چگونه باله های جذب شده گرداب هاب (HAVF) راندمان توربین بادی را بهبود می بخشند؟

گرداب هاب در توربین های بادی چیست و چرا کارایی را کاهش می دهد؟

برای درک اینکه چگونه باله های جذب گرداب هاب در کار (HAVF)، ابتدا باید مشکلی را که آنها حل می‌کنند شناسایی کنیم: گردابه‌های هاب - یک پدیده رایج جریان هوا که انرژی را هدر می‌دهد و عملکرد توربین بادی را محدود می‌کند.

گرداب های هاب زمانی تشکیل می شوند که باد در اطراف هاب مرکزی توربین (ساختاری که پره های روتور را به ناسل متصل می کند) جریان می یابد. همانطور که باد از سطح توپی عبور می کند، تغییر ناگهانی جهت جریان هوا (از حرکت از کنار توپی کند تا جریان بر روی ریشه های تیغه) یک الگوی چرخشی و چرخشی جریان هوا ایجاد می کند - شبیه به یک گردباد کوچک. این گرداب ها دو تأثیر منفی کلیدی بر کارایی دارند:

اتلاف انرژی از طریق آشفتگی جریان هوا: گرداب های هاب جریان هوای صاف و آرامی را که پره ها برای جذب انرژی باد به آن نیاز دارند، مختل می کنند. به جای جریان یکنواخت روی سطوح تیغه (جایی که می توان آن را به نیروی چرخشی تبدیل کرد)، هوا به گرداب های چرخشی منحرف می شود. مطالعات نشان می‌دهد که این گرداب‌ها می‌توانند 5 تا 8 درصد از کل انرژی باد را که در غیر این صورت توسط روتور مهار می‌شود، هدر دهند - معادل کاهش قابل‌توجه در تولید انرژی سالانه (AEP) برای توربین‌های مقیاس شهری.
افزایش کشش آیرودینامیک بر روی تیغه ها: حرکت چرخشی گردابه های هاب باعث ایجاد کشش اضافی روی ریشه های تیغه می شود (بخشی از تیغه که نزدیک ترین قسمت به هاب است). این کشش برخلاف چرخش روتور عمل می‌کند و توربین را مجبور می‌کند انرژی بیشتری برای غلبه بر مقاومت مصرف کند. با گذشت زمان، این کشش اضافی همچنین سایش بلبرینگ های تیغه و پیشرانه را تسریع می کند و هزینه های تعمیر و نگهداری را افزایش می دهد.
بارهای ناپایدار روی روتور: گرداب های هاب ایستا نیستند - قدرت و موقعیت آنها با سرعت و جهت باد در نوسان است. این باعث ایجاد بارهای ناپایدار و نوسانی بر روی پره ها و توپی می شود که منجر به آسیب خستگی (به عنوان مثال، ترک در ریشه پره ها) و کاهش طول عمر عملیاتی توربین می شود.

برای توربین های مدرن در مقیاس بزرگ (با قطر روتور بیش از 150 متر)، گردابه هاب یک مسئله بزرگتر است. هر چه توپی بزرگتر باشد (برای پشتیبانی از تیغه های بلندتر مورد نیاز است)، اختلال در جریان هوا بارزتر است و اتلاف انرژی بیشتر است. HAVF به طور خاص برای کاهش این اثرات با هدف قرار دادن منبع گرداب ها طراحی شده است.

ساختار و اصل کاری HAVF چیست؟

باله های جذبی گرداب هاب (HAVF) باله های کوچک و به شکل آیرودینامیکی هستند که مستقیماً روی توپی توربین بادی نصب می شوند، معمولاً در نزدیکی پایه ریشه های تیغه ها (جایی که گردابه های هاب منشا می گیرند). طراحی و محل قرارگیری آنها به گونه ای طراحی شده است که گرداب های هاب را قبل از اینکه بتوانند جریان هوا را روی پره ها مختل کنند، رهگیری، تغییر مسیر داده و از بین ببرند.

1. ویژگی های ساختاری کلیدی HAVF

شکل آیرودینامیک: HAVF به جای یک شکل صاف یا صاف، با یک پروفیل ساده و ایرفویل مانند (شبیه به یک بال هواپیمای کوچک) طراحی شده است. این به آن‌ها اجازه می‌دهد بدون ایجاد کشش اضافی با جریان هوا تعامل داشته باشند که برای جلوگیری از تلفات جدید کارایی بسیار مهم است. باله ها اغلب منحنی هستند تا با سطح استوانه ای توپی مطابقت داشته باشند و از تماس نزدیک و حداکثر پوشش ناحیه مستعد گرداب اطمینان حاصل کنند.

تعداد و محل قرارگیری: اکثر سیستم های HAVF از 3 تا 6 باله استفاده می کنند که به طور مساوی در اطراف توپی قرار دارند (یک باله در نزدیکی هر ریشه تیغه، به اضافه باله های اضافی در صورت نیاز). این قرارگیری متقارن تضمین می کند که تمام مناطق هاب که در آن گرداب ها شکل می گیرند، آدرس دهی می شوند. باله ها در زاویه کمی (15 تا 25 درجه نسبت به محور توپی) نصب می شوند تا توانایی آنها برای تغییر جهت جریان هوای چرخشی بهینه شود.

جنس و اندازه: HAVF معمولاً از مواد سبک وزن و با استحکام بالا مانند فیبر کربن یا پلاستیک تقویت‌شده با شیشه (GRP) ساخته می‌شود. اندازه آنها به قطر توپی توربین بستگی دارد - برای توپی با قطر 3 متر، باله ها ممکن است 0.5-1 متر طول و 0.2-0.3 متر عرض داشته باشند، به اندازه ای بزرگ که بتوانند گرداب ها را قطع کنند اما به اندازه کافی کوچک هستند تا از اضافه کردن وزن بیش از حد یا مقاومت در برابر باد جلوگیری کنند.

2. اصل کار اصلی: رهگیری و اتلاف گرداب

HAVF کارایی را از طریق سه اقدام متوالی که گردابه های هاب را هدف قرار می دهد بهبود می بخشد:

مرحله 1: رهگیری تشکیل گرداب: همانطور که باد به سمت هاب جریان می یابد، HAVF به عنوان "موانع جریان هوا" عمل می کند که شرایط لازم برای تشکیل گردابه ها را مختل می کند. باله ها هوای ورودی را به دو جریان تقسیم می کنند: یکی که به آرامی روی سطح ایرفویل باله جریان دارد (با اجتناب از چرخش) و دیگری که از ریشه های تیغه ها دور می شود. این گردابه های هاب بزرگ و قدرتمند را به گرداب های کوچکتر و ضعیف تر تقسیم می کند که راحت تر از بین می روند.

مرحله 2: تغییر جهت جریان هوای چرخشی: برای هر گرداب کوچکی که تشکیل می‌شود، قرارگیری زاویه‌دار HAVF و شکل ایرفویل، هوای چرخشی را به یک الگوی جریان آرام (صاف) هدایت می‌کند. به جای اینکه هوا در اطراف توپی بچرخد، باله ها آن را به سمت بیرون و به سمت نوک تیغه ها فشار می دهند - آن را با جریان هوای طبیعی روی تیغه ها هماهنگ می کنند. این تغییر جهت تضمین می کند که هوا به جای مخالفت با آن، به چرخش تیغه کمک می کند.

مرحله 3: از بین بردن گرداب های باقی مانده: شکل کارآمد HAVF همچنین با کاهش انرژی چرخشی آنها به از بین بردن گرداب های کوچک باقی مانده کمک می کند. همانطور که هوا بر روی سطح باله جریان دارد، اصطکاک بین th

هوا و مواد صاف باله، حرکت چرخشی را کند می کند و انرژی جنبشی گرداب را به حداقل گرما (به جای انرژی هدر رفته باد) تبدیل می کند.

با ترکیب این سه عمل، HAVF علت اصلی اتلاف انرژی مربوط به هاب را از بین می‌برد: چرخش غیرمولد هوا که در غیر این صورت تیغه‌ها را دور می‌زند یا کشش ایجاد می‌کند.

چگونه HAVF به طور مستقیم معیارهای بهره وری توربین بادی را افزایش می دهد؟

تأثیر HAVF بر راندمان توربین بادی در معیارهای عملکرد کلیدی قابل اندازه‌گیری است که برای توربین‌های مقیاس کاربردی و مقیاس کوچک مهم است. این پیشرفت‌ها مستقیماً از توانایی باله‌ها برای کاهش تلفات انرژی و کشش ناشی از گرداب ناشی می‌شود.

1. افزایش تولید سالانه انرژی (AEP)

مهم ترین مزیت HAVF افزایش قابل اندازه گیری AEP است - مقدار کل برقی که یک توربین در یک سال تولید می کند. آزمایش‌های میدانی روی توربین‌های مقیاس شهری (ظرفیت ۲ تا ۴ مگاوات) نشان داده‌اند که HAVF می‌تواند بسته به شرایط باد AEP را ۳ تا ۷ درصد افزایش دهد. به عنوان مثال:

یک توربین 3 مگاواتی که در یک سایت باد متوسط (متوسط سرعت باد 7 تا 8 متر بر ثانیه) کار می‌کند، معمولاً 8000 مگاوات ساعت در سال تولید می‌کند. با استفاده از HAVF، این میزان می تواند به 8560 مگاوات ساعت در سال افزایش یابد که افزایشی معادل 560 مگاوات ساعت، معادل تامین برق 50 خانوار متوسط ​​در سال.

افزایش AEP در مکان‌هایی با شرایط باد متلاطم (به عنوان مثال، مناطق تپه‌ای یا ساحلی)، که در آن گرداب‌های هاب قوی‌تر هستند، آشکارتر است. در این محیط ها، HAVF می تواند با تثبیت جریان هوا، AEP را تا 9 درصد افزایش دهد.

2. کاهش کشش آیرودینامیک روی تیغه ها

با از بین بردن گردابه های هاب، HAVF کشش روی ریشه های تیغه را 15 تا 25 درصد کاهش می دهد. این کاهش درگ به این معنی است که روتور می تواند آزادانه تر بچرخد و برای رسیدن به توان نامی خود به سرعت باد کمتری نیاز دارد. به عنوان مثال:

یک توربین بدون HAVF ممکن است به سرعت باد 12 متر بر ثانیه برای رسیدن به توان نامی 3 مگاوات خود نیاز داشته باشد. با استفاده از HAVF، این آستانه می تواند به 11 متر بر ثانیه کاهش یابد و به توربین اجازه می دهد بیشتر اوقات با ظرفیت کامل کار کند (به ویژه در مکان هایی با سرعت باد متغیر).

کشش کمتر همچنین بار روی پیشرانه و ژنراتور توربین را کاهش می‌دهد، طول عمر آن‌ها را افزایش می‌دهد و زمان تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهد و به طور غیرمستقیم راندمان طولانی‌مدت را افزایش می‌دهد.

3. بهبود عملکرد آیرودینامیک تیغه

گردابه های هاب جریان هوا را بر روی ریشه های تیغه که برای ایجاد بالابر (نیروی چرخاندن روتور) حیاتی هستند، مختل می کنند. با صاف کردن جریان هوا در این ناحیه، HAVF اطمینان حاصل می کند که ریشه های تیغه با بازده آیرودینامیکی مطلوب خود کار می کنند. آزمایش‌های تونل باد نشان می‌دهد که HAVF می‌تواند نسبت بالابر به درگ (معیار کلیدی عملکرد تیغه) را 8 تا 12 درصد در ریشه تیغه افزایش دهد که به معنای نیروی چرخشی بیشتر برای همان سرعت باد است.

برای تیغه‌هایی با طرح‌های پیچیده (مانند پروفیل‌های منحنی یا پیچ‌خورده)، این بهبود حتی ارزشمندتر است. HAVF به حفظ الگوی جریان هوای مورد نظر تیغه کمک می‌کند و از «ایستادگی» (از دست دادن لیفت) که می‌تواند زمانی رخ دهد که گرداب‌ها عملکرد ایرفویل را مختل کنند، جلوگیری می‌کند.

4. بارهای روتور تثبیت شده

همانطور که قبلا ذکر شد، گردابه های هاب بارهای ناپایدار روی روتور ایجاد می کند. طبق داده های تولیدکنندگان توربین، HAVF این نوسانات بار را 20 تا 30 درصد کاهش می دهد. بارهای تثبیت شده دو مزیت کارایی دارند:

کاهش آسیب خستگی: نوسان کمتر به معنی چرخه استرس کمتر بر روی پره‌ها، توپی و پیشرانه است که در برخی موارد عمر عملیاتی توربین را از 20 سال به 22 تا 23 سال افزایش می‌دهد. این امر نیاز به تعویض اولیه قطعات را کاهش می دهد و هزینه های چرخه عمر را کاهش می دهد.

یکپارچه سازی شبکه بهبود یافته: چرخش ثابت تر روتور منجر به خروجی توان پایدارتر می شود و نوسانات برق عرضه شده به شبکه را کاهش می دهد. این امر به ویژه برای توربین‌هایی در مقیاس شهری که الزامات پایداری شبکه سخت‌گیرانه است، مهم است.

چه نوع توربین های بادی و محیط هایی از HAVF بیشتر سود می برند؟

در حالی که HAVF می تواند کارایی بیشتر توربین های بادی را بهبود بخشد، انواع خاصی و محیط های عملیاتی بیشترین سود را دارند. این به این دلیل است که گرداب‌های هاب در سناریوهای خاص بارزتر هستند و HAVF را به ارتقای تأثیرگذارتری تبدیل می‌کنند.

1. توربین های کاربردی در مقیاس بزرگ (2 مگاوات)

توربین های بزرگ با پره های بلند (100 متر) به هاب های بزرگتری برای تحمل وزن و گشتاور پره نیاز دارند. این هاب‌های بزرگ‌تر گرداب‌های قوی‌تر و مخرب‌تری ایجاد می‌کنند که HAVF را به‌ویژه مؤثر می‌سازد. به عنوان مثال:

توربین های بادی دریایی (که اغلب 4 تا 10 مگاوات با قطر روتور بیش از 200 متر هستند) به طور قابل توجهی از HAVF سود می برند. بادهای دریایی قوی و ثابت هستند، اما هاب های بزرگ این توربین ها انرژی بیشتری را از طریق گرداب ها هدر می دهند. داده های میدانی از مزارع بادی فراساحلی نشان می دهد که HAVF می تواند AEP را 6 تا 7 درصد برای این توربین ها افزایش دهد.

توربین‌های خشکی در مناطق مسطح و باز (مثلاً دشت‌ها) نیز شاهد دستاوردهای قوی هستند - این مکان‌ها بادهای ثابتی دارند که تشکیل گرداب را تقویت می‌کند و اثر پراکنده گرداب HAVF را تأثیرگذارتر می‌کند.

2. توربین ها در محیط های باد متلاطم

محیط‌های دارای باد متلاطم (مانند زمین‌های تپه‌ای، مناطق جنگلی یا مناطق ساحلی با تندباد) گرداب‌های ناپایدار تری را ایجاد می‌کنند. در این تنظیمات، توانایی HAVF برای تثبیت جریان هوا بسیار مهم است:

توربین‌ها در مناطق کوهستانی اغلب «تندباد» را تجربه می‌کنند.

بادهایی که به سرعت تغییر جهت می دهند. HAVF بارهای ناپایدار ناشی از این تندبادها را کاهش می دهد و از افت راندمان ناشی از توقف تیغه یا نوسان روتور جلوگیری می کند.

توربین‌های ساحلی با تلاطم باد ناشی از امواج و زمین‌های ساحلی مواجه هستند. HAVF به حفظ جریان هوای صاف حتی در این شرایط کمک می کند و از خروجی توان ثابت اطمینان می دهد.

3. توربین های قدیمی با طرح های هاب آیرودینامیک کمتر

بسیاری از توربین‌های بادی قدیمی (که قبل از سال 2010 نصب شده‌اند) طرح‌های هاب ساده‌تری دارند که مستعد تشکیل گرداب هستند. مقاوم سازی این توربین ها با HAVF یک راه مقرون به صرفه برای افزایش راندمان بدون تعویض کل روتور یا هاب است. به عنوان مثال:

یک توربین 1.5 مگاواتی متعلق به دوره 2010 با هاب کند ممکن است 4500 مگاوات ساعت در سال تولید کند. بهسازی با HAVF می تواند این میزان را به 4770 مگاوات ساعت در سال افزایش دهد (افزایش 6 درصد - هزینه بسیار کمتری نسبت به جایگزینی توربین با مدل جدیدتر).

4. توربین با تیغه های گام ثابت

تیغه های گام ثابت (تیغه هایی که زاویه خود را با سرعت باد تنظیم نمی کنند) به اختلالات جریان هوا مانند گردابه هاب حساس تر هستند. بر خلاف تیغه های گام متغیر (که می توانند برای جبران تلاطم تنظیم شوند)، تیغه های گام ثابت برای حفظ کارایی به جریان هوای ثابت متکی هستند. HAVF به تثبیت جریان هوا برای این توربین ها کمک می کند و تلفات راندمان را در طول تغییرات سرعت باد کاهش می دهد.

ملاحظات عملی برای نصب HAVF چیست؟

در حالی که HAVF مزایای کارایی واضحی را ارائه می دهد، اجرای موفقیت آمیز آنها به پرداختن به عوامل عملی مانند نصب، نگهداری و مقرون به صرفه بودن بستگی دارد. این ملاحظات تضمین می کند که سود حاصل از HAVF بر هر گونه هزینه های مرتبط یا چالش های عملیاتی برتری دارد.

1. الزامات نصب

مقاوم سازی در مقابل توربین های جدید: HAVF را می توان بر روی توربین های موجود بهسازی کرد یا در طول ساخت نصب کرد. برای مقاوم سازی نیاز به خاموش شدن توربین به مدت 1 تا 2 روز (برای نصب پره ها بر روی توپی) است که در مقایسه با سایر ارتقاء بهره وری (به عنوان مثال، تعویض تیغه ها که ممکن است یک هفته یا بیشتر طول بکشد) زمان خاموشی حداقلی است. برای توربین های جدید، HAVF در طراحی هاب در طول تولید ادغام می شود و زمان نصب اضافی را اضافه نمی کند.

وزن و تعادل: HAVF حداقل وزن را به هاب اضافه می کند (معمولاً 50 تا 100 کیلوگرم برای یک توربین 3 مگاواتی)، که به خوبی در ظرفیت وزنی توربین است. سازندگان اطمینان حاصل می کنند که باله ها به طور متقارن برای حفظ تعادل روتور قرار گرفته اند - برای جلوگیری از ارتعاش اضافی یا مشکلات بار بسیار مهم است.

2. نیازهای تعمیر و نگهداری

طراحی کم تعمیر و نگهداری: HAVF از مواد بادوام (فیبر کربن، GRP) ساخته شده است که در برابر هوا، خوردگی و آسیب UV مقاومت می کند. آنها به هیچ گونه تعمیر و نگهداری منظم فراتر از بازرسی های بصری سالانه (برای بررسی ترک یا اتصالات شل) نیاز ندارند. در محیط های دریایی، که آب شور می تواند باعث خوردگی شود، HAVF با مواد ضد خوردگی پوشش داده می شود تا طول عمر آنها را به 15 تا 20 سال افزایش دهد (مطابق با عمر مورد انتظار توربین).

تأثیر بر تعمیر و نگهداری موجود: HAVF در تعمیر و نگهداری معمولی توربین تداخلی ایجاد نمی کند (به عنوان مثال، بازرسی تیغه ها، تعویض روغن). قرار گرفتن آنها در نزدیکی ریشه های تیغه بدون ایجاد اختلال در سایر اجزا قابل دسترسی است و بازرسی را سریع و آسان می کند.

3. مقرون به صرفه بودن

بازگشت سرمایه (ROI): هزینه HAVF بر اساس اندازه توربین متفاوت است، اما معمولاً از 30000-10 در هر توربین متغیر است. با افزایش AEP 3-7٪، دوره بازگشت سرمایه 2 تا 4 سال برای اکثر توربین های مقیاس شهری است. به عنوان مثال:

یک توربین 3 مگاواتی با هزینه HAVF \(20000 480 مگاوات ساعت اضافی در سال تولید می کند (6٪ سود AEP). با قیمت عمده فروشی برق 50/MWh، این به 24000 دلار درآمد سالانه اضافی ترجمه می شود که هزینه HAVF را در کمتر از یک سال پوشش می دهد.

مقایسه با سایر ارتقاءها: HAVF نسبت به سایر ارتقاءهای راندمان مانند مقاوم سازی تیغه ها (که برای هر توربین 100,000–\) 500,000 هزینه دارد) یا ارتقاء ناسل مقرون به صرفه تر هستند. آنها همچنین خطر کمتری در مورد مسائل عملیاتی دارند، زیرا اجزای حیاتی مانند پیشرانه یا ژنراتور را تغییر نمی دهند.

با پرداختن به این ملاحظات عملی، HAVF به عنوان یک راه حل کم خطر و با پاداش بالا برای افزایش کارایی توربین بادی - به ویژه در محیط های گردابی در مقیاس بزرگ که تلفات انرژی از گردابه های هاب بسیار مهم است، ظاهر می شود.

به طور خلاصه، باله های جذب شده گرداب هاب (HAVF) با هدف قرار دادن و حذف گردابه های هاب، کارایی توربین بادی را بهبود می بخشد - جریان هوای چرخشی که انرژی را هدر می دهد، نیروی کشش را افزایش می دهد و بارهای ناپایدار ایجاد می کند. از طریق طراحی آیرودینامیکی و قرارگیری استراتژیک، HAVF این گرداب‌ها را رهگیری، تغییر مسیر داده و از بین می‌برد که منجر به افزایش قابل اندازه‌گیری در AEP، کاهش درگ و تثبیت عملکرد روتور می‌شود. برای توربین‌های در مقیاس کاربردی، فراساحلی یا قدیمی‌تر، HAVF روشی مقرون‌به‌صرفه و کم‌هزینه برای باز کردن پتانسیل انرژی باد استفاده نشده ارائه می‌دهد.