت لبهای096
شکل 3-23: مود اول در جهت بالزدن096
شکل 3-24: مود دوم در جهت لبهای096
شکل3-25: تغییرات اولین فرکانس طبیعی بر حسب سرعت دورانی 097
شکل3-26: تغییرات اولین فرکانس طبیعی نسبت به ضخامت پوسته پره توربین بادی 098
شکل3-27: تغییرات اولین فرکانس طبیعی نسبت به شعاع هاب روتور099
شکل 3-28: تعیین فشار دینامیکی بر روی پره توربین بادی در نرمافزار آباکوس0101
شکل 3-29: پاسخ گذرای پره توربین بادی در جهت خارج از صفحه 0102

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1: مشخصات عمومی توربین بادی032
جدول 1-2: شرایط کاری توربین بادی032
جدول 1-3: مشخصات روتور توربین بادی033
جدول 1-4: مشخصات برج توربین بادی033
جدول 3-1: مشخصات تیر آلومینیومی یکسر گیردار081
جدول 3-2: فرکانسهای طبیعی تیر ناچرخان آلومینیومی اویلر- برنولی081
جدول 3-3: فرکانسهای طبیعی تیر چرخان آلومینیومی اویلر- برنولی برای سرعت زاویهای 30 رادیان بر ثانیه082
جدول 3-4: فرکانسهای طبیعی تیر چرخان آلومینیومی تیموشنکو برای سرعت زاویهای 30 رادیان بر ثانیه082
جدول 3-5: مشخصات تیر085
جدول 3-6: مقایسه نتایج روش تئوری اجزاء محدود با نتایج تحقیقات قبلی085
جدول 3-7: مواد فلزی و کامپوزیتی مورد مطالعه086
جدول 3-8: فرکانسهای طبیعی پره توربین بادی ناچرخان اویلر- برنولی 086
جدول 3-9: فرکانسهای طبیعی پره توربین بادی چرخان اویلر- برنولی با سرعت زاویهای 5/18 دور بر دقیقه 087
جدول 3-10: خواص ماده کامپوزیتی کولار 149/ اپوکسی094
جدول 3-11: تفاوت نتایج ماده کامپوزیتی با رفتار ایزوتروپیک و لایهچینی کامپوزیتی094
جدول 3-12: مقادیر فیزیکی تیر با مقطع قوطی095
جدول 3-13: خواص ماده کامپوزیتی مورد مطالعه095
جدول 3-14: مقایسه نتایج روش نرمافزاری با نتایج تحقیقات قبلی095

سمبل‏ها، علائم و اندیس‏ها
سمبلهاتوضیحAمساحت سطح مقطعa(t)مقادیر گرهای المان تیرbعرض تیرc^’فاصله محور خنثی تا مرکز جرمC_Lضریب براC_Dضریب پساC_Pضریب قدرتEمدول یانگf(x)بار محوری توزیع شدهGمدول برشیhارتفاع تیرIممان دوم سطحi,j,kبردارهای یکه در دستگاه چرخانI,J,Kبردارهای یکه در دستگاه اینرسیKانرژی جنبشیK_sضریب اصلاح برشیl_eطول المان تیرMجرمM(x)ممان خمشیN(x)نیروی محوریN_ϕ, N_u, N_wبردار توابع شکلPمختصات یک نقطه عمومی از تیرp(x,t)نیروی محوری ناشی از نیروی گریز از مرکزQگشتاور اول سطح q(x)بار عرضی توزیع شدهqفشار دینامیکیR_Lنیروی براR_Dنیروی پساR_0شعاع هاب R_X,R_Y,R_Zمولفه تغییر مکان نسبت به دستگاه اینرسی در راستای X,Y,Zr_x,r_y,r_zمولفه تغییر مکان نسبت به دستگاه چرخان در راستای x,y,zUانرژی کرنشیu,v,wتغییر مکان نقطه P در وضعیت تغییر شکل یافته تیر نسبت به دستگاه چرخانu_0,v_0,w_0جابه جایی‌های میان صفحهVانرژی پتانسیل ناشی از بارهای اعمال شده به سیستمV(x)نیروی برشیvسرعت جریان باد مختل نشدهW_i^e, ϕ_i^e,U_i^eمقادیر گرهای αزاویه حملهγکرنش زاویهایδUتغییرات مجازی انرژی کرنشیδKتغییرات مجازی انرژی جنبشیδu_0,〖δv〗_0,〖δw〗_0تغییر مجازی جابه جایی‌های میان صفحهϵکرنش(نسبت استهلاکθدوران تیر حول محور yϑضریب پواسونρچگالیτتنش برشی عرضیϕ_xمقدار چرخش یک خط نرمال عرضی حول محور yφ_j^e , ψ_j^e,χ_i^eتوابع شکلωسرعت دورانی(( )) ̇مشتق نسبت به زمان〖( )〗^’مشتق نسبت به مکان
چکیده
توربینهای بادی مدرن امروزی به دلیل ساختار الاستیک، بلند و باریک به مقدار زیاد متمایل به ارتعاش هستند. بنابراین توربینهای بادی باید تمامی اجزایشان در مراحل طراحی مورد بررسی ارتعاشی و آنالیز مودال قرار گیرند و فرکانسهای طبیعی آنها با فرکانسهای تحریک توربین مورد بازبینی قرار گیرند. بررسی ارتعاشی توربین بادی در چند حوزه اصلی واقع میشود که بررسی ارتعاشات پره توربین بادی به عنوان اجزای اصلی توربین بخشی از این حوزههاست.
در این تحقیق به تحلیل فرکانسی پره توربین بادی با استفاده از نرمافزار اجزاء محدود آباکوس و بر اساس دو تئوری تیر تیموشنکو و تیر اویلر- برنولی پرداخته میشود. فرکانسهای طبیعی پره توربین بادی در دو حالت ناچرخان و چرخان برای مواد فلزی و کامپوزیتی مختلف محاسبه میشوند و با توجه به نمودار کمپبل نواحی حساس تعیین میگردند. جنس و رفتار مواد کامپوزیتی مورد مطالعه به صورت ایزوتروپیک و الاستیک خطی میباشد. همچنین در این تحقیق به بررسی تاثیر پارامترهای مختلف نظیر لایهچینی مواد کامپوزیتی، ضخامت پوسته پره، شعاع هاب و سرعت دورانی بر روی فرکانسهای طبیعی پرداخته میشود. در انتها پاسخ گذرای سیستم تحت یک ضربهی فشاری بررسی میگردد. برای تایید دقت و صحت نتایج حاصل از تحلیل ارتعاشی پره توربین بادی در نرم‏افزار آباکوس، نتایج حاصل از یک تیر یکسر گیردار دوار، با کدهای نوشته شده در نرم افزار متلب که برگرفته از روش اجزاء محدود است، مقایسه میگردد.
لغات کلیدی: پره توربین بادی دوار، روش اجزاء محدود، فرکانسهای طبیعی، دیاگرام کمپبل
فصل اول
مقدمه
پیشگفتار
با گسترش روز افزون جوامع انسانی و توسعه جوامع مختلف، نیاز به منابع انرژی در حال افزایش است. از سوی دیگر منابع فسیلی در جهان رو به اتمام هستند، این منابع از نظر اندازه و مقدار محدود بوده و در ضمن آلاینده محیط زیست نیز محسوب میشوند. از این رو در سالهای گذشته، گرایش به استفاده از منابع نوین و تجدیدپذیر انرژی رو به فزونی گذاشته است که یکی از ارزانترین و در دسترسترین آنها انرژی باد است. بررسی میزان استفاده از این انرژی در سالهای اخیر به خوبی گویای اهمیت و جایگاه آن در تامین انرژی در سطح جهان است.
در حال حاضر انرژی باد با رشد متوسط سالیانه بیش از 26 درصد از سال 1990 به بعد، بالاترین میزان رشد را در بین منابع مختلف انرژی داشته است. با این وجود هنوز هم از پتانسیل جهانی انرژی بادی به طور کامل استفاده نشده است. از نظر تاریخی بازار انرژی بادی عمدتاً تحت کنترل پنج کشور آلمان، اسپانیا، ایالات متحده آمریکا، هند و دانمارک بوده است.
اما طی سالهای اخیر بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه در صدد توسعه بهرهگیری از انرژی باد بودهاند و چندین کشور خارج از اروپا و ایالات متحده در حال حاضر گامهای اولیه برای توسعه بازارهای تجاری با مقیاس بزرگ انرژی بادی را برداشتهاند. اهداف سیاسی برای انرژی بادی در حال حاضر در 45 کشور دنیا و از جمله 10 کشور در حال توسعه وضع گردیده است. چین به تنهایی طی سالهای اخیر هدف خود را تولید 30 گیگاوات برق بادی تا سال 2020 قرار داده است و این در حالی است که پتانسیل بهرهگیری از انرژی باد در این کشور و سایر کشورها بسیار بالاتر از ارقام ذکر شده میباشد. نمودارهای زیر حاوی اطلاعاتی در زمینه روند توسعه توربین بادی در سالهای گذشته است (شکل 1-1 و شکل 1-2).
شکل1-1: ظرفیت کلی برق بادی جهان، 1996-2012]11[.

شکل1-2: ظرفیت سالیانه برق بادی در نواحی مختلف جهان از سال 2004 تا 2012 ]11[.
انواع توربینهای بادی پیشرفته
توربین‏های بادی پیشرفته از نظر محور گردش پره‏های روتور به دو دسته تقسیم‏بندی می‏شوند: توربین‏های بادی با محور عمودی1 و توربین‏های بادی با محور افقی2 (شکل1-3).

شکل1-3: انواع توربین‏های بادی پیشرفته: a) توربین بادی با محور عمودی b) توربین بادی با محور افقی]12[.
توربینهای بادی با محور عمودی
توربین‏های بادی با محور عمودی از دو بخش اصلی تشکیل شده‏اند: یک جزء اصلی که رو به باد قرار می‏گیرد و جزء‏های عمودی دیگری که عمود بر جهت باد کار گذاشته می‏شوند. این توربینها شامل قطعاتی با اشکال گوناگون بوده که باد را در خود جمع کرده و باعث چرخش محور اصلی می‏گردد. ساخت این توربین‏ها بسیار ساده بوده ولی بازده پایینی دارند. در این نوع توربین‏ها در یک طرف توربین، باد، بیشتر از طرف دیگر جذب می‏شود و باعث می‏گردد که سیستم لنگر پیدا کرده و بچرخد. یکی از مزایای این سیستم وابسته نبودن آن به جهت وزش باد می‏باشد.
توربین‏های بادی با محور افقی
توربین‏های بادی با محور افقی نسبت به مدل محور عمودی رایج‏تر بوده و همچنین از لحاظ تکنولوژی پیچیده‏تر و گران‏تر نیز می‏باشد. ساخت آن‏ها مشکل‏تر از نوع عمودی بوده ولی راندمان بسیار بالایی دارند. این نوع توربینها در سرعتهای پایین نیز توانایی تولید انرژی الکتریکی را داشته و توانایی تنظیم جهت در مسیر وزش باد را نیز دارند.
توربین‏های بادی محور افقی به دسته‏های تک پره‏ای، دو پره‏ا‏‏ی، سه پره‏ای و چند پره‏ای تقسیمبندی می‏شوند. همان طور که در شکل1-4 نمایش داده شده است. توربین‏های بادی محور افقی تک پره‏ای با اینکه هزینه ساخت و نیاز به مواد اولیه کمتری دارند؛ زیاد مورد استفاده قرار نمی‏گیرند. زیرا به منظور بالانس وزن توربین بادی تک پره‏ا‏ی، این پره‏ها نیاز به وزنه تعادل در طرف مخالف هاب3 دارند. همچنین این توربینها برای تولید قدرت خروجی یکسان در مقایسه با توربین‏های بادی سه پره‏ای به سرعت باد بیشتری نیاز دارند. توربین‏های بادی دو پره‏ا‏ی تقریباً مشکلات مشابه توربین‏های بادی تک پره‏ای را دارند و انرژی کمتری نسبت به توربین‏های بادی سه پره‏ای دریافت می‏کنند. توربین‏های بادی چند پره‏ای اغلب به صورت آسیاب‏های پمپاژ آب مورد استفاده قرار می‏گیرند و برای تولید برق زیاد استفاده نمی‏شوند. بنابراین اکثر توربین‏های بادی تجاری حال حاضر سه پره‏ای هستند.

شکل 1-4: تقسیم‏بندی توربین‏های بادی: a) تک پره‏ای b) دو پره‏ای c) سه پره‏ای d) چند پره‏ای]12[.
مطابق با شکل 1-5 روتور توربین بادی را میتوان پایین دست برج (پشت به باد)4 و یا بالا دست برج (رو به باد)5 نسبت به جریان باد تعبیه نمود. یکی از مزایای تعبیه روتور پشت به باد، جلوگیری از برخورد پرهها به خصوص پرههای قابل ارتجاع به پایه برج میباشد و همچنین میتوان طول شافت روتور را حتیالمقدور کوتاه انتخاب نمود. مزیت روتور رو به باد این است که پرهها میتوانند در جریان هوای آشفته کار کنند اما نیروهای باد، روتور را در جهت باد به گردش در آورند و در این نوع توربینها نیاز به سیستم انحراف برای نگه داشتن توربین در خلاف جهت باد است.

شکل 1-5: تقسیمبندی روتور توربینهای بادی: a) پایین دست برج(پشت به باد) b) بالا دست برج(رو به باد)]12[.
همچنین توربینهای بادی محور افقی از نظر تغییر سرعت به دو نوع توربینهای بادی با سرعت ثابت و توربینهای بادی با سرعت متغیر تقسیمبندی میشوند. توربینهای بادی با سرعت ثابت مزایایی از قبیل سادگی، قابلیت اطمینان بالا، هزینه ساخت و بهرهبرداری پایین دارند. عیب عمده آنها پایین بودن بازدهی به علت کارکرد با سرعت تقریباً ثابت در سرعتهای مختلف باد است. جهت رفع نقیصه فوق، توربینهای بادی با سرعت متغیر طراحی شدهاند که با تنظیم سرعت چرخش روتور در سرعتهای مختلف باد، بیشترین توان ممکن را از باد جذب میکنند. دو نوع پرکاربرد این توربینها، توربینهای بادی دارای مبدل با ظرفیت کامل وتوربینهای بادی دارای ژنراتور القایی دو تحریکه هستند.
نیروگاههای بادی
مکان تولید برق از نیروی باد توسط توربین‏های بادی را اصطلاحاً نیروگاه بادی می‏نامند. نیروگاه‏های بادی به دو دسته‏ی نیروگاه‏های بادی مستقر در دریا6 و نیروگاه‏های بادی مستقر در خشکی7 تقسیم‏بندی می‏شوند(شکل 1-6). توربین‏های بادی مستقر در خشکی اغلب در ارتفاعات، به منظور دستیابی به سرعت بیشتر نصب می‏شوند که این توربین‏ها به علت محدودیت‏هایی نظیر صدای توربین و محدود بودن زمین‏های در دسترس به اندازه‏ی توربین‏های بادی دریایی در حال پیشرفت نیستند.

شکل 1-6: تقسیمبندی نیروگاههای بادی: a) نیروگاه‏های مستقر در دریا (b نیروگاه‏های مستقر در خشکی]12[.
توربینهای بادی مستقر در دریا دارای انرژی تولیدی و ساعت‏های کاری بیشتری نسبت به توربین‏های بادی مستقر در خشکی میباشند که این امر به علت در دسترس بودن باد با سرعت بالاتر و یکنواخت‏تر در مناطق باز است. مزیت دیگر استفاده از توربین‏های بادی مستقر در دریا، آشفتگی بادی کمتر همراه با سرعت متوسط باد بیشتر و دریافت صدای صوتی کمتر از توربین است. از سوی دیگر توربین‏های بادی مستقر در خشکی مزیت‏های دیگری دارند که آن‏ها را به سازه‏های با نصب و ساخت آسان‏تر و دستیابی آسان‏تر برای نگه‏داری و به‏ کارگیری تبدیل کرده است.
قدرت توربین بادی محور افقی
قبل از بیان قدرت توربین بادی لازم است که به تعریف قدرت باد پرداخته شود. قدرت نامی موجود در باد را می‏توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد.

E=1/2 mv^2
P=E ̇=1/2 m ̇v^2=1/2(ρAv)v^2=1/2 ρAv^3 ‏11
که در این فرمول:
P قدرت باد (وات)
ρ وزن مخصوص هوا(چگالی یا دانسیته)
A سطح دایره‏ای شکل جارو شده توسط پره‏های روتور
v سرعت نسبی باد که حاصل از برایند دو سرعت واقعی در محیط و سرعت روتور می‏باشد.
قدرت توربین بادی
قدرت یک توربین بادی از طریق معادله زیر قابل محاسبه می‏باشد.
P=1/2 C_P ρAv^3 ‏12
C_P ضریب قدرت نامیده می‏شود و طبق تعریف درصدی از انرژی باد است که به انرژی مکانیکی تبدیل می‏شود.
اگر بتوان سرعت روتور را متناسب با سرعت باد کنترل نمود، همواره می‏توان از ضریب قدرت ماکزیمم برخوردار بود.
بر اساس تئوری بتز8، برای اخذ حداکثر انرژی ممکن، روتور توربین بادی باید بگونه‏ای تعبیه گردد که سرعت جریان در بالا دست روتور (مقابل روتور) 3 برابر پایین دست روتور (پشت روتور) باشد. بدین ترتیب مقدار ضریب قدرت ماکزیمم 593/0 می‏شود.
لازم به ذکر می‏باشد که 3/59% ضریب قدرت با در نظر گرفتن شرایط ایده‏آل بدست آمده و این مقدار در واقیعت پایین‏تر می‏باشد.
اجزای توربین بادی محور افقی
یک توربین بادی محور افقی از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است. در ادامه به معرفی مختصری از قسمت‏های مختلف یک توربین بادی محور افقی و وظایف هر کدام از آن‏ها پرداخته می‏شود(شکل1-7):
شکل 1-7: قسمت‏های مختلف یک توربین بادی]12.[

بادسنج9: این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به کنترل‏کننده‏ها انتقال می‏دهد.
پره‏ها10: یکی از مهمترین بخش‏های توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شافت اصلی توربین بادی است. پره به گونه‏ای ساخته می‏شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد.
ترمز11: از این وسیله برای توقف روتور در مواقع اضطراری استفاده می‏شود. عمل ترمز کردن می‏تواند به صورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی انجام گیرد.
کنترل‏کننده12: وقتی که سرعت باد به سرعت مشخصی می‏رسد کنترل‏کننده‏ها ماشین را راه اندازی می‏کنند و وقتی سرعت باد از مقدار مجاز بیشتر می‏شود دستور خاموش شدن ماشین را می‏دهند. این عمل از آن جهت صورت می‏گیردکه توربین‏ها قادر نیستند زمانی که سرعت باد به بیش از مقدار مجاز می‏رسد حرکت کنند؛ زیرا ژنراتور به سرعت به دمای عملکردی بسیار بالایی خواهد رسید.
گیربکس13: چرخ‏دنده‏ها از یک طرف به شافت سرعت پایین متصل هستند و از طرف دیگر به شافت با سرعت بالا متصل می‏باشند و افزایش سرعت چرخش را ایجاد می‏کنند. این افزایش سرعت برای تولید برق توسط ژنراتور الزامی است. هزینه ساخت گیربکس‏ها بالاست و در ضمن گیربکس‏ها بسیار سنگین هستند. مهندسان در حال انجام تحقیقات گسترده‏ای می‏باشند تا درایوهای مستقیمی کشف نمایند و ژنراتور را با سرعت کمتری به چرخش در آورند تا نیازی به گیربکس نداشته باشند.
ژنراتور14: وظیفه ژنراتور تولید برق متناوب می‏باشد. پره‏های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی در سیستم انتقال قدرت تبدیل می‏کنند و ژنراتور در قدم بعدی، انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می‏نماید. به طور معمول از سه نوع ژنراتور در توربین‏های بادی استفاده می‏شود. ژنراتور جریان مستقیم، آلترناتور یا ژنراتور سنکرون و ژنراتور القایی یا آسنکرون.
شافت با سرعت بالا15: وظیفه این شافت به حرکت در آوردن ژنراتور می‏باشد.
شافت با سرعت پایین16: روتور حول این محور میچرخد.
روتور17: پره‏ها و هاب به روتور متصل هستند.
برج18: برج‏ها از ورقهای فولادی که به شکل لوله در آمده‏اند ساخته می‏شوند. توربین‏هایی که بر روی برج‏هایی با ارتفاع بیشتر نصب شده‏اند انرژی بیشتری دریافت می‏کنند.
جهت باد19: توربین‏هایی که از این فن‏آوری استفاده می‏کنند در خلاف جهت باد نیز کار می‏کنند در حالی که توربین‏های معمولی فقط باید در جهت وزش باد باشند.
بادنما20: وسیله‏ای است که جهت وزش باد را نشان می‏دهد و کمک می‏کند تا جهت توربین نسبت به باد در وضیعت مناسبی قرار داشته باشد.
درایو انحراف21: وسیله‏ای است که وضیعت توربین را هنگامی که باد در خلاف جهت می‏وزد کنترل می‏کند و زمانی استفاده می‏شود که قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گیرد اما زمانی که باد در جهت توربین می‏وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمی‏باشد.
موتور انحراف22: برای به حرکت در آوردن درایو انحراف مورد استفاده قرار می‏گیرد.
ناسل23: شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می‏باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. بعضی از ناسل‏ها آن قدر برزگ هستند که متخصصان می‏توانند داخل آن بایستند.
پره توربین بادی محور افقی
همان طور که در بخش قبل نیز بیان شد، پره توربین بادی یکی از مهمترین بخشهای توربین بادی بوده و وظیفهی آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شافت اصلی توربین بادی است. پره به گونهای ساخته میشود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد. پرههای توربین بادی، انرژی باد را به واسطهی کم کردن سرعت باد از آن میگیرند و میچرخند. شکل 1-8 نمونهای از ساختار پره توربین بادی مدرن را نشان میدهد.
شکل 1-8: نمونهای از ساختار پره توربین بادی مدرن]13[.
ایرفویل پره‏ توربین بادی
سطح مقطع توربین بادی یک ایرفویل است که به منظور تولید نیروهای مکانیکی ناشی از حرکت سیال در اطراف ایرفویل استفاده می‏شود. طول و عرض پره‏ی توربین به کارایی بهینه آیرودینامیکی و قدرت مناسب روتور بستگی دارد.
ویژگی‏های اصلی یک ایرفویل در شکل1-9 نمایش داده شده است. انواع مختلفی از ایرفویلها در طول پره به منظور دستیابی به انرژی باد استفاده می‎‏شوند. مدلهای زیادی از ایرفویل‏های موجود در طراحی پره‏ها وجود دارند که به وسیله‏ی اعداد تقسیمبندی می‏شوند. این اعداد توسط ناسا24 مشخص می‏شود. در شکل 1-10 سه کلاس ایرفویل نشان داده شده است.

شکل1-9: پارامترهای اصلی یک ایرفویل]12[.

برای مثال یک ایرفویل با 4 شماره مشخص شده است. شماره‏ی اول ماکزیمم انحنای ایرفویل در خط وتر، شماره‏ی دوم مکان نقطه انحراف ماکزیمم از لبه‏ی جلوی و سومی و چهارمی ماکزیمم ضخامت را نشان می‏دهد.

شکل1-10: نمونه‏های از ایرفویل]12[.
نیروهای روی ایرفویل
زمانی که یک ایرفویل در جریان باد قرار می‏گیرد، باد از سطح‏های بالایی و پایینی پره که شکل منحنی دارد گذر می‏کند. این شکل پره، باد را مجبور می‏سازد که مسافت بیشتری را بر واحد زمان در قسمت بالایی نسبت به قسمت پایینی طی کند، به عبارت دیگر اجزای هوا در قسمت بالای ایرفویل با سرعت بیشتری حرکت می‏کند.
طبق تئوری برنولی تغییر سرعت در بالا و پایین پره، تغییرات فشار در بالا و پایین ایرفویل رابه دنبال دارد. بنابراین تغییرات فشار در ایرفویل یک نیروی R (شکل1-11) ایجاد می‏کند که به دو نیروی برا25 و پسا26 تقسیم می‏شوند.
شکل1-11: نیروهای برا و پسا]12[.

نیروی برا: به عنوان یک نیرو در جهت عمود بر جریان مشخص می‏شود. نیروی برا نتیجه‏ی عدم بالانس فشار در سطوح بالا و پایین ایرفویل است و برابر است با:
R_L=1/2 C_L ρAV^2=Lift force coefficient ×Dynamic force ‏13

نیروی پسا: به عنوان یک نیرو در جهت موازی با جریان مشخص می‏شود. نیروی پسا ناشی از نیروهای اصطکاک ویسکوزی در سطح ایرفویل و عدم بالانس فشار در سطوح ایرفویل می‏باشد و برابر است با:
R_D=1/2 C_D ρAV^2=Drag force coefficient ×Dynamic force ‏14

به صورتی که ρ چگالی هوا، V سرعت جریان هوای مختل نشده، A مساحت تصویر ایرفویل (وتر × طول ایرفویل) و C_L و C_D ضرایب برا و پسا هستند که در آزمایش‏های تونل باد بدست می‏آیند. نیروی برا و پسا روی یک ایرفویل تحت تاثیر زاویه‏ی حمله α هستند که این زاویه، زاویه‏ی بین جهت باد مختل نشده و وتر ایرفویل است. در طراحی پره توربین بادی برای بدست آوردن حداکثر راندمان باید زاویه حمله طوری انتخاب گردد که در آن نسبت ضریب برا به پسا بالاتر باشد. چون در توربینهای بادی محور افقی بر خلاف توربینهای بادی محور عمودی، عامل اصلی ایجاد گشتاور لازم برای چرخش پره توربین، نیروی برا میباشد.
ساختار سازه پره توربین بادی
همان طور که در مورد نیروهای اعمالی بر پره توربین بادی صحبت شد، نیروی برا باعث دوران پره توربین میشود و توربین را به حرکت در میآورد. این نیرو در سراسر پره متناسب با شعاع آن توزیع شده است و در نوک پره نسبت به نزدیکی هاب مقدار بیشتری دارد. همچنین نیروی برا عامل خم شدن پره نیز میباشد که به این اثر ناشی از نیروی برا، ممان خمشی میگویند که مقدار این ممان در ریشه پره حداکثر بوده و در نوک تیر به سمت صفر میل میکند(شکل 1-12).

شکل 1-12: نمودار ممان خمشی ناشی از نیروی برا برحسب شعاع پره توربین]1.[
با توجه به نمودار فوق این امر کاملاً مشهود است که پره در محل ریشه آن باید ضخیمتر باشد. این ضخامت به صورت مخروطی تا نوک پره (در محلی که ممان حداقل مقدار خود را دارا میباشد.) ادامه دارد و نوک آن نازکترین قسمت پره است.
سازه داخلی پره توربین بادی
در صورتی که پره یک توربین بادی به جای این که تو خالی باشد به صورت صلب در نظر گرفته شود، ضخامت مورد نیاز در هر قسمت پره به راحتی با بررسی ممان خمشی در هر نقطه مشخص میشود. در این صورت اگر پره در اثر وزش باد خم شود، وجهی از پره که در جهت باد قرار دارد فشرده و وجه دیگر کشیده میشود و در بین این دو حالت ماده نه فشرده و نه کشیده میگردد. اما پره صلب به علت وزن زیاد و هزینههای بالا مناسب نبوده، به این علت قسمتهای داخلی پره را خارج کرده و آن را تو خالی میسازند.
در موارد کلی، ممکن است پره با دو پوسته ساخته شود که یک طرف در جهت باد و دیگری در خلاف جهت باد قرار گیرد. اما این شکل به دو علت یکی مقاومت برشی و دیگری نیروهای آیرودینامیکی مناسب نیست. در مورد نیروهای آیرودینامیکی این کاملاً مشخص است که باید شکل پره به صورت صفحهای پیوسته بوده تا حالت آیرودینامیکی خود را نشان دهد. مقاومت برشی در این حالت کمتر مشهود است و پوستههای مورد نظر در اثر نیروهای برشی بر هم میلغزند و مانند دو صفحه مجزا عمل میکنند، بنابراین برای این که به درستی عمل کنند باید به صورت سازهای بهم متصل شوند که این اتصال، شبکه برشی27 نامیده میشود. در واقع این اتصال مانند تیر I شکلی میباشد که بین دو پوسته فوق الذکر قرار میگیرد. سازه مقاومتی درون پره دارای دو صفحه بالایی و یک جان تیر میباشد که در این صورت مانند شکل 1-13 به صورت یک تیر I شکل قابل توصیف خواهد بود. جان این تیر همان طور که ذکر شد شبکه برشی و بال تیر را اسپار کپ28 مینامند.

شکل 1-13: سطح مقطع و اتصال سازهای درون پره توربین بادی]1.[
نکته مهم در مورد این پرهها اینجاست که اسپار کپها در واقع وظیفه تحمل ممان خمشی را به عهده دارند و باید تا اندازه ممکن از هم دور باشند تا مقدار این ممان را کاهش دهند ولی از طرفی باید توسط شبکه برشی به یکدیگر متصل شوند. همچنین پوسته پره توربین بادی باید شکل آیرودینامیکی داشته باشد که تا حدی بتواند ممان خمشی را تحمل کند اما در واقع این اسپار کپها هستند که وظیفه اصلی تحمل تنش خمشی را به عهده دارند.
دو راه رایج برای اتصال شبکه برشی وجود دارد، روش اول این است که اسپار کپها به عنوان قسمتی از شبکه برشی باشند و این شبکه برشی به صورت مجزا به آنها متصل شود و در روش دوم اسپار کپها و شبکه برشی به صورت صلب بهم متصل ساخته شده باشند و به عنوان جعبه اسپار نامیده میشود و بین صفحههای پره قرار میگیرد. شکل 1-14 نمای داخلی یک پره توربین بادی را نشان میدهد.

شکل 1-14: نمای داخلی یک پره توربین بادی]1.[
مواد پره‏ توربین بادی
امروزه اکثر پرههای توربین بادی را از کامپوزیت میسازند (شکل 1-15). زیرا افزون بر مسئله خستگی، مسائلی همچون شکلدهی، سرویس و مقاومت آن در برابر پدیده خوردگی، هزینه پایین فرآیند تولید، سادگی مراحل تولید پرهها و کاهش هزینههای بعدی ناشی از نگهداری از جمله مواردی است که باعث شده کامپوزیتها از جایگاه ویژهای در این صنعت برخوردار باشند.

شکل 1-15: جزئیات یک برش از پره توربین بادی کامپوزیتی]14[.
یکی دیگر از مزایای منحصر بفرد استفاده از این فناوری در طراحی و ساخت پرهها، کاهش وزن سازه به میزان قابل توجهی است که خود باعث کاهش بارهای گریز از مرکز و بارهای خستگی میشود. این کاهش از آنجا ناشی میشود که طبیعت این مواد به گونهای است که میتوان آنها را در جهات مورد نظر تقویت کرد و از افزایش وزن سازه جلوگیری کرد.
همانگونه که بیان شد، سازه پره کامپوزیتی وزن بسیار کمتری نسبت به نمونه همتای فلزی خود دارد (29 درصد وزن سازه فلزی) و این در حالی است که سازه در برابر بارهای خمشی و پیچشی نسبت به نمونه فلزی، سفتی و مقاومت بیشتری داشته و همچنین جابجایی نوک آن نیز کمتر است. بسامد طبیعی ارتعاشات آزاد پره کامپوزیتی کمتر از پره فلزی است، یعنی برای رساندن پره کامپوزیتی به حالت ارتعاشات رزونانس، به انرژی بیشتری نسبت به نمونه فلزی نیاز است. امروزه با گسترش کاربرد این مواد در توربینهای بادی علاوه بر پره آن در برج، ناسل و هاب روتور نیز استفاده از کامپوزیتها افزایش یافته است، بگونهای که در بسیاری از توربینهای بادی به ویژه توربینهای کلاس متوسط و بزرگ از برجهای استوانهای مخروطی با پوشش مواد کامپوزیت، هاب روتور کامپوزیتی و ناسل تمام کامپوزیتی استفاده شده و میشود.
نیروهای وارد بر توربین بادی محور افقی
دلیل اصلی اکثر نیروهای موجود در توربین بادی سرعت باد است که میتواند توسط عواملی نظیر شرایط جغرافیایی و آب و هوا تعیین شود. بنابراین نیروی باد نقش مهمی در فرایند طراحی توربین بادی دارد. نیروهای آیرودینامیکی، گرانشی، اینرسی و کنشهای ایجاد شده توسط این نیروها مهم‏ترین عوامل نیرویی در توربین بادی هستند (شکل 1-16).
شکل 1-16: نیروهای وارد بر توربین بادی]12[.
نیروهای آیرودینامیکی29
نیروهای آیرودینامیکی به دلیل عبور جریان هوا از پره‏ها و برج توربین بادی ایجاد می‏شوند. همان طور که قبلاً بیان شد نیروهای آیرودینامیکی روی پره توربین به دو نیروی برا و پسا تقسیم میشوند و نیروهای آیرودینامیکی روی برج توربین که عمدتاً ناشی از نیروی پسا است به صورت زیر بیان میشود:
F_D=0.5ρC_D AV^2 ‏15
به طوریکه C_D ضریب پسا آیرودینامیکی و A مساحت تصویر شده عمود بر جریان است. بعلاوه، نیروهای پسا در سرعتهای باد بالاتر، هنگامی که توربین بادی ثابت است از توجه زیادی برخوردار است و نیروهای برا بیشتر زمانی قابل توجه هستند که توربین در حال کار باشد.
نیروهای گرانشی30
نیروهای گرانشی یک منبع مهم نیرویی هستند که باعث ایجاد تنش‏های خستگی بر روی روتور و برج میشوند. این نیروها در توربینهای بادی با مقیاس بزرگ که نسبت وزن به استحکام مهمترین مسئله است، از اهمیت زیادی برخوردارند. نیروی گرانشی به صورت زیر بیان میشود:
F_(g_rotor )=∑_(i=1)^n▒〖m_i g〗 ‏16

که در معادلهی بالا m_i جرم المان پره i ام و g=9.82 m/s^2 و نیروی گرانشی روی برج برابراست با:

این نوشته در پایان نامه ارشد ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید