انرژیهای تجدید پذیر منبعی لایتنهایی برای تامین انرژی مورد نیاز بشریت میباشد که بهره گیری از آنها مسلتزم سیستم های نوین و پیشرفته میباشد. استفاده تواماً از انرژی باد و خورشید، عملکرد سیستم را تا حـد مطلوبی بـالا برده و بسیار قابل اطمینان میباشد. هدف این مقاله ساخت سریع مدل آزمایشگاهل و بررسی توان خروجی بادگیر خورشیدی میباشد که به توان آنرا به صورت مجزا برای هر واحد مسکونی و یا مزرعـه بـادی و خورشیدی توسـعه داد.
بادگیر خورشیدی تلفیق بادگیر سنتی، توربین باد ساوینوس و سلول خورشیدی میباشد. این سیستم علاوه بر پایداری در تولید برق، قابل استفاده در تهویه طبیعی ساختمان را نیز میباشد.
ساخت این مجموعه توسط پرینترهای سه بعدی به روش FDM گامی موثر در تولید و بهره برداری سریع می باشد. این مدل آزمایشگاهی با تولید ۱۷ وات توان الکتریکی که به صورت تواماً از انرژی باد و خورشید بدست می آید را در یک باطری ذخیره میکند و توان مورد نیاز ما را به ارمغان میآورد. علاوه بر تولید برق با انتقال جریان خروجی باد به سمت کانـال مـورد میتوان از تهویه طبیعی نیز برخوردار شد.
انتشار مقاله:
کنفرانس ملی دانش و فناوری – مهندسی برق، کامپیوتر . مکانیک
از سال ۱۹۷۳ میلادی، مصادف با وقوع اولین شوک نفتی درجهان مسئله کارآیی انرژی در کشور مطرح، اما هیچگاه در برنامه ریزیها به صورت جدی مورد توجه قرار نگرفته است. از منابع جایگزین قابل اطمینان مـیتـوان بـه انـرژی بادی و خورشیدی اشاره کرد.
خصوصیت مهم این انرژیهای تجدیدپذیر در دسترس بودن و قابلیت حصـول بسیار آسان میباشد که در زمره پاکترین انرژیها قرار دارند. به منظور دستیابی بـه انـرژی پاک و ابـدی، انرژیهای تجدیدپذیر ایده مناسب برای این مهم میباشد. از طرفی استحصال انرژی از انرژیهای تجدیدپذیر نیازمند سیستمی با کارایی مناسب میباشد.
با توجه به ارگانهای انرژی بادی جهان و اروپا، ظرفیت انرژی بادی نصب شده تا سال ۲۰۱۰ به ۱۹۷ گیگاوات دست یافته است که تنها ۳۰۰۰ مگاوات از کل تولیدی مربوط به توربینهای نصب شده در نواحی ساحلی و دریایی است. ظرفیت تولیدی برق بادی جهان در سال ۲۰۱۳ در حدود ۳۱۸ گیگاوات تخمین زده شـده اسـت کـه در حدود ۱۳ درصد بیش از سال گذشته است.
شکل ۱- ظرفیت جهانی انرژی بادی نصب شده از سال ۱۹۹۷ تا ۲۰۱۴
ایران با داشتن حدود ۳۰۰ روز آفتابی در سال جزو بهترین کشورهای دنیا در زمینه پتانسیل انرژی خورشیدی در جهان میباشد. با توجه به موقعیت جغرافیای ایران و پراکندگی روستای در کشور، استفاده از انرژی خورشیدی یکی از مهمترین عواملی است که باید مورد توجه قرار گیرد. استفاده از انرژی خورشیدی یکی از بهترین راههـای بـرق رسانی و تولید انرژی در مقایسه با دیگر مدلهای انتقال انرژی به روستاها و نقاط دور افتاده در کشور از نظر هزینـه حمل نقل، نگهداری و عوامل مشابه میباشد.
با توجه به استانداردهای بینالمللی اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در روز بالاتر از 5,3 کیلووات ساعت در مترمربع (۳۵۰۰ وات ساعت) باشد. استفاده از مدلهای انرژی خورشیدی نظیر کلکتورهای خورشیدی یا سیستمهای فتوولتائیک بسیار اقتصادی و مقرون به صرفه است.
شکل ۲- نقشه تابش روزانه خورشید در ایران (پتانسیل انرژی خورشید)
در این پژوهش با بهرهگیری از دانش ساخت سریع مدلها، بادگیرهای سنتی ایران، توربین باد محور عمودی ساوینوس و سلولهای خورشیدی سیستمی، بادگیر خورشیدی را معرفی میکنیم.
سیستم بادگیر خورشیدی دارای یک توربین محور عمودی ساوینوس و سلولهای خورشیدی میباشد کـه ایـن امـر سـبب بهرهگیری از ایـن سیستم در هر زمان و مکانی میباشد. این سیستم تولید برق را در دستور کار خود قرار داده است که علاوه بر تولید هیبریدی برق میتوان از جریان خروجی بادگیر خورشیدی جهت تهویه طبیعی ساختمان از آن بهره جست. ایـن سیستم قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارد که میتوان آن را به عنوان یک نیروگاه تولید پراکنده یاد کرد.
>> بیشتر بدانید: کسب درآمد از پرینتر سه بعدی
توربین باد ساوینوس برای اولین بار توسط یک مهندس فنلاندی به نام اس جی ساوینوس در سال ۱۹۳۱ استفاده گردید [۳]. بردینر و همکاران، مدلی از ترکیب توربین بادی ساوینوس و سلول خورشیدی استفاده کرده است که با نصب LED برای روشنایی استفاده کردهاند. این نمونه برای استفاده در روشنایی خیابانها مورد استفاده قرار گرفته است.
در این مدل ترکیبی با استفاده از یک توربین باد ساوینوسی به قطر ۹۱ سانتی متر و ارتفاع ۶۹ سانتی متر و سطح ۰.۴۸ متر مربع برای سلول خورشیدی توان لازم برای استفاده آن در تامین انرژی روشنایی میباشد. در این پژوهش مدل به صورت پروتوتایپ ساخته شده و با نتایج CFD انجـام شـده مقایسـه شـده کـه نتایج قابـل قبـولی مشاهده شده است. [۴]
شکل ۳- ترکیب توربین بادی ساوینوس و سلول خورشیدی جهت روشنایی بزرگراهها
چانگ و همکاران با استفاده از ترکیب توربین بادی ساوینوس و سلول خورشیدی، سیستمی بـرای تامین انرژی الکتریکی و همچنین جمعآوری آب باران طراحی و ساخته اند.
شکل ۴- بادگیر خورشیدی ساخته شده توسط چانگ
به منظور مدلسازی بادگیر خورشیدی با الهام از بادگیرهای سنتی ایران، هندسـه تـوربین بادی ساوینوس و پنـل خورشیدی، این مجموعه در نرم افزار CATIA به صورت سه بعدی مدلسازی شد.
بدنه اصلی این مجموعه با الهام از بادگیرهای هشت وجهی باغ دولت آباد یزد ساخته شده است. این امر سبب جذب حداکثری باد در داخل بادگیر میشود که سبب افزایش راندمان تـوان تولیـدی تـوربین باد و افزایش دبی جریـان خروجی باد می شود.
شکل ۵- مدلسازی بادگیر خورشیدی با الهام از بادگیر سنتی باغ دولت آباد یزد
برای این مجموعه دو توربین ساوینوسی انتخاب شده است که این دو توربین هر یک ویژگیهای خاص خود را به همراه دارد. توربین اول یک توربین بادی ساوینوسی ساده با دو انتهای بسته و با مقداری همپوشانی در قسمت پرهها میباشد و توربین دوم یک توربین با شفت مخروطی در مرکز و پرههای پیچش داده شـده کـه هـدف از ایـن مـهـم افزایش راندمان توربین و هدایت جریان خروجی به سمت کانال و تهویه طبیعی میباشد.
شکل ۶- توربین بادی ساوینوس. سمت راست) توربین ساوینوس ساده با دو انتهای بسته سمت چپ) توربین ساوینوس پیچش خورد شده
علاوه بر توربین ساوینوسی مورد استفاده، بخش خورشیدی این مجموعه شامل یک پنل فتوولتاییک ۱۰ وات بـه همراه یک شارژ کنترلر و باطری ۴۵۰۰ میلی آمپر می باشد. که جمعا توان خروجی این بادگیر خورشیدی را به ۱۷ وات میرساند.
در ساخت این مجموعه از پرینتر سه بعدی و لیزر کات استفاده شده است. در پرینتر سه بعدی جای استفاده از لیزر از یک منبع حرارتی در نازل استفاده میشود. همانطور که درشکل مشاهده میشـود مـواد ترموپلاستیک به صورت رشتهای به وسیله دو غلتک به سمت نازل حرکت میکند.
در نازل المنتهای حرارتی وجود دارد که باعـث میشود رشتههای پلاستیکی به صورت نیمه مذاب تبدیل شود و به خاطر فشاری که از سوی غلتکهـا وارد میشـود، از نازل خارج میشود و لایه اول را برروی پلتفرم میسازد.
پس از آن پلتفرم به اندازه ضخامت لایه پایین رفتـه و لايـه بعدی ساخته میشود و این کار ادامه مییابد تا قطعه کامل شود.
شکل ۷- نحوه ذوب مواد و لایه سازی قطعه در حال پرینت
این قطعه وظیفه نگهداری بلرینگ شفت توربین را دارد. این قطعه یکی بر روی صفحه تحتانی و یکی بر روی صفحه فوقانی نصب میگردد و بلبرینگ را در خود جای میدهد.
شکل ۸- نمای داخلی محفطه بلبرینگ ساخته شده توسط پرینتر ۳ بعدی
این تابلو در واقع کنترل این سیستم را برعهده دارد. سوییچهای تعبیه شده مدار را راهاندازی و یا خاموش میکند.
شکل ۹- نمای داخلی تابلو کنترل ساخته شده توسط پرینتر ۳ بعدی
دو توربین ساوینوسی ساده و پیچش خورده شده توسط پرینتر ۳ بعدی ساخته شده است. این دو توربین قلب تپنده بخش بادی این سیستم میباشد. این سیستم قابلیت جایگزینی هر نوع توربین بادی محور عمودی را در خود دارد.
شکل ۱۰- روند طراحی و ساخت توربین بادی ساوینوس پیچش خورده شده
شکل ۱۱- نمای داخلی توربین بادی ساوینوس، سمت راست: ساده، سمت چپ: پیچش خورده شده، ساخته شده توسط پرینتر سه بعدی
این قطعه نگهدارنده ژنراتور کوپل شده به توربین میباشد.
شکل ۱۲- نمای داخلی پایه رابط ژنراتور ساخته شده توسط پرینتر ۳ بعدی
جدول ۱- جزییات قطعات ساخته شده با پرینتر ۳ بعدی
شکل ۱۳- مدل بادگیر خورشیدی
>> بیشتر بدانید: پرینت سه بعدی فلز
نتایج آزمایشگاهی این بخش به دو بخش بادی و خورشیدی تقسیم میشوند. این نتایج در آزمایشگاه و با وسایل اندازه گیری ولتاژ، جریان و سرعت باد انجام شده است. این نتایج به پیشبینی های اولیه بسیار نزدیک بوده و در چنین ابعادی این نتایج بسیار قابل قبول و کاربردی میباشد.
پنل خورشیدی در یک روز در یک بازه زمانی ۱۲ ساعته بررسی شد. هر ساعت مقـدار ولتاژ و جریـان انـدازهگیری شده و با حاصلضرب این دو مقادیر توان خوجی پنل مشخص میشـود. محـل تست در شهر کرج و با مختصات جغرافیایی ‘09793,50E و ‘8433,35N میباشد. ارتفاع از سطح دریا نیز ۱۳۶۶ متر میباشد. پایه پنل خورشیدی نیز با عرض جغرافیایی منطقه یکسان در نظر گرفته شده است.
شکل ۱۴- نمودار توان خروجی پنل خورشیدی
همانطور که مشخص شده است در ساعت ۱۳ بیشترین توان را دارد که این مقدار برایـر 13.5وات میباشـد. همچنین میانگین توان خروجی این پنل در روز برابر 9.43 وات میباشد. این مقدار مستقیما بـه جهـت قـرارگیری پنل وابسته است. تمامی این مقادیر در جهت عمود بر تابش خورشید اندازهگیری شده است.
توربینهای بادی این مجموعه نیز توسط یک فن با قدرت ۳ کیلووات مـورد تست و ارزیابی قرار گرفت. کمتـرین سرعت بادی که این توربینها شروع به حرکت کرده و تولید توان میکند برابر ۲ متر بر ثانیـه مـیباشـد. خروجی ژنراتور توسط یک پل دیود کنترل میشود که همواره جریان مستقیم و ثابت را به ما بدهد.
شکل ۱۵- نمودار توان خروجی توربین بادی ساوینوس
این دو توربین به دلیل اینکه از نظر اندازه تقریبا یکسان و سرعت باد آزمایش کم بود، تقریبا تفاوتی در توان تولیدی مشاهده نشد و تقریبا با یکدیگر برابر بوده است. همانطور که در شکل مشاهده میشود، هر چه سر باد بیشتر باشد، توان خروجی سیستم نیز تقریبا به صورت خطی افزایش پیدا میکند.
این مهم یکی از مزیتهای مهم توربین ساوینوس میباشد که با کمترین سرعت باد شروع به کار کرده و تولید توان میکند و هرچه سرعت باد بیشتر شـود توان خروجی نیز بیشتر میشود.
این سیستم با طراحی منحصر به فرد خود میتواند به صورت گسترده به عنوان یک نیروگاه تولید پراکنده بـه همـراه بهرهگیری از تهویه طبیعی مطرح شود و همچنین مزارع بادی و خورشیدی را به صورت کلان در کشور عزیزمـان اجرایی نمود.
این مقاله مستخرج از پایان نامه کارشناسی ارشد با عنوان ساخت و تحلیل عملکرد بادگیر خورشیدی به عنوان یک سیستم هیبریدی تولید برق میباشد که با حمایت دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکز انجام شده است.
1. Bashar, M. M. Computational and Experimental Study on Vertical Axis Wind Turbine in Search for an Efficient Design Bach, Von G., 1931, “Vutersuchungen Uber Savonius Rotoren und Verwandte Stromungsmaschinen”, Forsh. Auf dem Gebiete des Ingenierwesens, Vol. 2,pp.218-231 (in German).
2. سازمان انرژی نو ایران، انرژی خورشیدی
3. Savonius, S. J. (1931). The S rotor and its application. Mechanical Engineering, 53, 333-338.
4. Reid A. Berdanier. (2013). Integrating Vertical-Axis Wind Turbines and Photovoltaic Solar Cells to Power a Self-sustaining Outdoor Light Source.
5. Morshed, K. N. (2010). Experimental and numerical investigations on aerodynamic characteristics of Savonius wind turbine with various overlap ratios.
6. Shepherd, D. G. (1990). Historical Development of the windmill. National Aeronautics and space Administration office of management.
7. Wulff, H. E., (1966). The traditional crafts of Persia, their development, technology and influence on eastern and western civilization.MIT press. 284-289
8. Savonius, S. J. (1931). The S rotor and its application. Mechanical Engineering, 53, 333-338.
9. Hikkaduwa Vithanage, A. (2012). Design and Performance Analysis of Pitched-Plate Vertical Axis Turbine for Domestic Power Generation.
10. Maamar Laidi. (2012). Study of a Solar PV-Wind-Battery Hybrid Power System for a Remotely Located Region in the Southern Algerian Sahara: Case of Refrigeration. Journal of Technology Innovations in Renewable Energy, 1, 30-38. https://civilica.com/doc/595232/
11. Sabzevari, A., 1978, “Power Augmentation in a Ducted Savonius Rotor”, International Symposium of Wind Energy Systems, BHRA, Amsterdam, Netherland, Vol. 1, pp. F3 25-34.
12. Ugur FESLI. (2012) Design and Implementation of a Domestic Solar-Wind Hybrid Energy System.
13. R. Gupta. (2006). Experimental Study of A Savonius-Darrieus Wind Machine. Proceedings of the International Conference on Renewable Energy for Developing Countries.
14. Bassett K et al. 3D printed wind turbines part 1: Design considerations and rapid manufacture potential. Sustainable Energy Technologies and Assessments (2015).
دانلود PDF این مطلب: Download PDF
جدیدترین مقالات:
