Optimization and CFD analysis of wind-powered water pump system/ar

يُعد الوصول إلى المياه الآمنة مشكلة تواجه 884 مليون شخص حول العالم، وينبع جزء من هذه المشكلة من عدم القدرة على ضخ المياه من الآبار وصعوبة نقل المياه من منطقة إلى أخرى. إن التصميم المحسن للشفرات في مضخات المياه التي تعمل بطاقة الرياح لديه القدرة على التخفيف من هذه الصعوبات. وقد بحث هذا التحليل في تصميمات شفرات توربينات الرياح المحسنة التي تدور فيها الشفرات بعيدًا عن الرياح عندما لا تكون قيد الاستخدام. وباستخدام المواد والعمالة المحلية، وجد أن تكلفة التصميم أقل من أجر يومين في مناطق جنوب آسيا التي سيتم بناؤها فيها. ووجد تحليل ديناميكيات السوائل الحسابية المقارن أنه يمكن زيادة عزم الدوران بمقدار 2.35 من خلال عاملين ناتجين عن محاور الشفرات: الأول هو تقليل السحب على الشفرات غير المستخدمة، والثاني هو زيادة عزم دوران الشفرات المنتجة للطاقة بسبب زيادة توفر الرياح. كما تم إجراء إثبات المفهوم من أجل تأكيد النماذج الحسابية.

نظرة عامة

الغرض من هذه الصفحة هو توفير تحليل هندسي لأنظمة مضخات المياه التي تعمل بطاقة الرياح الموجودة مسبقًا في العالم النامي. وقد تم بالفعل التحقيق في هذه الأجهزة، المعروفة باسم مضخات الرياح ، ولكن لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به في التحسين والتطوير. تاريخيًا، تم استخدام طاقة الرياح لأول مرة في الأنظمة الميكانيكية لضخ المياه ولا تزال تستخدم لهذا الغرض في جميع أنحاء العالم النامي. ^{[ 1 ]} بشكل عام، يتم بناء الأنظمة في العالم النامي من قبل الأفراد أو المجتمعات باستخدام المواد المتاحة: وبالتالي، قد يكون من غير الممكن وغير الفعال إنشاء تصميم لمضخة الرياح باستخدام الأجزاء المتوفرة فقط في العالم الغربي. لذلك، تم إجراء التحليل التالي باستخدام الأبعاد وارتباطات سرعة الرياح العامة فقط والتي يمكن استخدامها في أي منطقة جغرافية، شريطة أن يرى أعضاء المجتمع استخدام وتأثيرات التحليل مناسبة. تخضع التصميمات الموجودة في هذا التحليل أيضًا لقيود وقت المواد والعمالة: يُترك التصميم للمنشئ لتعديله كما يراه مناسبًا. وبالتالي، لا يتضمن النطاق تعليمات للبناء المحلي للشفرات.

يتكون التحليل الذي تم إجراؤه من جزأين:

الخلفية ومراجعة الأدبيات

المياه

في عام ١٩٩٥، كان ١.١٧ مليار شخص يفتقرون إلى مياه الشرب الآمنة. ^{[ ٢ ]} ويشهد الوصول إلى مياه الشرب في العالم تحسنًا ملحوظًا، ومن المتوقع أن يصل إلى هدف الألفية الإنمائي المتمثل في حصول ٨٨٪ من السكان على مياه شرب آمنة بحلول عام ٢٠١٥. ومع ذلك، لا يزال ٨٨٤ مليون شخص يفتقرون إلى القدرة على تلبية هذه الحاجة الإنسانية الحيوية. ويوضح الشكل ١ أدناه توزيعًا إقليميًا لهذا العدد. ^{[ ٣ ]}

لأن المضخات ضرورية لتوفير مياه الشرب عندما تكون المياه السطحية ملوثة أو بعيدة، فإن الطاقة ضرورية لتوفير مياه شرب آمنة في بعض مناطق العالم. وقد اقتُرحت طاقة الرياح كمصدر طاقة متجدد ومستدام وسلبي لنقل المياه إلى المناطق التي تحتاجها. ^{[ 4 ]} كما استُخدمت في العديد من المشاريع لتوفير مياه شرب آمنة. ^{[ 5 ]}

يُعدّ توافر مصادر المياه بالغ الأهمية لتحسين استخدام مصادر المياه الآمنة عالميًا. وكما ورد في برنامج "الماء من أجل الحياة" التابع لمنظمة الصحة العالمية، فإن "انقطاعات إمدادات مياه الشرب، سواءً بسبب انقطاع المصادر أو نتيجةً لعدم كفاءة الهندسة، تُعدّ عاملًا رئيسيًا في تحديد إمكانية الحصول على مياه الشرب وجودتها". ^{[ 6 ]} عند تصميم توربينات الرياح لضخ المياه، يجب مراعاة عاملين هندسيين. أولًا، يجب وضع التوربين في منطقة تكون فيها سرعة الرياح ثابتة على مدار اليوم وعلى مدار الفصول. ثانيًا، يجب تصميم توربين قادر على استخدام الرياح من أي اتجاه، والعمل بسرعات رياح منخفضة.

الرياح

لقد تم استخدام طاقة الرياح لضخ المياه في مشاريع التنمية منذ سبعينيات القرن العشرين، ^{[ 4 ]} وكان العمل في هذا المجال مدفوعًا بشكل متزايد بارتفاع أسعار الوقود الأحفوري. وعلى وجه الخصوص، ركزت أعمال التصميم على توربينات الرياح ذات المحور الرأسي نظرًا لبساطتها وتكلفتها المنخفضة ومزايا توفر الطاقة الدورانية في المحور. ^{[ 5 ]} وفي حين توفر هذه التوربينات كمية منخفضة نسبيًا من الطاقة بسبب قيود كثافة الطاقة في طاقة الرياح، إلا أنها يمكن أن توفر ما بين 3 و5 أمتار من الرأس في نظام المياه، وهو أكثر من كافٍ للضخ الرأسي أو الأفقي. ^{[ 5 ]} ومع ذلك، من أجل تقديم خدمة مثالية، يجب وضع توربين الرياح في منطقة عاصفة باستمرار. يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول تحديد موقع توربينات الرياح في دليل تحديد موقع توربينات الرياح .

تُحدَّد كمية المياه المُضخَّة والارتفاع الذي يُمكن ضخُّها إليه بقوة توربين الرياح. تُستمد الطاقة المُتاحة من الرياح باستخدام أنبوب تيار يمرُّ عبر المنطقة المُكْنَسة من توربين الرياح. تُعطى الطاقة الكلية بالمعادلة التالية:

ص=(12)ρيوو3أ2 

أين:

P هي القدرة المتاحة،

ρهي كثافة الهواء،

يوو3هي سرعة الرياح، و

أ2هي المنطقة التي تغطيها توربينات الرياح

مع ذلك، تفترض هذه المعادلة أن جميع الطاقة الحركية تُستعاد من الهواء، وهو أمر غير صحيح في الواقع. يُظهر قانون بيتز أنه نظرًا لضرورة احتفاظ الهواء بطاقة حركية كافية لمغادرة التوربين، يُمكن لريشة مثالية استخلاص 59.3% من طاقة الرياح كحد أقصى. للمزيد من المعلومات حول قانون بيتز، يُرجى زيارة مقالة ويكيبيديا حول هذا الموضوع. تُعطى الكمية الفعلية للطاقة من توربين الرياح بالمعادلة التالية:

ص=(12)جصρيوو3أ2 

أينجصهو مُعامل قدرة الدوار. يُحدد هذا المُعامل مقدار الطاقة المُتاحة لآلية الضخ، ولذلك يجب تعظيمه.

كما ذُكر سابقًا، تُوفر توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs) العديد من المزايا في مجال ضخ المياه.جصيمكن تحسين كفاءة توربينات الرياح ذات المحور الأفقي في الارتفاعات العالية بشكل أفضل باستخدام توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (والتي تُستخدم في المواقع الأكبر). كما يمكن استخدام توربينات الرياح ذات المحور الرأسي في سرعات الرياح المنخفضة، والمناطق العاصفة، والمناطق التي قد تأتي منها الرياح من أي اتجاه. وبالتالي، فهي تلبي متطلبات أنظمة ضخ المياه. لذلك، سيركز هذا التحليل على تحسين توربينات الرياح ذات المحور الرأسي صغيرة الحجم.

النطاق

الهدف العام لهذا المشروع هو تحسين توربينات الرياح التي تُبنى محليًا لاستخدامها في ضخ المياه. ولتحقيق أقصى قدر من الفعالية من خلال التحليل الهندسي المُركّز، ركّز المشروع على تصميم ونمذجة دوار مُبتكر لمضخات الرياح. أُجريت دراسة إثبات المفهوم وتحليل السوائل الحسابية للدوار للتأكد من أن الابتكارات الأساسية في التصميم ستعمل على النحو المطلوب. ومع ذلك، اتبع هذا المشروع مبادئ التصميم المُستدام قدر الإمكان، ولذلك يجب مراعاة المواد والخبرات المحلية عند توسيع نطاق التصميم من مرحلة إثبات المفهوم إلى نظام كامل النطاق. لذلك، كان الهدف الرئيسي من هذا التحليل توفير أعمال هندسية أولية لمساعدة الحرفيين المحليين على ابتكار تصاميم تقع على عاتقهم مسؤولية تنفيذها.

التصميم المحدد

تم اختيار التصميم بناءً على مبادئ الهندسة المستدامة. وبينما كان على التصميم أن يؤدي وظيفته الأساسية المتمثلة في تجميع الطاقة اللازمة لضخ المياه، كان لا بد من بنائه بطريقة مستدامة قدر الإمكان. خارج الإطار الاقتصادي، تم مراعاة عاملين: البيئي والاجتماعي. ونظرًا لقيود التصميم في الدول النامية، حيث لا يتوفر التصنيع الحديث دائمًا، كان اختيار المواد هو المحرك لعملية التصميم: حيث تم اختيار المادة أولًا، ثم أُنشئ التصميم المادي، معتمدًا بشكل كبير على خصائص المادة.

تم تناول الاعتبارات البيئية باستخدام مبادئ الهندسة الخضراء. ^{[ 7 ]} وعلى وجه الخصوص، عند تطبيقها على تصميم توربينات الرياح للاستخدام في الدول النامية، يجب أن يتبع التصميم المقترح الإرشادات التالية بأكبر قدر ممكن من الدقة:

أثرت التأثيرات المجتمعية على التصميم بالطرق التالية:

وبناءً على ذلك، تم اختيار الخيزران كمواد لغالبية توربينات الرياح ذات المحور الرأسي. تُستخدم هذه المادة في العديد من أجزاء جنوب آسيا والعالم النامي كمواد بناء، وتنمو بسرعة كافية لتُعتبر متجددة إذا تم حصادها بطريقة مستدامة. ^{[ 8 ]} كما سيتم تصميم التوربين بالكامل للاستفادة من الانحناء الطبيعي لسيقان الخيزران، والتي يمكن أن يصل قطرها إلى 0.37 متر ^{[ 9 ]} وبالتالي ستكون كبيرة بما يكفي لصنع توربين رياح. بالإضافة إلى ذلك، من خلال استخدام فتحات مقطوعة في الخيزران لبناء الجهاز، يمكن تقليل تنوع المواد ويمكن تطوير المهارات الحرفية الماهرة.

يتميز الخيزران ببنية دائرية مجوفة، ^{[ 9 ]} ولذلك صُمم التوربين للاستفادة من هذا الشكل. يظهر تصميم توربين الرياح ذي المحور الرأسي في الشكل 2 أدناه.

صُنعت شفرات التصميم الثلاث بقطع الجزء العلوي والسفلي من ساق الخيزران، ثم تقسيم القطعة المتبقية إلى ثلاثة أجزاء على طول محورها. لتقليل مقاومة الهواء على "الشفرات العائدة" (التي تُشكّل مقاومةً عند تحركها نحو الريح)، صُممت وصلات الشفرات بالمحور بحيث تدور. امتد نطاق الدوران بين وضع الفتح الكامل حيث يُعزّز التقاط الرياح إلى أقصى حد، ووضع الإغلاق الكامل حيث تُطوى الشفرات داخل المحور، مما يُقلل مقاومة الهواء. ضمن التصميم السليم للمحاور عدم تجاوز الشفرات وضع الفتح الكامل.

صُممت الشفرات لتمتد بحيث تُعزز التقاط الرياح في وضع الفتح الكامل. وهكذا، امتد الخط من المحور إلى طرف الشفرة بشكل مستقيم من المحور، كما هو موضح في الشكل 3.

استخدام المواد

في حين يتم ترك استخدام المواد وتفاصيل البناء للحرفي أو العمل الإضافي في هذا المجال، فإن الاقتراحات هي كما يلي:

بالإضافة إلى هذه المواد، يجب تركيب مضخة مياه ذات محرك دوار (كما هو موضح أعلاه) أو مولد كهربائي في أسفل التوربين. وبما أن هذا التحليل يقتصر على تحسين الشفرات فقط، فسيحتاج الحرفي إلى تحديد حجم المضخة وتحديد حجمها بشكل مناسب.

إثبات المفهوم

أُجريت تجربة تجريبية لإثبات فعالية الشفرات الدوارة عمليًا ونظريًا. صُنع الجهاز من علبة مشروبات غازية وشماعة ملابس، وتضمّن ثلاث شفرات دوارة. يظهر الجهاز كاملًا في الشكل 4 أدناه.

من المهم ملاحظة أن الشفرات مُنعت من الدوران للأمام باستخدام أجزاء ممتدة من العلبة. في تصميم كامل الحجم، يمكن استخدام قطع صغيرة من الخيزران أو وصلة محورية مناسبة لتحقيق نفس التأثير. يوضح الشكل 5 امتدادات العلبة بالتفصيل.

يتوفر أيضًا عبر الإنترنت مقطع فيديو قصير يوضح كيفية عمل الدوار .

ديناميكيات

استُخدم تحليل ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) لتحديد الطاقة الإضافية الناتجة عن نظام الشفرات الجديد، وأنماط التدفق حولها، والتحسينات الممكنة للتصميم. لبدء التحليل، تم بناء نموذج متين كما هو موضح في الشكلين 2 و3. وتم إنشاء شبكة باستخدام دوال الحجم على الرؤوس والأوجه القصيرة لإظهار أدق تحليل في المناطق ذات التدفق المضطرب أو المعقد. تظهر هذه الشبكة في الشكل 6 أدناه.

لاحظ زيادة كثافة الشبكة حول حواف التصميم، وخاصةً الرؤوس. أُجري هذا التحليل لحالتين منفصلتين: إحداهما بتصميم توربيني عمودي تقليدي، والأخرى بشفرات دوارة. ثم أُجريت أربعة تحليلات على كل حالة. قارن التحليل الأول مسارات السرعة، التي تُظهر سرعة واتجاه جسيمات السوائل أثناء مرورها بكلا الدوارين. في الصور أدناه، تتدفق الرياح من يمين الصور. أما في التصميم المُعدّل على اليمين، فقد طُويت الشفرة الدوارة للخلف بما يتماشى مع اتجاه الرياح.

• تشير جميع الألوان إلى السرعات المعطاة بوحدة م/ث

كما هو موضح أعلاه، يوفر تصميم المحور ميزتين رئيسيتين. أولاً، انخفضت مقاومة الشفرة العائدة بشكل ملحوظ، كما يتضح من خلال غياب مساحة كبيرة من الهواء منخفض السرعة (الأزرق) خلف الشفرة في الشكل 7ب. ثانياً، نظرًا لعدم تباطؤ تدفق الهواء بسبب الشفرة العائدة، فإن الشفرة التي تلتقط طاقة الرياح تواجه سرعات رياح متوسطة أعلى. وهذا يؤدي إلى زيادة توليد الطاقة من هذه الشفرة.

يُظهر التحليل الثاني الذي أُجري خطوط مسارات جسيمات السوائل مرة أخرى، ولكنه يُتيح فهمًا أعمق للتدفق حول الشفرات. تُظهر خطوط مسارات السوائل مناطق إعادة تدوير خلف كل شفرة. بشكل عام، تُشير هذه المناطق إلى مناطق ذات ضغط أقل، مما يعني زيادة في السحب على الشفرة التي تُشكلها. يُوضح الشكل 8 مقارنة بين الدوار التقليدي والدوار المُعدّل، حيث تتدفق الرياح من اليسار.

يُظهر التحليل الثالث، الذي أُجري مباشرةً، توزيع الضغط حول كل شفرة. تُعطى القوة عند أي نقطة على الشفرة بالصيغة التالية:

ف=صف-صبأ

أين:

F هي القوة المولدة،

P_f هو الضغط على مقدمة الشفرة،

P_b هو الضغط على الجزء الخلفي من الشفرة،

أ هي المنطقة.

لأن فرق الضغط بين مقدمة ومؤخرة الشفرة يتناسب طرديًا مع القوة المُنتجة (وبالتالي عزم الدوران)، يجب تعظيم فرق الضغط. يُظهر التحليل الثالث توزيع الضغط في كلٍّ من تصميم التوربين التقليدي والمُعدَّل. يوضح الشكل 9 النتائج.

• تشير جميع الألوان إلى الضغوط بالكيلوباسكال

كما هو موضح أعلاه، فإن فروق الضغط المتزايدة بين مقدمة ومؤخرة شفرة الالتقاط في النموذج المُعدَّل تتحد مع فروق ضغط أقل على شفرة الإرجاع لزيادة الطاقة المُولَّدة من الشفرة. يُولِّد فرق الضغط هذا قوة عند كل نقطة على الشفرة، ولكن هذه القوة لا تُؤثِّر في مناقشة قدرة التوربين إلا عند التعبير عنها كعزم دوران. يُعطى عزم الدوران بالمعادلة التالية:

τ=𝐫×𝐅

أين

τ هو عزم الدوران الناتج،

r هي المسافة من مركز التوربين إلى النقطة التي يتم تطبيق القوة عليها

F هي القوة الناتجة عن فرق الضغط،

× يشير إلى عملية حاصل الضرب المتقاطع

لذلك، استخدم التحليل الرابع تكاملات المساحة على سطح ريش التوربين والمحور لإيجاد عزم الدوران الناتج عن كل تصميم ريشة. في الظروف المستخدمة، كان عزم الدوران على الشفرة التقليدية 0.081 نيوتن متر، وعزم الدوران على الشفرة المعدلة 0.191 نيوتن متر. يُعزى تضاعف عزم الدوران إلى العاملين المذكورين أعلاه: انخفاض مقاومة الشفرة العائدة، وزيادة نقل الطاقة إلى الشفرة الملتقطة.

يمكن إجراء التحسينات، حيث أن شبكة gambit متوفرة هنا بينما الحالات Fluent متوفرة هنا وهنا .

اقتصادي

تختلف اقتصاديات هذا التصميم اختلافًا كبيرًا بين مناطق جنوب آسيا، ولذلك أُجري تحليلٌ للأسعار في أمريكا الشمالية والقيم المُقدَّرة بناءً على متوسط ​​الأسعار في الهند. ويُعتبر الخيزران متوفرًا محليًا بأسعارٍ زهيدة. يُرجى العلم أن هذا التحليل لا يشمل سوى المكونات المُعدّلة ضمن نطاق هذا المشروع.

يُعتبر سعر 16.01 دولارًا أمريكيًا معقولًا في ظلّ تفاوت دخل الفرد بين 5 و20 دولارًا أمريكيًا. ومع ذلك، يبقى هذا استثمارًا رأسماليًا كبيرًا عند الأخذ في الاعتبار الوقت اللازم لاختيار الموقع، وبناء المضخات، وغيرها من جوانب الري ومعالجة مياه الشرب.

المجتمعي

عند دراسة مدى ملاءمة هذه التقنية، من المهم إدراك دور الخيزران، وخاصةً الخيزران العملاق، في الثقافات التي تُطبّق فيها. وبينما لا يُمكن استخلاص تعميمات ثقافية شاملة تشمل كامل التنوع الطبيعي للخيزران، يُمكن ملاحظة أنه يرمز إلى الصداقة أو طول العمر في بعض الثقافات. ^{[ 13 ]} كما قد يحمل الخيزران دلالات دينية. لذلك، من الضروري للغاية إدراك الثقافات والحساسيات المحلية قبل تطبيق أي تقنية تستخدم هذا المورد.

كما ذُكر سابقًا، يُستخدم الخيزران بكثرة في البناء في العديد من دول جنوب آسيا، وفي معظم بيئته الطبيعية. ولا يحظى الخيزران عمومًا بحماية التشريعات البيئية، إلا في الحالات التي يُهدد فيها حصاده دببة الباندا. ^{[ 14 ]} ومع ذلك، إذا تم حصاده بطريقة مستدامة مع مراعاة القوانين والأعراف المحلية، يُمكن تقليل الضرر المجتمعي المباشر الناجم عن دوارات الرياح.

الاستنتاجات

يمكن أن يؤدي تحسين تصميم شفرات توربينات الرياح ذات المحور الرأسي إلى زيادة عزم دورانها بمقدار 2.35 ضعف، مما يسمح بزيادة ملحوظة في استخلاص الطاقة من الرياح. يمكن استخدام هذه الزيادة في الطاقة لضخ المياه لمسافات أبعد، أو لزيادة العمق الذي يمكن لتوربينات الرياح استخلاص المياه منه: هاتان النتيجتان قادرتان على المساعدة في تخفيف مشكلة نقص الوصول إلى المياه النظيفة في الدول النامية. أُجري هذا التحليل من خلال تصميم شفرة توربين رياح مزودة بمحور لتقليل السحب على الشفرات غير المستخدمة لتوليد الطاقة. وخلص التحليل إلى أن زيادة الطاقة لم تأتِ فقط من تقليل السحب على الشفرات العائدة، بل أيضًا من زيادة تدفق المياه عبر شفرات توليد الطاقة.

المراجع