ساخت بادگیر (توربین) خورشیدی و سیستم تولید برق با پرینتر سه بعدی

ساخت بادگیر یا توربین خورشیدی با استفاده از پرینتر سه بعدی سیستم هیبریدی تولید برق و تهویه مطبوع طبیعی

خلاصه

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.

ساخت توربین با پرینتر سه بعدی

 

انتشار مقاله:

کنفرانس ملی دانش و فناوری  –  مهندسی برق، کامپیوتر . مکانیک

 

ﮐﻠﻤﺎت ﮐﻠﯿﺪی: بادگیر خورشیدی، سلول خورشیدی، توربین باد ساوینوس، پرینتر سه بعدی

 

فهرست عناوین این مقاله:

1 – مقدمه

2 – پیشینه پژوهش (ترکیب توربین های بادی، توربین چانگ)

3 – روش تحقیق

4 – فرایند ساخت توربین بوسیله پرینتر سه بعدی

5 – نتایج آزمایشگاهی تولید توربین با پرینتر سه بعدی

6 – جمع بندی و نتیجه گیری

 

مقدمه

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.

blankشکل 1

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.

blankشکل 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

پیشینه پژوهش (ترکیب توربین های بادی، توربین چانگ)

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]

blankشکل 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.

blankشکل ۴- بادگیر خورشیدی ساخته شده توسط چانگ

روش تحقیق

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.

blankشکل 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.

blankشکل 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.

 

فرایند ساخت توربین بوسیله پرینتر سه بعدی

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.

blankشکل ۷- نحوه ذوب مواد و لایه سازی قطعه در حال پرینت

 

۳.۱- محفظه بلبرینگ

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.

blankشکل ۸- نمای داخلی محفطه بلبرینگ ساخته شده توسط پرینتر ۳ بعدی

 

۳.۲- تابلو کنترل

این تابلو در واقع کنترل این سیستم را برعهده دارد. سوییچ­های تعبیه شده مدار را راه­اندازی و یا خاموش می­کند.

blankشکل ۹- نمای داخلی تابلو کنترل ساخته شده توسط پرینتر ۳ بعدی

3.3- توربین

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.

blankشکل ۱۰- روند طراحی و ساخت توربین بادی ساوینوس پیچش خورده شده

 

blankشکل ۱۱- نمای داخلی توربین بادی ساوینوس، سمت راست: ساده، سمت چپ: پیچش خورده شده، ساخته شده توسط پرینتر سه بعدی

3.4- پایه رابط ژنراتور

این قطعه نگهدارنده ژنراتور کوپل شده به توربین می­باشد.

blankشکل ۱۲- نمای داخلی پایه رابط ژنراتور ساخته شده توسط پرینتر ۳ بعدی

 

 blank

جدول ۱- جزییات قطعات ساخته شده با پرینتر ۳ بعدی

 

blankشکل ۱۳- مدل بادگیر خورشیدی

 

>> بیشتر بدانید:  پرینت سه بعدی فلز

نتایج آزمایشگاهی تولید توربین با پرینتر سه بعدی

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.

 

4.1- تست پنل خورشیدی

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.

blankشکل 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.

 

 4.2- تست توربین بادی

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.

blankشکل 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.

جمع بندی و نتیجه گیری

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.

 تشکر و قدردانی

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.

 

 

ارائه شده در کنفرانس ملی دانش و فناوری | مهندسی برق، کامپیوتر. مکانیک ایران

 

Keywords: 3d printing, photovoltaic cell , Solar cell, 3d Wind turbine, 3d printer

 

Sources

 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

4.9/5 - (7 امتیاز)
به اشتراک بگذارید:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

Fill out this field
Fill out this field
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.
You need to agree with the terms to proceed

فهرست