وبلاگ

‏ای بر ارتعاشات توربین بادی محور افقی.. 22
1-8-1      نیروهای تحریک و درجات آزادی ارتعاشی.. 23
1-8-2      ارتعاشات پره­های باریک توربین بادی.. 25
1-9   کارت دینامیکی پره توربین بادی (نمودار کمپبل) 27
1-10 تاریخچه‏ی کارهای انجام شده در زمینه‏ی آنالیز دینامیکی پره‏ی توربین بادی.. 28
1-11 کار حاضر و اهداف پروژه. 31
1-11-1    مشخصات توربین بادی مورد مطالعه. 32
1-12 محتوای فصل­های بعدی.. 33………34
2-1   فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبه­ای تیر چرخان.. 35
2-1-1      تغییر مکان نقاط تیر. 36
2-2   تئوری تیر تیموشنکو. 37
2-2-1      ضریب اصلاح برشی.. 40
2-3   محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی.. 42
2-4   اصل همیلتون.. 44
2-4-1      تغییرات مجازی انرژی جنبشی.. 44
2-4-2      تغییرات مجازی انرژی کرنشی.. 45
2-4-3      تغییرات مجازی انرژی پتانسیل ناشی از بارهای اعمال شده به سیستم.. 45
2-4-4      معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم برای حالت لبه­ای.. 47
2-5   گسسته سازی معادلات حرکت… 48
2-5-1      محاسبه توابع شکل.. 48
2-6   فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبه­ای بر اساس تئوری تیر اویلر-  برنولی.. 61
2-7   فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بال­زدن تیر چرخان.. 63
2-7-1      تغییر مکان نقاط تیر. 63
2-7-2      محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی.. 65
2-7-3      معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم در حالت بال­زدن. 67
2-7-4      گسسته سازی معادلات حرکت… 68
2-8   فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بال­زدن بر اساس تئوری تیر اویلر- برنولی.. 72
فصل سوم: تحلیل ارتعاشات پره توربین بادی به کمک نرم­افزار و استخراج پارامترهای مودال………73
3-1   روش مدل­سازی و تحلیل نرم­افزاری.. 74
3-1-1      روش نرم‏افزاری اجزا محدود. 74
3-1-2      نرم­افزار اجزاء محدود آباکوس… 75
3-2   فرضیات بکار رفته در استفاده از نرم­افزار. 75
3-3   فرایند تحلیل نرم­افزاری.. 76
3-3-1      مدل­سازی پره توربین بادی.. 76
3-3-2      تعریف خصوصیات ماده 76
3-3-3      تعیین نوع حل.. 76
3-3-4      تعریف شرایط مرزی و بارگذاری.. 77
3-3-5      مش­بندی یا شبکه­بندی.. 78
3-4   اعتبار‏سنجی.. 81
3-5   نتایج تحلیل نرم­افزاری پره توربین بادی.. 86
3-5-1      تحلیل فرکانسی پره توربین بادی.. 86
3-5-2      تحلیل فرکانسی پره توربین بادی با در نظر گرفتن سرعت دورانی روتور. 87
3-5-3      مقایسه فرکانس­های طبیعی تئوری­های اویلر- برنولی و تیموشنکو. 93
3-5-4      بررسی اثر لایه­چینی مواد کامپوزیتی بر روی فرکانس­های طبیعی 93
3-5-5      بررسی اثر سرعت دورانی بر روی فرکانس­های طبیعی.. 97
3-5-6      بررسی اثر ضخامت پوسته پره توربین بادی بر روی فرکانس­های طبیعی.. 98
3-5-7      بررسی اثر شعاع هاب روتور بر روی فرکانس­های طبیعی.. 99
3-5-8      بررسی پاسخ گذرای سیستم تحت یک ضربه­ی فشاری.. 100

4-1   نتیجه‏گیری.. 103
4-2   پیشنهادات… 105

 مراجع ……………………………………………106
1-1 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 بهره­ گیری از انرژی باد بوده ­اند و چندین کشور خارج از اروپا و ایالات متحده در حال حاضر گام­های اولیه برای توسعه بازارهای تجاری با مقیاس بزرگ انرژی بادی را برداشته اند. 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 بهره­ گیری 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[.
1-2 انواع توربین­های بادی پیشرفته
توربین‏های بادی پیشرفته از نظر محور گردش پره‏های روتور به دو دسته تقسیم‏بندی می‏شوند: توربین‏های بادی با محور عمودی[1] و توربین‏های بادی با محور افقی[2] (شکل1-3).
شکل1-3: انواع توربین‏های بادی پیشرفته: a) توربین بادی با محور عمودی b) توربین بادی با محور افقی]12[.
1-2-1  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.
1-2-2  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 تقسیم ­بندی 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 هاب[3] 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: تقسیم ­بندی 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 تقسیم ­بندی می­شوند. توربین­های بادی با سرعت ثابت مزایایی از قبیل سادگی، قابلیت اطمینان بالا، هزینه ساخت و بهره ­برداری 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 شده ­اند که با تنظیم سرعت چرخش روتور در سرعت­های مختلف باد، بیشترین توان ممکن را از باد جذب می­ کنند. دو نوع پرکاربرد این توربین­ها، توربین­های بادی دارای مبدل با ظرفیت کامل وتوربین­های بادی دارای ژنراتور القایی دو تحریکه هستند.
1-3 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 دریا[6] و نیروگاه‏های بادی مستقر در خشکی[7] 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: تقسیم ­بندی 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.
1-4 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 بهره گرفتن از رابطه زیر محاسبه کرد.
‑1
که در این فرمول:

• قدرت باد (وات)

• وزن مخصوص هوا(چگالی یا دانسیته)

• سطح دایره‏ای شکل جارو شده توسط پره‏های روتور

• 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.
                                                                                                       ‏1‑2
 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 بتز، 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.