پتانسیل سنجی و توربین بادی

دانلود پایان نامه

7
ولی با توجه به تجریبات کسب شده هر چند با افزایش سرعت باد میزان انرژی دریافتی از آن بیشتر می شود اما توربین های بادی برای تولید انرژی یک حد اشباع دارند. بدین معنی که بادهایی که بیشتر از این حد اشباع سرعت داشته باشند عملاً انرژی بیشتری تولید نمی کند.
2-5-5 توان پتانسیل توربین
انرژی موجود در باد را می‌توان با عبور آن از داخل پره‌های و سپس انتقال گشتاور پره‌ها به روتور یک ژنراتور استخراج کرد. در این حالت میزان توان تبدیلی با تراکم باد، مساحت ناحیه جاروب شده توسط پره و مکعب سرعت باد بستگی دارد .به این ترتیب میزان توان قابل تبدیل در باد را می‌توان به این ترتیب به دست آورد:
(2-2)
که در این فرمول P توان تبدیلی به وات، α ضریب بهره‌وری (که به طراحی توربین وابسته است ) ρ تراکم باد بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب،r شعاع پره‌های توربین برحسب متر و v سرعت باد برحسب متر برثانیه است .زمانی که توربین انرژی باد را می‌گیرد سرعت باد کم خواهد شد که این خود باعث جدا شدن باد می‌شود. آلبرت بتز (Albert Betz) فیزیکدان آلمانی درسال 1919 اثبات کرد که یک توربین حداکثر می‌تواند 59 درصد از انرژی بادی را که در مسیر آن می‌وزد را استخراج کند و به این ترتیب α در معادله بالا هرگز بیشتر از 59/0 نخواهد شد .از ترکیب این قانون با معادله بالا می‌توان اینگونه نتیجه گرفت:
1- حجم هوایی که از منطقه جاروب شده توسط پره‌ها عبور می‌کند به میزان سرعت باد و چگالی هوا وابسته است. برای مثال در روزی سرد با دمای 15 درجه سانتی‌گراد (59 درجه فارنهایت) در سطح دریا، چگالی هوا برابر 225/1کیلوگرم بر متر مکعب است. در این حالت عبور بادی با سرعت 8 متر بر ثانیه در روتوری به شعاع 100 متر تقریباً موجب عبور 77000 کیلوگرم باد در منطقه جاروب شده توسط پره‌ها خواهد شد.
2- انرژی جنبشی حجم مشخصی هوا به مجذور سرعت آن وابسته است و از آنجایی که حجم هوای عبور از توربین به صورت خطی با سرعت رابطه دارد، میزان توان قابل دسترسی در یک توربین با مکعب سرعت نسبت مستقیم دارد. مجموع توان در مثال بالا در توربینی با شعاع جاروب 100 متر برابر 5/2 مگاوات است که بر طبق قانون بتز بیشترین میزان انرژی استخراج شده از آن تقریباً برابر 5/1 مگاوات خواهد بود.
2-5-6 ضریب یکپارچگی:
نسبت سطح پره های توربین بادی به سطحی که توسط این پره ها هنگام چرخش جارو می شود، ضریب یکپارچگی نام دارد.
ضریب یکپارچگی = سطح پره های توربین بادی
سطح جارو شده توسط پره های توربین
تعیین سرعت باد:
بطور کلی برای تعیین سرعت باد در اثر زبری سطح زمین می توان از دو الگوی زیر استفاده کرد:
معادله هلمن
این معادله به شکل زیر نوشته می شود
(2-3)
که در آن و به ترتیب سرعت های باد در ارتفاعهای و هستند و a که مبین زبری سطح می باشد، توان هلمن نامیده می شود. مقدار a را می توان بر اساس وضعیت سایت و کلاس زبری سطح از مراجع معتبر تعیین نمود.
پروفیل لگاریتمی
معادله کلی این پروفیل عبارت است از:
(2-4)
که در آن و به ترتیب سرعتهای باد در ارتفاع های و می باشند، طول زبری ( بر حسب متر ) و d ضخامت لایه جابجایی ( بر حسب متر ) می باشد. توضیح اینکه بر اساس کلاس زبری سطح و d بر مبنای وضعیت و ارتفاع موانع موجود در مسیر باد تعیین می شوند و مقادیر آنها در مراجع موجود است. اگر در مسیر باد تا توربین بادی مانعی وجود نداشته باشد مقدار d برابر صفر خواهد بود.
2-5-7 برآورد پتانسیل باد
برای تخمین پتانسیل انرژی باد در یک سایت بایستی اطلاعات مربوط به سرعت و جهت باد در دسترس باشد. پتانسیل سنجی انرژی باد در یک سایت را می توان بسته به موجود بودن اطلاعات باد، از سه طریق زیر محاسبه کرد: