شبیه سازی انرژی باد از منظر چرخش گردابه

شبیه سازی انرژی باد از منظر چرخش گردابه

بیان مساله

گستردگی نیاز انسان به منابع انرژی همواره از مسائل اساسی و مهم در زندگی بشر محسوب می شود و تلاش برای دستیابی به یک منبع پایان‌پذیر انرژی از آرزوهای دیرینه انسان بوده است. در بین انواع مختلف انرژي هاي تجدیدپذیر، بیشترین توسعه در جهان در بخش نیروگاه هاي بادي رخ داده است به این ترتیب گسترش تکنولوژي در زمینه انرژي باد به عنوان یک چالش مهم در بحث انرژي هاي تجدیدپذیر درآمده است. (محسن اندیشگر، ۱۳۹۱)

امروزه انرژي باد براي توليد برق در جهان نسبت به ديگر منابع توليد انرژي الكتريكي از شتاب و رشد بي سابقه اي در سال هاي اخير برخوردار بوده است و از آنجایی که مطالعه و بررسی بهره برداری از انرژی باد تازه آغاز شده است و در موارد بسیاری محدودیت های عمده فنی، اقتصادی، زیست محیطی و سازمانی منجر به محدود شدن بهره برداری در آینده می شوند استفاده از تمام طرح های جدید سیستم های تبدیل انرژی باد می بایستی حداقل نیازهای مربوط به ایمنی، در دسترس بودن، عمر مفید، کارایی و صدا را برآورده نمایند. (محمود عباسی، ۱۳۸۸)

امروزه یکی از راه هاي تولید انرژي الکتریسیته استفاده از توربین هاي بادي براي تبدیل انرژي جنبشی باد به برق است اما با وجود رشد استفاده از نیروگاه هاي بادي بزرگ هنوز سهم استفاده از این نوع تولید در مقابل نیروگاه هاي سوخت فسیلی، هسته اي و آبی کم بوده و رشد قابل توجهی براي این نوع نیروگاه ها قابل تصور است( Thiringer,2002). این در حالی است که توربين هاي بادي روز به روز  بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرند و افزايش انرژي توليد شده توسط اين توربين ها حتي به مقدار كم نيز مورد توجه قرار گرفته است بهبود عملكردهاي آيروديناميكي اين توربين ها در جريان بادي كه در آن قرار گرفته اند نيازمند شناخت پارامترهاي جريان باد و تاثير وجود توربين ها در مسير اين جريان است. امروزه توربین ها در مقیاس های وسیع در مزارع باد نصب می شوند که نتیجه آن تاثیر پذیری توربین ها از یکدیگر است و استفاده از شبیه سازی خطی به روش دینامیک محاسباتی سیالات (CFD) به منظور پيش بيني عملكرد توربين هاي بادي و تعيين نقاط ضعف و قوت طراحي انجام شده، در دو دهه اخير گسترش بسياري در سطح جهان يافته است. به دليل پيچيدگي جريان در اطراف ماشين هاي دوار مانند توربين هاي بادي، شبيه سازي جريان حول آنها دشوار مي باشد. (پیام صبایی فرد، ۱۳۹۱)

شبیه سازی توربين ها در جريان باد در مقياس هاي بزرگ امروزه يكي از بحث هاي مورد توجه است برخي از مدل هاي آشفتگي به دليل آيروديناميك پيچيده توربين بادي، سرعت چرخش گردابه و اعداد رينولدز بالاي شرايط كاركرد، وقوع پديده جدايش جريان در زوايايي معين از چرخش پره هاي گردابه توربين توانايي شبيه سازي دقيق جريان حول توربين هاي بادي را نداشته و از دقت كافي برخوردار نمي باشد.(محمد جوادی، ۱۳۹۱)

ﻣﻌﻤﻮﻻ در ﺷﺒﯿﻪ ﺳﺎزی ﻗﺼﺪ ﺗﻘﻠﯿﺪ دارﯾﻢ و رﺳﯿﺪن ﺑﻪ ﺷﺒﯿﻪ ﺳﺎزی که ﻋﯿﻨﺎ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺷﯽء اﺻﻠﯽ ﻋﻤﻞ                 ﻣﯽ ﮐﻨﺪ ﻋﻠﯿﺮﻏﻢ دﺷﻮاری ﺳﺎﺧﺖ ﻣﻄﻠﻮب ﻧﯿﺰ ﻧﻤﯽ ﺑﺎﺷﺪ. در ﺷﺒﯿﻪ ﺳﺎز ﻣﯽﺗﻮان ﺑﺎ ﺗﻐﯿﯿﺮ در ﺳﺎﺧﺘﺎر ها اﺛﺮات آن را روی ﺧﺮوﺟﯽ ﻣﺸﺎﻫﺪه ﮐﺮد. ﻫﻤﭽﻨﯿﻦ اﺛﺮات ﺗﻐﯿﯿﺮ در ورودی و ﺳﺎﺧﺘﺎر را روی ﺷﺎﺧﺺ ﻫﺎی ﻋﻤﻠﮑﺮد مشاهده کرد به این ترتیب ﻣﺸﺎﻫﺪه اﺛـﺮ ﺗﻐﯿﯿـﺮات روی ﺧﺮوﺟـﯽ و ﺷـﺎﺧﺺ ﻫـﺎی ﻣﻄﻠﻮب ﺳﯿﺴﺘﻢ، ﺑﺎﻋﺚ اﻓﺰاﯾﺶ ﺷﻨﺎﺧﺖ از ﺳﯿﺴﺘﻢ ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ. اﻋﻤﺎل اﯾﻦ ﺗﻐﯿﯿﺮات روی ﺳﯿﺴﺘﻢ ﻫﺎی واﻗﻌﯽ ﻣﻤﮑﻦ اﺳﺖ ﺑﺴﯿﺎر ﭘﺮ ﻫﺰﯾﻨﻪ و ﺣﺘﯽ ﻏﯿﺮﻣﻤﮑﻦ ﺑﺎﺷﺪ. (مریم رمضانی، ۱۳۸۸)

به این ترتیب از آنجایی که تحليل مسايل مهندسي در ابعاد بزرگ و پيچيده بسيار فراتر از توانايي انسان است. بسياري از مسايل مهندسي در عمل در گروهي قرار مي گيرند كه نمي توان براي آنها راه حل تحليلي به دست آورد يك چنين مشكلي باعث گرديد كه كامپيوتر و تكنيك هاي عددي به عنوان يك ابزار قوي محاسباتي راه خود را در بررسي مسايل مهندسي باز كنند در واقع پيشرفت بسيار سريع در سرعت كامپيوترها كه منجر به افزايش سرعت محاسبات شده است باعث گرديده كه آناليز خطی نقش مهمي در شبيه سازي مدل هاي عناصر قدرت در حالت گذرا پيدا نمايند در حقيقت به كارگيري و اعمال مؤثر تكنيك هاي خطی در برنامه هاي كامپيوتري ما را قادر خواهد ساخت مسائلي را كه قبلأ حل آنها امكان پذير نبوده را بتوان با دقت بسيار بالايي حل نمود. در واقع آناليز هر مساله در مهندسي برق در حالت گذرا و به خصوص در گرايش قدرت در ابعاد بزرگ با شبیه سازی عناصر قدرت شروع مي گردد. مدل هر عنصر الكتريكي در حوزه زمان معمولأ شامل يك دسته معادله ديفرانسيل است كه در آن متغيير مستقل زمان و متغيير وابسته يك پارامتر فيزيكي مانند ولتاژ، جريان، توان و يا انرژي است.

در شبیه سازی تغییرات سرعت باد به عنوان ورودی سیستم‌های تبدیل انرژی باد‌ یک تقریب براي شبیه سازي سرعت باد، اندازه گیري است.  مزیت این روش آن است که انرژی واقعی باد براي شبیه سازي استفاده می شود و عیب آن استفاده از سرعت باد اندازه گیري شده قبلی در شبیه سازي است . یک تقریب انعطاف پذیر استفاده از مدلی براي انرژی باد است که بتواند سرعت باد را با توجه به ویژگی هاي که توسط کاربر اعمال می شود ایجاد کند. در بسیاري از مقالات سرعت باد معمولا به وسیله چهار مقدار زیر شبیه سازي می شود.

مدل مورد استفاده در این پژوهش از چهار مولفه تشکیل شده است که به صورت زیر قابل توصیف است:

V_EVERGY=V_WIND+V_GUST+V_NOISE+V_RAMP

که V_EVERGY مولفه اصلی، V_WIND سرعت باد، V_GUST مؤلفه تندباد یا باد ناگهانی، V_NOISE مؤلفه نویزدار و V_RAMP مؤلفه شیب دار خواهد بود.

در سال های اخیر در ارتباط با شبیه سازی چرخش گردابه در پشت توربین بادی به مدل LES توجه زيادي شده است زيرا اين مدل توانايي كار كردن در شرايط ناپايا و جريان هاي آشفته غير همسانگرد كه تحت تأثير ساختارهاي با مقياس بزرگ هستند را دارد. اين مزيت بسيار مهمي نسبت به روش RANS می باشد اما اشكال اين روش، هزينه محاسباتي بالاتر نسبت به روش RANS مي باشد. در مدل LES چرخش گردابه هاي بزرگ جريان محاسبه مي شوند.

در این پژوهش فرض بر این است که مدل LES با توجه به شبیه سازی دقيق تر فرآيند رهايي چرخش گردابه از پشت پره، به خوبي مي توانند ماهيت نوساني تغييرات جريان با زمان را نشان دهند به این ترتیب سرعت هاي بالاي باد چرخش گردابه هاي پشت پره و فركانس رهايي آنها را شديداً افزايش می دهد.

مدل وینر نیز که مبتنی بر شبکه عصبی است می تواند برای شبیه سازی غیر خطی انرژی باد از منظر چرخش گردابه استفاده شود. به این ترتیب قسمت خطی مدل مورد نظر از یک مدل فضای حالت با قابلیت ویژه در پوشش دینامیک های سیستم تشکیل شده است و در حالی که قسمت ساختار در ابتدا با پارامتري کردن مدل و سپس بهینه سازي خطاي پیش بینی مدل شناسایی می شود. داده هاي مورد نظر براي شناسایی با اعمال یک تست مناسب غیرخطی جمع آوري خواهند شد.

انرژی‌های فسیلی مانند نفت گاز و زغال سنگ سرانجام روزی به پایان خواهند رسید این امر سبب شده است که کشورهای توسعه یافته و صنعتی با جدیت هر چه تمام‌تر استفاده از سایر انرژی‌های موجود در طبیعت و به خصوص انرژی‌های نو را مورد توجه قرار دهند. افزایش آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از سوزاندن منابع فسیلی بحث گرمایش جهانی و اثر پدیده گلخانه‌ای و ریزش باران‌های اسیدی همگی لزوم صرفه‌جویی در مصرف سوخت‌های فسیلی و توجه مضاعف به استفاده از منابع انرژی‌های تجدیدپذیر را ایجاب می‌نمایند. استفاده از انرژی خورشید، باد، امواج، زمین گرمایی، هیدروژن و غیره که به انرژی‌های نو موسومند مستلزم مطالعات و تحقیقات فراوان، قبل از استفاده می‌باشند. ( Mihet-Popa, 2003)امروزه انرژي هاي نو بالاخص نیروگاه هاي بادي بر اساس تجربه کارآمد بودنشان به عنوان زمینه جدید مطرح می شوند و هر روزه خصوصاً در کشورهاي اروپایی در حال گسترش هستند از این رو مطالعه و بررسی اثرات دینامیکی آنها روي سیستم قدرت براي انتقال توان الکتریکی اجتناب ناپذیر می نماید.( Karrari ,2003)

مزایای بهره برداری از انرژی باد

انرژی باد نسبت به سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از ویژگی ها و مزایای بالاتری برخوردار است که اهم آنها عبارتند:

• عدم نیاز توربین های بادی به سوخت های فسیلی که در نتیجه از میزان مصرف آنها می کاهد.
• رایگان بودن انرژی باد.
• توانایی تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق.
• کمتر بودن هزینه های جاری و سرمایه گذاری انرژ باد در بلندمدت.
• تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار آن.
• قدرت مانور زیاد جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه(از چند وات تا چندین مگاوات).
• عدم نیاز به آب.
• عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب توربین های بادی.
• نداشتن آلودگی های زیست محیطی نسبت به سوخت های فسیلی. (ثقفی، ۱۳۸۰)

احتمالا نخستین ماشین بادی به توسط ایرانیان باستان ساخته شده است و یونانیان برای خرد کردن دانه‌ها و مصری ها، رومی‌ها و چینی‌ها برای قایقرانی و آبیاری از انرژی باد استفاده کرده‌اند. بعدها استفاده ار توربین های بادی با محور قائم سراسر کشورهای اسلامی معمول شده و سپس دستگاه های بادی با محور قائم با میله‌های چوبی توسعه یافت و امروزه نیز ممکن است در برخی از کشورهای خاورمیانه چنین دستگاه هایی یافت شوند.
در قرن ۱۳ این نوع توربین ها به توسط سربازان صلیبی به اروپا برده شد و هلندی ها فعالیت زیادی در توسعه دستگاه های بادی مبذول داشتند، به طوری که در اواسط قرن نوزدهم در حدود ۹ هزار ماشین بادی به منظورهای گوناگون مورد استفاده قرار می‌گرفته است. در زمان انقلاب صنعتی در اروپا استقاده از ماشین های بادی رو به کاهش گذاشت. استفاده از انرژی باد در ایالات متحده از سال ۱۸۵۴ شروع شد از این ماشین ها بیشتر برای بالا کشیدن آب از چاه های آب و بعدها برای تولید الکتریسیته استفاده شد. (جمیل، ۱۳۸۳)

یزدان نجفی صارم در سال ۱۳۸۸ در پژوهشی به مدلسازي نيروگاه بادي با استفاده از مدل غيرخطي وينر  پرداخت. در اين مقاله يك سيستم نيروگاه بادي مدلسازي گرديده است. براي مدل سازي ژنراتور از روش جديدي با استفاده از مدل غيرخطي وينر مبتني بر شبكه عصبي استفاده شده است.(نجفی، ۱۳۸۸)

فربد خلفی در سال ۱۳۹۱ در پژوهشی به تحليل و شبيه سازي عددي گردابه هاي بزرگ LES در توان خروجي توربين بادي محور افقي ۶۶۰ كيلوواتي پرداخت. در اين مقاله مطالعه شبيه سازي عددي بر روي توربين بادي ۶۶۰ كيلواتي انجام شده است و اثرات اغتشاشات شديد جريان چرخشي باد اطراف پره‌ها و همچنين اثر جريان خارجي اتمسفر روي عملكرد توربين، با انتخاب مدل هاي مناسب براي مدل سازي جريان خارجي آشفته و گردابي (wake)اطراف صورت گرفته است. در اين پژوهش از بين مدل هاي آشفتگي دومعادله اي ،مدلهاي RNGk-ε، Realizable k-ε، Standard k-ω، و مدلهاي آشفتگي مبتني بر شبيه سازي گردابه هاي بزرگ) Large Eddy Simulation LES (براي مطالعه توربينهاي بادي در حالت جريان ناپايدار مورد استفاده قرار گرفته است، و با استفاده از از داده هاي ثبت شده از يك توربين بادي ۶۶۰ كيلوواتي (نصب شده در بينالود خراسان) به تحليل مدل توربولانس LES (شبيه سازي گردابه هاي بزرگ) در برآورد ضريب توان و محاسبه گشتاور توليدي پرداخته شده است و نتايج به دست آمده با نتايج ساير مدل هاي آشفتگي مقايسه شده است.(خلفی، ۱۳۹۱)

مریم رمضانی در سال ۱۳۸۸ در پژوهشی به بررسی كاربرد شبيه سازي مونت كارلو در ارزيابي قابليت تبادل شبكه هاي انتقال در حضور نيروگاه هاي بادي پرداخت. در اين پژوهش روشي براي ارزيابي قابليت تبادل كلي شبكه هاي انتقال در حضور نيروگاه هاي بادي ارائه شده است. در روش پيشنهادي براي مدل سازي ماهيت متغير و احتمالاتي توان توليدي نيروگاه هاي بادي از شبيه سازي مونت كارلو استفاده و مقدار قابليت تبادل كلي شبكه در هر تكرار شبيه سازي با استفاده از برنامه ريزي رياضي مبتني بر پخش بار بهينه محاسبه مي شود. به منظور انتخاب مقدار نهايي قابليت تبادل كلي، استفاده از تحليل ريسك به عنوان ابزار تصميم گيري و سنجش پيشنهاد شده است. براي اجرا و نيز تحليل حساسيت روش پيشنهادي از سيستم ۲۴ باسۀIEEE–RTSو اطلاعات واقعي باد در يكي از مناطق شمال ايران استفاده شده است.(رمضانی، ۱۳۸۸)

برای دریافت مشاوره در این زمینه و زمینه ای مشابه با ما در تماس باشید: admin@matlab360.ir