انرژی, انرژی بادی

سایه باد

سایه باد

مفهوم سایه باد

سایه باد (wind shade) مفهومی است که در علوم هواشناسی، شهرسازی و انرژی بسیار کاربرد دارد و به ناحیه ای اشاره دارد که نوع جریان و سرعت باد، بعد از برخورد با موانع تغییر می کند. موانعی مانند ساختمان ها، درختان و صخره ها می توانند سرعت باد را به صورت چشم گیری کاهش دهند و نوع جریان آشفته(turbulence) در اطراف خود ایجاد می کنند. همان طور که در شکل شماتیک زیر مشاهده می شود، ناحیه آشفته(turbulent zone) می تواند با سه برابر ارتفاع مانع گسترده شود( این ضریب قابل محاسبه می باشد).

میزان تخلخل(Porosity) مانع، کسر هوای ورودی به ان را تغییر می دهد و در نتیجه اثر متفاوتی روی سایه باد خواهد داشت. برای مثال اثر یک ساختمان که تخلخلی ندارد با یک درخت بسیار متفاوت خواهد بود. مفهوم سایه باد در مباحث انرژی باد و صنعت توربین بادی اهمیت و کابردی گسترده ای دارد.

توزیع جریان هنگام برخورد با مانع

توزیع جریان هنگام برخورد با مانع

فیزیک سایه باد

برخورد باد به موانع باعث تغییر سرعت باد در اطراف و به ویژه ناحیه پشت ان(downstream) می شود. می توان تغییرات سرعت باد را ثبت و به صورت یک گراف، نسبت به ارتفاع و فاصله از موانع رسم کرد. شکل زیر گراف درصد سرعت باد در اطراف یک مانع 20 متری را نسبت به سرعت بدون مانع نشان می دهد.

همان طور که در شکل مشهود است در ارتفاع بسیار بالا(70) هیچ تاثیری در سرعت باد نداشته است ولی تاثیر ان حتی در فاصله 300 متری و ارتفاع 40 متری از سطح هنوز مشاهده می شود. سه درصد کاهش در سرعت باد منجر به 10 درصد کاهش در توان تولیدی توربین های بادی می شود که به شدت اهمیت خواهد یافت. با بررسی سرعت جدید باد در فاصله و ارتفاع مناسب از موانع می توان اقدام به جایابی توربین بادی نمود. برگرفته از انجمن صنعتی باد دانمارک

سایه باد - درصد سرعت باد در اطراف یک مانع 20 متری نسبت به سرعت بدون مانع

سایه باد – درصد سرعت باد در اطراف یک مانع 20 متری نسبت به سرعت بدون مانع

سایه باد برای توربین بادی

با توجه به تعریف انرژی، انرژی تولید نمی شود و از بین نمی رود، فقط از نوعی به نوع دیگر تبدیل می شود. توربین بادی انرژی مکانیکی برای راه اندازی ژنراتور را از روتور و حرکت باد دریافت می کند. بنابراین بدیهی است که بادی که از توربین بادی عبور کرده است انرژی کمتری نسبت به باد اولیه داشته باشد. این کاهش انرژی، خود را در کاهش سرعت باد نشان می دهد.

کاهش سرعت باد پشت توربین بادی، بر اساس اصل پایستگی جرم، باعت بزرگ تر شدن تونل باد می شود. این کاهش سرعت باد و بزرگ تر شده تونل باد مقداری سایه باد پشت توربین ایجاد می کند که برای نصب توربین بادی دیگر، در یک مزرعه بادی، محاسبه ان حیاتی است. شکل زیر شماتیک تونل باد برای یک توربین بادی را نشان می دهد.

شرایط سیال به خاطر استخراج انرژی مکانیکی از جریان هوای وزش آزاد بر طبق نظریه تکانه ابتدایی

شرایط سیال به خاطر استخراج انرژی مکانیکی از جریان هوای وزش آزاد بر طبق نظریه تکانه ابتدایی

برای محاسبات دقیق تر می توان از نرم افزارهای شبیه سازی سیالات استفاده شود تا با حل معادلات CFD سرعت باد در اطراف توربین به دست آید. شکل زیر گراف حاصل از محاسبات CFD را برای برج توربین بادی، از دو جهت همراستا و عمود به باد نشان می دهد. در کنار سطوح برج، سرعت باد به دلیل کشش هوا افزایش می یابد ولی در پشت توربین سرعت باد کاسته می شود و تا فاصله زیادی سایه باد ایجاد می شود. این اثر برای سرعت باد و ارتفاع برج توربین مختلف، متفاوت خواهد بود. این اثر در قسمت شدت آشفتی، بیشتر توضیح داده می شود.

سایه باد - سرعت باد هنگام برخورد با برج توربین بادی، از دو جهت همراستا و عمود

سایه باد – سرعت باد هنگام برخورد با برج توربین بادی، از دو جهت همراستا و عمود

اثر دنباله ای

اثر دنباله ای یا Wake Effect (به موج حاصل از حرکت کشتی در پشت ان اشاره می شود) در پشت توربین بادی نیز وجود دارد که ناشی از حرکت آشفته و کند شده باد نسبت به باد اولیه است. به وضوع می توان اثر دنباله ای را با افزودن دود یا مه به هوای ورودی توربین مشاهده کرد که در شکل زیر نمایان است. از این رو توربین های بادی حداقل در فاصله سه برابر قطر روتور از هم قرار داده می شوند تا اثر دنباله ای در جریان پایین دست(downstream) تشدید نشود. فاصله سه برابر قطر، یک تقریب است و در ادامه طریقه محاسبه ان تشریح می شود.

اثر دنباله ای - سایه باد روی توربین های بادی دریایی هنگام مه

اثر دنباله ای – سایه باد روی توربین های بادی دریایی هنگام مه

عوامل فیزیکی کنترل کننده اثر دنباله ای

عوامل غالب در اثر دنباله ای، فاصله بین توربین ها در مسیر باد(downwind)، توان استخراج شده(power extracted) از توربین و شدت اشفتگی(Turbulence intensity) در جریان باد، پایداری اتمسفر و پیکربندی توربین بادی است.

فضای مسیر باد (Downwind Spacing)

فاصله بین توربین ها در مسیر باد معمولا به صورت ضریب قطر توربین بیان میشود که بین 6D و 12D، است. فضای محدود همیشه نامطلوب است و باید در الگوی استفاده از باد های فصلی دیده شود. فضای بهینه شده ممکن است چیدمانی(array) را بطلبد که به صورت متعامد، متقارن نباشد اما نسبت به شرایط هر دو باد غالب(prevailing) و باد محلی(local wind) جهت گیری شده باشد. بیشتر انرژی از باد غالب به دست می اید از این رو می توان فضای باد عرضی(crosswind) را کمتر از جهت در مسیر باد(downwind) در نظر گرفت.

توان استخراج شده

اثر دنباله ای یا تداخل دنباله ای(Wake Interference) درصدی از تولید انرژی باالقوه است. این درصد انرژی وابسته به سرعت باد و ضریب توان(power coefficient) است. در باد های شدید که توربین بادی با توان نامی خود کار می کند و سرعت اضافی به وسیله پیتچ، کنترل می شود، در مسیر باد اثر دنباله ای اتفاق می افتد و سرعت کاهش می یابد ولی همچنان به علت سرعت زیاد باد، توربین بادی بعدی هم می تواند با ظرفیت نامی کار کند. برای باد های کم سرعت، اثر دنباله ای سرعت باد را در مسیر باد چنان کاهش می دهد که توربین پایین دست، سرعتی کمتر از سرعت شروع به کار(cut-in speed) را تجربه خواهد کرد. در این شرایط اثر دنباله ای بسیار شدید خواهد بود.

شدت آشفتگی باد

شدت اشفتگی اندازه بی ثباتی(unsteadiness) باد است که برابر با مجموع آشفتگی محیط(ambient turbulence) و آشفتگی حاصل از روتور، بخش بر سرعت میانگین جریان آزاد باد(steady (mean) free-stream) است. آشفتگی دو تاثیر متضاد روی اثر دنباله ای یا تداخل دنباله ای دارد. تمایل دارد که هوای جریان آزاد(free stream) اطراف دنباله را بکشد و سپس دنباله را دوباره انرژی بخشد(re-energizing) و کاهش سرعت را کم کند. آشفتگی در همان زمان، قطر دنباله را افزایش می دهد که باعث اثر بیشتر روی توربین پایین دست می شود. با افزایش شدت آشفتگی، اثر دنباله ای کاهش می یابد و تلفات انرژی کم می شود در نتیجه انرژی بخشی دوباره مکانیزم غالب است.

پایداری اتمسفر

تحقیقات اخیر نشان داده است که پایداری اتمسفر ممکن یک عامل اصلی در تعیین اندازه و ساختار دنباله باشد. پایداری اتمسفر اندازه گردابه های(eddies) درون جریان باد را کنترل می کند. بنابراین نرخ کشش(entrainment) هوا از جریان آزاد و نفوذ(diffusion) آشفتگی در دنباله را کنترل می کند.

تاثیر پیکربندی توربین بادی

از انجایکه تاثیر اثر دنباله ای در سایه باد تا بیش از 10 برابر قطر روتور ادامه می یابد، استنباط می شود که تداخل تنباله ای توربین بادی نتیجه مکانیک سیال خارجی و جهانی است و شدیدا به جزئیات طراحی توربین وابسته نیست. برگرفته از کتاب فناوری توربین بادی از دیوید اسپرا

حسابگر سایه باد

برای محاسبه سایه باد، نرم افزار آنلاین حسابگر ارائه شده است. این حسابگر برای محاسبه نیاز به ارتفاع هاب(hub) توربین بادی، فاصله توربین بادی از مانع(obstacle)، ارتفاع مانع، جنس و درصد تخلخل مانع، عرض مانع و سرعت باد در ارتفاع هاب نیاز دارد. محیط نرم افزار به صورت زیر است. خروجی های نرم افزار به دو صورت اصلی گراف سرعت باد و انرژی باد می باشد.

نرم افزار حسابگر سایه باد موانع روی توربین بادی

نرم افزار حسابگر سایه باد موانع روی توربین بادی

 

سایه باد - درصد سرعت باد و انرژی باد در اطراف یک مانع 20 متری نسبت به سرعت بدون مانع

سایه باد – درصد سرعت باد و انرژی باد در اطراف یک مانع 20 متری نسبت به سرعت بدون مانع

جانمایی توربین بادی

جانمایی توربین بادی، تعیین موقعیت یک توربین در یک میدان بادی به خصوص نسبت به توربین های دیگر است. ایجاد سایه باد یک توربین بادی، روی توربین های دیگر دلیل اهمیت جانمایی است. فاصله نامناسب می تواند موجب تلفات انرژی حاصل و افزایش هزینه های نصب شود. همان طور که در گراف قبل مشاهده می شود تلفات انرژی حتی در فاصله 450 متری هنوز وجود دارد و معادل 8 درصد است. از این رو انتظار می رود همیشه بازدهی یک مزرعه بادی، کمتر از یک توربین بادی منفرد باشد. به کاهش انرژی حاصل از قرار گرفتن توربین های بادی در کنار هم تلفات چیدمان(Array losses) گفته می شود که تابع عوامل زیر است.

  • فضای توربین بادی( هم در مسیر باد(downwind) و هم باد عرضی(crosswind))
  • مشخصات بهره برداری توربین بادی
  • تعداد توربین و اندازه مزرعه بادی
  • شدت اشفتگی
  • فرکانس توزیع جهت باد(گلباد(wind rose))
شماتیک جانمایی توربین بادی با محاسبه جهت باد و سایه باد

شماتیک جانمایی توربین بادی با محاسبه جهت باد و سایه باد

 

گسترش سایه باد تابع اندازه روتور و توان تولیدی است و این تلفات انرژی در توربین در یک فاصله مشخص به خاطر تبادل انرژی با میدان بادی پیرامون دو باره پر می شود. هر چه میزان اشفتگی در میدان بادی بیشتر باشد، تبادل انرژی بین سایه باد و باد غالب بالا می رود که موجب کاهش تلفات چیدمان می شود. فاصله توربین ها از هم با تغییر جهت باد، تغییر می کند از این رو برای محاسبات جانمایی توربین بادی، باید تغییر ات جهت باد در یک سال در نظر گرفته شود. درصد تلفات چیدمان مزرعه بادی دارای 6×6 توربین بادی که در فاصله در مسیر باد 10D (10 برابر قطر روتور) قرار گرفته اند، نسبت به فاصله باد عرضی در شکل زیر نشان داده شده است. برای فاصله 10D در مسیر باد و فاصله 5D در جهت باد عرضی تلفات چیدمان زیر 10 درصد محاسبه شده است. برگرفته از کتاب انرژی باد اقای منول

نمودار تغییرات تلفات چیدمان نسبت به فاصله باد عرضی در فاصله 10 برابر قطر روتور

نمودار تغییرات تلفات چیدمان نسبت به فاصله باد عرضی در فاصله 10 برابر قطر روتور

برای کسب اطلاعات بیشتر می تواند مقالات زیر را مطالعه بفرمایید.

 اجزای توربین بادی

ژنراتور توربین بادی

ارتفاع برج توربین بادی

هزینه توربین بادی

نصب توربین بادی

اتصال نیروگاه بادی

پره توربین بادی

جهت باد غالب

میدان بادی

سابه باد

مطالب مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید