همگام با روند پیشرفت در توربین های بادی، نیاز می باشد که دکل های نگهدارنده آنها نیز مستحکم-تر و بهینه گردند و این خود به بزرگتر شدن قطر و ابعاد دکل می انجامد. به علت انداره و وزنشان، حمل ونقل و نصب آنها به تجهیزات سنگینی نیاز دارد که ممکن است استفاده از چنین دکل هایی را برای مناطق دورافتاده دچار مشکل سازد. به منظور رفع این مشکل و به جهت دور نماندن از فناوری روز دنیا لازم می باشد که پژوهش های ما نیز در جهت تحقیقات علمی در حال انجام در کشورهای توسعه یافته باشد لذا در این پایان نامه به طراحی و تحلیل مدل دکل کامپوزیت توربین بادی و مقایسه آن با یک دکل فولادی پیش طراحی شده توسط یک شرکت معتبر تجاری، پرداخته شده است. این پروژه در چند مرحله انجام شده است بدین ترتیب که در ابتدا برای آنکه مقایسه ای بین نتایج مدل المان محدود و نتایج تجربی شده باشد، یک نمونه مدل که قبلاً بر روی آن کار آزمایشگاهی شده بود، مورد تحلیل المان محدود قرار گرفت و سپس با توجه به استانداردهای موجود، مدل دکلی کامپوزیتی برای توربین بادی 2/4 کیلوواتی طراحی و تحلیل شد که تقریباً 48% وزن سازه را نسبت به دکل فولادی کاهش داد.

با توجه به خاصیت تناوبی و نامنظم سرعت باد و توان تولیدی نیروگاه بادی، یکی از مهم ترین چالش های پیش روی متولیان هر نیروگاه بادی، پیش بینی دقیق و مناسب سرعت باد و توان تولیدی نیروگاه بادی می باشد. در تحقیق حاضر از دو ساختار مختلف هوش مصنوعی استفاده شده است. ساختار اول یکی از رایج ترین شبکه های یادگیری یعنی شبکه عصبی پرسپترون پس انتشار خطا است و ساختار دوم شبکه anfis می باشد که ترکیبی از مدل فازی و شبکه عصبی است. با استفاده از دو روش مذکور، سرعت باد نیروگاه بادی بینالود پیش بینی شده و نتایج پیش بینی با روش های ارزیابی معمول بررسی شده است. برای این کار، ابتدا همبستگی سرعت باد در هر لحظه را با سرعت های باد در زمان های قبل از آن را محاسبه شده است، مقدار آستانه همبستگی قابل قبول 6/0 در نظر گرفته شده و با در نظر گرفتن معیار فوق از داده های سرعت باد 8 پله جلوتر به عنوان ورودی های سیستم استفاده شده است. سایر ورودی ها شامل جهت باد، دما و رطوبت نسبی می باشد. برای آموزش سریع شبکه عصبی و جلوگیری از امکان واگرا شدن و آموزش نادرست شبکه عصبی، داده ها را پیش پردازش نموده و سپس مورد استفاده قرار می دهیم. برای ارزیابی نتایج پیش بینی سرعت باد از دو معیار میانگین خطای مطلق و میانگین مربعات خطا استفاده شده است. با استفاده از نتایج پیش بینی سرعت باد و منحنی توان توربین بادی، توان تولیدی نیروگاه بادی قابل پیش بینی است. محدودیت وجود اطلاعات ثبت شده از توان برای این نیروگاه در حد ماهانه مانعی بر سر راه ارزیابی صحت و دقت پیش بینی می باشد، اما نتایج حاصل از پیش بینی سرعت باد حاکی از دقت مناسب این پیش بینی می باشد.

افزایش تقاضای انرژی و مصرف بیش از اندازه منابع انرژیهای فسیلی در جهان موجب نابودی بیش از اندازه منابع انرژی و آلودگی محیط زیست در دهه های اخیر شده است. بدین جهت تقاضا برای ادوات مبدل انرژی با بازده و انرژی خروجی سالیانه بالاتر افزایش می یابد. ژنراتورهای القائی دارای بازده و ضریب توان پائین به خصوصی در یک رنج پائینی از توان می باشند. بنابراین ژنراتورهای مغناطیس دائم که دارای بازده و ضریب قدرت بالاتر می باشند، میتواند به عنوان ابزاری برای ذخیره انرژی معرفی گردد. کاهش قیمت مواد مغناطیس دائم در بازار موجب اقتصادی تر شدن آن گردد. محاسبات نشان می دهد که سرمایه گذاری اولیه بر روی این ماشین ها به وسیله کاهش تلفات انرژی اصلاح می گردد. یک طراحی مناسب از این نوع از ماشین ها جهت رسیدن به بازده و انرژی سالیانه بالاتر مورد نیاز است. در این پایان نامه مزایا و معایب ژنراتورهای مختلف مغناطیس دائم بررسی شده است. ژنراتور مغناطیس دائم شار شعاعی را به عنوان گزینه انتخابی مبدل انرژی بادی مورد تحلیل قرار گرفت. طراحی بهینه ژنراتور با استفاده تابع هدف های مختلف انجام شد. نتایج بهینه سازی افزایش انرژی سالیانه بالاتر و قیمت و جرم توربین پائین تر را نشان می دهد. در نهایت ژنراتور بهینه طراحی شده به کمک روش المان محدود دو بعدی مورد تایید قرار گرفت.

با توجه به رشد روز افزون مصرف انرژی و زوال پذیری منابع انرژی فسیلی و آلاینده های زیست محیطی ناشی از آنها از یک سو و اهمیت دستیابی به فن آوری های مناسب برای استفاده از منابع انرژی های تجدید پذیر به ویژه انرژی بادی از سوی دیگر نیاز به تدوین روش های علمی و عملی در این زمینه، ضروری به نظر می رسد. از این رو، در راستای توسعه ی توانایی های علمی و تحقیقاتی کشور در حوزه انرژی های نو، به ویژه در جهت بومی سازی فناوری های ساخت توربین های بادی کوچک از نوع پره ساونیوس پژوهش حاضر در تلاش است با ایجاد تغییراتی در شکل آیرودینامیکی، وضعیت قرار گیری و تعداد پره های این نوع توربین بازدهی و گشتاور آن ها را افزایش دهد. بدین منظور مدل هفت نوع پره ساونیوس طراحی شده و با استفاده از اصول دینامیک محاسباتی سیالات (cfd) در محیط نرم افزار fluent6.3 با استفاده از الگوی k-? استاندارد با استفاده از روش محورهای مختصات مرجع چندگانه (mrf) شبیه سازی شده اند. نظر به اینکه در پژوهش حاضر، هدف بهینه سازی عملکرد توربین و افزایش بازدهی آن می باشد، ضریب توان توربین معیاری جهت طراحی در نظر گرفته شده است. در مرحله بعد به منظور تعیین دقت شبیه سازی و اعتبار سازی نتایج آن ها، مدل های ساخته شده در داخل تونل باد آزمایش شده است و در نهایت نتایج شبیه سازی با نتایج آزمایش ها مقایسه شده اند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که بازده بیشینه توربین بهینه طراحی شده 42% است. در حالیکه نتایج آزمایش در تونل باد بازده بیشینه 4/0 را در سرعت باد 8 متر بر ثانیه بدست می دهند. میزان انحراف نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی در این پژوهش 3/7% برآورد شده است.

روند توسعه روزافزون توربین های بادی موجب گردیده است تا در مناطق مختلف با آب و هوا های گوناگون مزارع تولید برق بادی گسترش یابد. اقلیم های متنوع هر کدام خصوصیات خاص خود را دارند که موجب تحمیل شرایط کاری متفاوتی می شود، مناطق گرم و خشک دارای جریان بادی با گردوخاک هستند که برخورد ذرات به سطح باعث از بین رفتن صافی سطح می گرددو در مناطق دیگر نیز چسبیدن حشرات و تشکیل یخ موجب بروز زبری سطح می گردد. ایرفویل های گوناگونی در پره توربین بادی استفاده می گردد که هرکدام خصوصیات آیرودینامیکی خود را دارد. بروز زبری موجب تغییر در مسیر جریان عبوری بر روی سطح ایرفویل می گردد که منجر به تغییر توان خروجی از توربین می گردد. در این پروژه دو ایرفویل s809 و ایرفویلی که در پره توربین های بادی ایران استفاده می شود انتخاب گردید و زبری های 01/0، 1/0، 3/0 و 1 میلی متر مورد شبیه سازی و تحلیل قرار گرفت که با توجه به نتایج حاصل شده از شبیه سازی برای دو ایرفویل مشخص گردید که ایرفویل s809 در شرایط بدون زبری مناسب تر از ایروفویل استفاده شده در ایران است به طوری که ضریب برا برای پروفیل s809 1/1 برابر ایرفویل مورد استفاده در ایران و نسبت ضریب برا به پسای آن 25/1 برابر ایرفویل مورد استفاده در ایران است، اما در حالتی که بخواهد بر روی ایرفویل زبری ایجاد شود رفتار ایرفویل مورد استفاده در ایران نسبت به ایرفویل s809 تاثیرپذیری کمتری از زبری دارد و در برخی زاویه های حمله حتی با وجود زبری، رفتار ایرفویل استفاده شده در ایران بهتر و دارای نسبت ضریب برا به ضریب پسای بالاتر است. کاهش ضریب برا (cl) و نسبت برا به پسا (cl/cd) در ایرفویل استفاده شده در ایران به ترتیب برابر 75/1درصد و 28/9درصد و برای ایرفویل s809 نیز به ترتیب برابر 12/14 درصد و 17/32درصد است. بر پایه این نتایج پیشنهاد می گردد در مناطقی که احتمال ایجاد زبری به هر دلیل کمتر است و اصطلاحا پره تمیزتر می ماند از پروفیل s809 استفاده گردد و در مناطقی که پتانسیل ایجاد زبری بر روی پره بیشتر است همچون مناطق مختلفی از ایران که بدلیل گردوخاک بر روی سطح پره زبری بوجود می آید ایرفویل استفاده شده در ایران حتی با وجود اینکه در حالت عادی نسبت ضریب برا به ضریب پسای کمتری از s809 دارد اما بدلیل کاهش شدید نسبت ضریب برا به پسا در s809، ایرفویل استفاده شده در ایران برای مناطق کویری و خشک با ذرات غبار و حتی مناطق مرطوب ایران که حشرات زیادتر هستند و موجب ایجاد زبری در سطح پره می گردند مناسب تر است.

در این پژوهش ارائه مدل مناسب در شبیه سازی جریان بر روی روتور توربین بادی 660 کیلوواتی ساخت شرکت صبا نیرو برای طراحی مجدد، بومی سازی ساخت، بهینه سازی پره های کامپوزیتی توربین بادی و دستیابی به دانش فنی در صنعت تولید توربین بادی انجام شده است. به منظور تعیین الگوی مناسب در استفاده از مدل های آشفتگی جریان برای شبیه سازی جریان بر روی پره های توربین بادی660 کیلوواتی، برآورد نیروهای آیرودینامیکی (ضرائب درگ و لیفت) بر روی نمونه آزمایشگاهی ساخته شده از قسمتی از پره توربین بادی، با در نظر گرفتن تغییرات شدت آشفتگی جریان آزاد در ورودی تونل باد، مورد مطالعه تجربی قرار گرفته و شبیه سازی سه بعدی جریان حول مدل آزمایشگاهی با استفاده از مدلهای آشفتگی مبتنی بر معادلات ناویر استوکس متوسط گیری شده(rans) و مدل les(شبیه سازی گردابه های بزرگ) در نرم افزار fluent انجام می شود. مقایسه نتایج تحلیل عددی با مقادیر آزمایشگاهی نشان می دهد که مدل lesنسبت به مدل آشفتگی k?? ، برآورد دقیق تری از الگوی جریان حول پره داشته و تاثیر پذیری ضریب لیفت براثر افزایش شدت آشفتگی جریان باد را با دقت بهتری پیش بینی می نماید. همچنین با شبیه سازی توربین بادی 660 کیلوواتی براساس ابعاد واقعی شامل سه پره با طول 23 متر و با در نظرگرفتن محیط اطراف آن، استفاده از مدل آشفتگیles و مدل های دو معادله ای k- ? (استاندارد، rng، realizable) و k-? در برآورد توان خروجی توربین بادی مطالعه شده که بر اساس نتایج بدست آمده، مدل les با منحنی مشخصه توربین بادی تطابق بسیار نزدیکی نشان می دهد.

استفاده از توربین بادی در مناطق شهری برای تولید برق به ویژه بر روی ساختمان ها روش نوینی است که طی چند سال اخیر ‏مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. اگرچه پتانسیل باد در شهر کمتر از مقدار موجود در مناطق فراساحلی و خارج از محیط ‏شهری بوده، ولی مواردی مانند استفاده مستقیم و بدون نیاز به شبکه از انرژی الکتریکی و حذف تلفات انتقال انرژی سبب تمایل ‏بیشتر متخصصین برای گسترش این صنعت شده است. در بین توربین های بادی موجود، استفاده از توربین های محور قائم در ‏ساختمان ها به علت عدم تاثیرپذیری در برابر تغییرات جهت باد، سازگاری با معماری ساختمان و عملکرد بهینه در مقابل جریان ‏مغشوش باد مناسب می باشد. تاریخچه توربین های محور قائم به قرن ها پیش باز می گردد که در ابتدا ایرانیان از توربینی محور ‏قائم موسوم به پرشین برای مصارف کشاورزی استفاده می کردند. در این پژوهش با حفظ مشخصه های اصلی توربین بادی ‏پرشین از قبیل قائم بودن محور و برخورداری از دیواره هدایتگر جریان، الگوی نوین و اصلاح یافته با قابلیت تولید برق در ‏محیط های شهری که نسبت به نمونه های رایج بهینه می باشد، طراحی شده است. بدین منظور یک توربین محور قائم از نوع پسا ‏‏(‏drag‏) طراحی شده و با استفاده از اصول دینامیک محاسباتی سیالات ‏‎(cfd)‎‏ مورد تحلیل قرار گرفته است. شبیه سازی ‏مذکور به کمک نرم افزار ‏fluent6.3‎‏ با استفاده از مدل ‏k-?‏ استاندارد با استفاده از روش محورهای مختصات مرجع چندگانه‎ ‎‎(mrf)‎انجام شده است. نظر به اینکه در این پژوهش بهینه سازی توربین مدنظر بوده است، بازده توربین بادی که توسط کمیتی ‏به نام ضریب توان ‏‎(cp)‎‏ محاسبه می شود معیار طراحی در نظر گرفته شده است. عملکرد توربین طراحی شده به دو شیوه شبیه ‏سازی به روش ‏cfd‏ و دیگری با تحلیل نتایج آزمایشگاهی نمونه در تونل باد تعیین شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد ‏که بارده بیشینه توربین طراحی شده 43% است. در حالیکه نتایج آزمایش در تونل باد بازده بیشینه 39/0 را در سرعت باد 8 متر بر ‏ثانیه ارائه نموده است. میزان انحراف نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی در این پژوهش 3/9% برآورد شده است.‏

در این پایان نامه تحلیلی تجربی به همراه شبیه سازی عددی جهت بررسی عملکرد توربین بادی محورقائم ترکیبی h-روتور سه پره و ساونیوس در دو حالت متفاوت ترکیب انجام شده است. جهت انجام آزمایشات توربین ساخته شده در تونل باد مادون صوت تحت آزمایش قرار گرفت. جهت بررسی صحت و دقت نتایج آزمایشگاهی حاصل شده از اصول دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) استفاده شده است. شبیه سازی مذکور به کمک نرم افزار fluent 6.3 با استفاده از مدل k-? sst و با استفاده از روش محورهای مختصات مرجع چندگانه (mrf)انجام شده است. گشتاور، ضریب توان، توزیع تنش و فشار بر روی پره های توربین مورد مطالعه قرار گرفته اند. نتایج حاکی از آن است که توربین ترکیبی عملکرد بسیار خوبی را داشته و بازده بیشینه 51/0 را هنگام ترکیب در وضعیت قرار گیری روتور ساونیوس در وسط و بازده بیشینه 5/0 در وضعیت قرار گیری روتور ساونیوس در پایین را تجربه کرده است. از سوی دیگر نقص عدم شروع به کار خودکار توربین h-روتور هنگام ترکیب با توربین ساونیوس برطرف می شود.

در این پژوهش تحلیل آماری داده های باد 10 شهرستان استان خوزستان (آبادان، اهواز، آغاجاری، امیدیه، بهبهان، دزفول، شوشتر، ماهشهر، مسجد سلیمان و هندیجان) در یک دوره آماری 10 ساله برای محاسبه پتانسیل انرژی باد انجام شد. سه سیستم تأمین توان پمپاژ (بادی، برقی و دیزلی) از لحاظ پارامتر های فنی، اقتصادی و زیست محیطی مورد مقایسه قرار گرفتند. نتایج نشان داد بیشترین سرعت متوسط باد و چگالی توان سالانه باد در شهرستان هندیجان و کمترین سرعت متوسط و چگالی توان سالانه به ترتیب در شهرستان های دزفول و بهبهان می باشد. سرعت نامی باد دارای بیشترین مقدار در شهرستان آغاجاری با 7/62 متر بر ثانیه و کمترین مقدار در شهرستان اهواز با 5/37 متر بر ثانیه می باشد. با توجه به نمودار گلباد شهرستان ها جهت اصلی بادها در استان خوزستان از غرب به شرق بوده و شدت آن در فصل تابستان بیشتر می باشد. کوتاه ترین دوره بازگشت سرمایه مربوط به شهرستان هندیجان با 1/2 سال و طولانی ترین آن مربوط به بهبهان با 21 سال می باشد. بیشترین میزان صرفه جویی در مصرف سوخت در شهرستان هندیجان با 32 و 49 درصد برای سیستم های برقی و دیزلی و کمترین میزان صرفه جویی سوخت با 9 و 13 درصد به ترتیب برای سیستم برق و دیزل مربوط به شهرستان بهبهان می باشد. بیشترین میزان کاهش در انتشار گازهای آلاینده و صرفه جویی در هزینه های اجتماعی در شهرستان امیدیه و کمترین میزان کاهش در انتشار گازهای آلاینده و صرفه جویی در هزینه های اجتماعی در شهرستان شوشتر می باشد.

پژوهش حاضر در دو بخش انجام شده است در بخش نخست به منظور شناسایی نقاط مناسب جهت نصب توربین بادی، جریان باد بر روی ساختمان شبیه سازی شده و مکان های مستعد جهت نصب توربین بادی شناسایی می شود. در بخش دوم با توجه به ویژگی های جریان روی ساختمان نظیر سرعت باد و شدت توربولانس توربین بادی محور قائم ترکیبی ساونیوس و h - روتور که در پژوهشکده انرژی ساخته شده است به صورت عددی شبیه سازی شده و توان خروجی توربین محاسبه می شود. همچنین به منظور اعتبار سنجی، نتایج با آزمایش تونل باد مقایسه می شود. شبیه سازی های سه بعدی جریان با استفاده از مدل های آشفتگی مبتنی بر معادلات ناویر-استوکس متوسط گیری شده ( rans )در نرم افزار fluent 6.3 انجام می شود. برای ساختمان از مدل k-? rng و در شبیه سازی توربین بادی از مدل k-? sst استفاده شده است. نتایج پژوهش نشان می دهد که در صورت نصب توربین بادی در مکان مناسب می توان بخش از نیازانرژی ساختمان را با استفاده از توربین های بادی تامین کرد.