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

Proje verileri

Konum	Kingston , Kanada
OKH Manifest	İndirmek

Dünya çapında 884 milyon insan için güvenli suya erişim bir sorundur ve bu sorunun bir kısmı kuyulardan su pompalayamama ve suyu bir bölgeden diğerine taşımadaki zorluklardan kaynaklanmaktadır. Rüzgar gücüyle çalışan su pompalarındaki kanat tasarımının iyileştirilmesi, bu zorlukları hafifletme potansiyeline sahiptir. Bu analiz, kullanılmadığında kanatların rüzgardan dışarı doğru döndüğü iyileştirilmiş rüzgar türbini kanat tasarımlarını araştırdı. Yerel kaynaklı malzemeler ve işçilik kullanılarak, tasarım maliyetinin inşa edileceği Güney Asya bölgeleri için iki günlük ücretin altında olduğu bulundu. Karşılaştırmalı hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi, torkun kanat pivotlarından kaynaklanan iki faktör yoluyla 2,35 katına çıkarılabileceğini buldu: birincisi, kullanılmayan kanatlardaki sürtünmenin azalması ve ikincisi, artan rüzgar mevcudiyeti nedeniyle güç üreten kanatlarda torkun artmasıydı. Hesaplamalı modelleri doğrulamak için bir kavram kanıtı da yürütüldü.

Genel bakış

Bu sayfanın amacı, gelişmekte olan ülkelerdeki önceden var olan rüzgar enerjisiyle çalışan su pompası sistemlerine mühendislik analizi sağlamaktır. Rüzgar pompaları olarak bilinen bu cihazlar halihazırda araştırılmıştır ancak iyileştirme ve optimizasyon konusunda yapılması gereken çok iş vardır. Tarihsel olarak, rüzgar enerjisi ilk olarak su pompalamak için mekanik sistemlerde kullanılmıştır ve gelişmekte olan ülkelerde bu amaçla hala kullanılmaktadır. ^[1] Genel olarak, gelişmekte olan ülkelerdeki sistemler bireyler veya topluluklar tarafından mevcut malzemeler kullanılarak inşa edilir: bu nedenle, yalnızca batı dünyasında bulunan parçaları kullanan bir rüzgar pompası tasarımı oluşturmak hem güçsüzleştirici hem de etkisiz olabilir. Bu nedenle, aşağıdaki analiz yalnızca topluluk üyelerinin analizin kullanımını ve etkilerini uygun görmesi koşuluyla herhangi bir coğrafyada kullanılabilen boyutlar ve genel rüzgar hızı korelasyonları kullanılarak yürütülmüştür. Bu analizde bulunan tasarımlar ayrıca malzeme ve işçilik süresi kısıtlamalarına tabidir: tasarım, uygun gördükleri şekilde değiştirmek üzere üreticiye bırakılır. Bu nedenle, kapsam, kanatların yerel yapımına ilişkin talimatları içermez.

Yapılan analiz iki bölümden oluşmaktadır:

Arka Plan ve Literatür İncelemesi

Su ve Sanitasyonda Sorunlar

1995 yılında 1,17 milyar insan güvenli içme suyuna erişimden yoksundu. ^[2] Dünyada içme suyuna erişim iyileşiyor ve 2015 yılına kadar nüfusun %88'inin güvenli içme suyuna erişimini sağlamayı hedefleyen Milenyum Kalkınma Hedefi'ne ulaşması bekleniyor. Ancak 884 milyon insan hala bu hayati insan ihtiyacını karşılama becerisinden yoksun. Bu sayının bölgesel dağılımı aşağıdaki Şekil 1'de gösterilmektedir. ^[3]

Çünkü yüzey suyu kirli veya uzak olduğunda içme suyu sağlamak için pompalara ihtiyaç duyulur, dünyanın bazı bölgelerinde güvenli su sağlamak için güce ihtiyaç duyulur. Rüzgar gücü, suyun ihtiyaç duyulan bölgelere taşınması için yenilenebilir, sürdürülebilir ve pasif bir enerji kaynağı olarak önerilmiştir. ^[4] Ayrıca birçok projede güvenli su sağlamak için kullanılmıştır. ^[5]

Su kaynaklarının mevcudiyeti, dünya çapında güvenli su sahası kullanımını iyileştirmek için çok önemlidir. WHO'nun "Yaşam İçin Su" programında belirtildiği gibi, "Aralıklı kaynaklar veya mühendislik yetersizlikleri nedeniyle içme suyu tedarikindeki kesintiler, içme suyuna erişimin ve kalitesinin önemli bir belirleyicisidir." ^[6] Su pompalamak için bir rüzgar türbini tasarımında, bu, iki mühendislik faktörünün hesaba katılması gerektiği anlamına gelir. Birincisi, türbin, rüzgar hızlarının hem her gün hem de mevsimsel olarak tutarlı olduğu bir alana yerleştirilmelidir. İkincisi, bir türbin hem her yönden gelen rüzgarı kullanabilecek hem de düşük rüzgar hızlarında çalışabilecek şekilde tasarlanmalıdır.

Su pompalamak için rüzgar enerjisi

Rüzgar gücü, 1970'lerden beri kalkınma projelerinde su pompalamak için kullanılmıştır ^[4] ve bu alandaki çalışmalar giderek artan fosil yakıt fiyatlarıyla yönlendirilmektedir. Özellikle tasarım çalışmaları, basitlikleri, düşük maliyetleri ve merkezde dönme enerjisinin bulunmasının avantajları nedeniyle dikey eksenli rüzgar türbinlerine odaklanmıştır. ^[5] Bu türbinler, rüzgar gücündeki güç yoğunluğunun sınırlamaları nedeniyle nispeten düşük miktarda güç sağlarken, bir su sisteminde 3 ila 5 metre arasında kafa sağlayabilirler; bu da dikey veya yatay pompalama için fazlasıyla yeterlidir. ^[5] Ancak, optimum hizmeti sağlamak için rüzgar türbini sürekli rüzgarlı bir alana yerleştirilmelidir. Rüzgar türbinlerinin yerleştirilmesi hakkında daha fazla bilgi rüzgar türbini yerleştirme el kitabında bulunabilir .

Pompalanan su miktarı ve pompalanabileceği yükseklik, rüzgar türbininin gücüyle belirlenir. Rüzgardan elde edilen enerji, rüzgar türbininin süpürülen alanından geçen bir akış borusu kullanılarak elde edilir. Toplam güç şu şekilde verilir:

P=(12)ρSenw3A2{\displaystyle P=\sol({\frac {1}{2}}\sağ)\rho U_{w}^{3}A_{2}} 

Nerede:

P mevcut güçtür,

ρ{\görüntüleme stili \rho }havanın yoğunluğudur,

Senw3{\displaystyle U_{w}^{3}}rüzgar hızı ve

A2{\görüntüleme stili A_{2}}rüzgar türbininin kapladığı alan

Ancak bu denklem, tüm kinetik enerjinin havadan geri kazanıldığını varsayar, ancak gerçekte durum böyle değildir. Betz Yasası, havanın türbinden çıkmak için yeterli kinetik enerjiyi tutması gerektiğinden, rüzgardaki enerjinin en fazla %59,3'ünün ideal bir kanat tarafından çıkarılabileceğini gösterir. Betz Yasası alanında daha fazla bilgi, bu konu hakkındaki Wikipedia makalesinde mevcuttur . Bir rüzgar türbininden gelen gerçek güç miktarı şu denklemle verilir:

P=(12)CPρSenw3A2{\displaystyle P=\sol({\frac {1}{2}}\sağ)C_{p}\rho U_{w}^{3}A_{2}} 

NeredeCP{\görüntüleme stili C_{p}}rotorun güç katsayısıdır. Bu faktör pompalama mekanizmasına sağlanan güç miktarını belirler ve bu nedenle en üst düzeye çıkarılmalıdır.

Daha önce de belirtildiği gibi, Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri (VAWT'ler) su pompalama alanında birçok avantaj sağlar.CP{\görüntüleme stili C_{p}}yatay eksenli rüzgar türbinleri kullanılarak yüksek irtifalarda daha iyi optimize edilebilir (bu nedenle daha büyük sahalarda kullanılır), VAWT'ler düşük rüzgar hızlarında, fırtınalı alanlarda ve rüzgarın her yönden gelebileceği alanlarda kullanılabilir. Bu nedenle su pompalama sistemlerinin gereksinimlerini karşılarlar. Bu analiz bu nedenle küçük ölçekli VAWT'lerin iyileştirilmesine odaklanacaktır.

Kapsam

Bu projenin genel amacı, su pompalamada kullanılmak üzere toplum yapımı rüzgar türbinlerini geliştirmektir. Bunu odaklanmış mühendislik analizi yoluyla en etkili şekilde yapabilmek için proje, rüzgar pompaları için yeni bir rotorun tasarımı ve modellemesine yoğunlaştı. Tasarımın temel yeniliklerinin gerektiği gibi çalışacağını doğrulamak için rotor için bir kavram kanıtı ve hesaplamalı akışkanlar analizi yapıldı. Ancak, bu proje mümkün olan her yerde sürdürülebilir tasarım ilkelerini izledi ve bu nedenle tasarımı bir kavram kanıtından tam ölçekli bir sisteme ölçeklendirirken yerel malzemeler ve uzmanlık dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, bu analizin birincil amacı, yerel zanaatkarların sahip oldukları ve sorumlu oldukları tasarımlar oluşturmalarına yardımcı olmak için ön mühendislik çalışması sağlamaktı.

Seçilmiş Tasarım

Seçilen tasarım, sürdürülebilir mühendislik prensipleri kullanılarak seçildi. Tasarımın, su pompalamak için kullanılacak enerjiyi yakalama gibi birincil işlevini yerine getirmesi gerekirken, mümkün olduğunca sürdürülebilir bir şekilde inşa edilmesi gerekiyordu. Ekonomik alanın dışında, iki faktör göz önünde bulunduruldu: çevresel ve toplumsal. Modern üretimin her zaman mevcut olmadığı gelişmekte olan ülkelerde tasarıma miras kalan kısıtlamalar nedeniyle, malzeme seçimi tasarım sürecinin itici gücüydü: önce malzeme seçildi ve ardından büyük ölçüde malzeme özelliklerine dayalı olarak fiziksel tasarım oluşturuldu.

Çevresel hususlar, yeşil mühendislik prensipleri kullanılarak ele alındı. ^[7] Özellikle, gelişmekte olan ülkelerde kullanılmak üzere bir rüzgar türbini tasarımına uygulandığında, önerilen tasarım mümkün olduğunca aşağıdaki yönergeleri yakından takip etmelidir:

Toplumsal etkiler tasarımı şu şekillerde etkiledi:

Bu nedenle, dikey eksenli rüzgar türbininin çoğunluğu için malzeme olarak bambu seçildi. Bu malzeme, Güney Asya'nın birçok yerinde ve gelişmekte olan dünyada bir inşaat malzemesi olarak kullanılıyor ve sürdürülebilir bir şekilde hasat edilirse yenilenebilir olarak kabul edilebilecek kadar hızlı büyüyor. ^{[8] Tüm türbin ayrıca, çapı 0,37 metreye kadar büyüyebilen [9]} ve bu nedenle bir rüzgar türbini yapmak için yeterince büyük olan bambu saplarının doğal eğriliğinden yararlanacak şekilde tasarlanacaktır . Ayrıca, aparatı inşa etmek için bambuda kesilen yuvalar kullanılarak malzeme çeşitliliği en aza indirilebilir ve yetenekli zanaatkarlık geliştirilebilir.

Bambu dairesel, içi boş bir yapıya sahiptir ^[9] ve bu nedenle türbin bu şekilden faydalanacak şekilde tasarlanmıştır. Dikey eksenli rüzgar türbini için tasarım aşağıdaki Şekil 2'de gösterilmiştir.

Tasarımın üç kanadı, bambu sapından üst ve alt kısmı keserek, ardından kalan parçayı ekseni boyunca üçe bölerek yapılmıştır. "Geri dönen kanatlar"daki (rüzgara doğru hareket ederken direnç oluşturan) hava direncini en aza indirmek için, kanatların göbeğe olan bağlantıları pivot olacak şekilde yapılmıştır. Pivot aralığı, rüzgar yakalamanın en üst düzeye çıkarıldığı tamamen açık konum ile kanatların göbeğe katlanarak hava direncini azalttığı tamamen kapalı konum arasında uzanmaktadır. Pivotların uygun şekilde inşa edilmesi, kanatların tamamen açık konumu geçmemesini sağlamıştır.

Kanatlar, tamamen açık konumda rüzgar yakalamanın en üst düzeye çıkarılması için uzatılacak şekilde yapılmıştır. Bu nedenle, pivottan kanat ucuna kadar olan hat, Şekil 3'te gösterildiği gibi göbeğin dışına doğru düz bir şekilde uzanıyordu.

Malzeme Kullanımı

Malzeme kullanımı ve yapım detayları zanaatkarın inisiyatifine bırakılsa da bu alanda daha fazla çalışma yapılması konusunda öneriler şu şekildedir:

Bu malzemelere ek olarak, türbinin tabanına döner tahrikli bir su pompası (yukarıda belirtildiği gibi) veya elektrik jeneratörü takılmalıdır. Bu analiz yalnızca kanat iyileştirmesini kapsadığından, zanaatkarın pompasını uygun şekilde tanımlaması ve boyutlandırması gerekecektir.

Kavram Kanıtı

Pivot bıçakların teoride olduğu kadar pratikte de işe yaradığını göstermek için bir kavram kanıtı oluşturuldu. Cihaz bir meşrubat kutusu ve elbise askısından yapılmıştı ve üç adet pivot bıçak içeriyordu. Cihazın tamamı aşağıdaki Şekil 4'te gösterilmiştir:

Bıçakların kutunun uzatılmış parçalarının kullanımıyla öne doğru dönmesinin engellendiğine dikkat etmek önemlidir. Tam ölçekli bir tasarımda, küçük bambu blokları veya uygun pivot bağlantısı aynı etkiye sahip olabilir. Şekil 5 kutu uzantılarını ayrıntılı olarak göstermektedir.

Rotorun çalışmasını gösteren kısa bir video da internette mevcuttur .

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizi

Yeni kanat sistemi tarafından oluşturulan ekstra gücü, kanatlar etrafındaki akış desenlerini ve tasarımda yapılabilecek olası iyileştirmeleri belirlemek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) analizi kullanıldı. Analize başlamak için, Şekil 2 ve 3'te gösterildiği gibi katı bir model oluşturuldu. Türbülanslı veya karmaşık akışlı alanlarda en doğru analizi göstermek için köşelerde ve kısa yüzeylerde boyut fonksiyonları kullanılarak bir ağ oluşturuldu. Bu ağ aşağıdaki Şekil 6'da gösterilmiştir.

Tasarımın kenarları etrafındaki, özellikle köşelerdeki ağın artan yoğunluğuna dikkat edin. Bu analiz iki ayrı durum için yürütülmüştür: biri geleneksel VAWT tasarımıyla, diğeri ise pivotlu kanatlarla. Daha sonra her durum için dört analiz yürütülmüştür. İlk analiz, akışkan parçacıklarının her iki rotordan geçerken hem hızını hem de yönünü gösteren hız yol çizgilerini karşılaştırmıştır. Aşağıdaki görüntülerde, rüzgar görüntülerin sağından esmektedir. Sağdaki modifiye edilmiş tasarımda, pivotlu kanat rüzgarla aynı doğrultuda geriye katlanmıştır.

• Tüm renkler m/s cinsinden verilen hızları göstermektedir

Yukarıda görüldüğü gibi, pivot tasarımı iki temel avantaj sunar. Birincisi, Şekil 7b'de kanadın arkasında büyük bir düşük hızlı (mavi) hava şeridinin olmamasıyla görülebileceği gibi, geri dönen kanattaki direnç önemli ölçüde azaldı. İkincisi, akış geri dönen kanat tarafından yavaşlatılmadığı için, rüzgar enerjisini yakalayan kanat daha yüksek ortalama rüzgar hızlarıyla karşı karşıya kalır. Bu, bu kanattan daha fazla güç üretilmesine yol açar.

Yapılan ikinci analiz, akışkan parçacıklarının yol çizgilerini bir kez daha gösterir, ancak kanatlar etrafındaki akışın daha iyi anlaşılmasını sağlar. Akışkan yol çizgileri, her bir kanat arkasında yeniden dolaşım bölgeleri gösterir. Genel olarak, bu bölgeler daha düşük basınçlı alanları belirtir, bu da onları oluşturan kanatta artan sürüklenme anlamına gelir. Geleneksel rotorun modifiye edilmiş rotorla karşılaştırılması, rüzgarın soldan aktığı Şekil 8'de verilmiştir.

Doğrudan yürütülen üçüncü analiz, kanatların her birinin etrafındaki basınç dağılımlarını gösterir. Kanat üzerindeki herhangi bir noktadaki kuvvet şu şekilde verilir:

F=PF−PBA{\displaystyle F={\frac {P_{f}-P_{b}}{A}}}

Neresi:

F yaratılan kuvvettir,

P_f bıçağın ön tarafındaki basınçtır,

P_b bıçağın arkasındaki basınçtır,

A alanıdır.

Kanatın önü ve arkası arasındaki basınç farkı üretilen kuvvetle (ve dolayısıyla torkla) orantılı olduğundan, basınç farkı en üst düzeye çıkarılmalıdır. Yapılan üçüncü analiz, hem geleneksel hem de modifiye edilmiş türbin tasarımındaki basınç dağılımlarını göstermektedir. Şekil 9 sonuçları göstermektedir.

• Tüm renkler kilopaskal cinsinden basınçları gösterir

Yukarıda görüldüğü gibi, modifiye edilmiş modelde yakalayan bıçağın önü ve arkası arasındaki artan basınç farkları, geri dönen bıçaktaki azalan basınç farklarıyla birleşerek bıçak tarafından oluşturulan gücü artırır. Bu basınç farkı, bıçak üzerindeki her noktada bir kuvvet oluşturur, ancak bu kuvvet yalnızca bir tork olarak ifade edildiğinde türbin gücü tartışmasıyla ilgilidir. Tork, şu denklemle verilir:

τ=R×F{\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}=\mathbf {r} \times \mathbf {F} \,\!}

Neresi

τ üretilen torktur,

r, türbinin merkezinden kuvvetin uygulandığı noktaya olan mesafedir

F basınç farkının neden olduğu kuvvettir,

× bir çapraz ürün işlemini belirtir

Dördüncü analiz bu nedenle her bir kanat tasarımının ürettiği torku bulmak için türbin kanatlarının ve göbeğinin yüzeyi üzerindeki alan integrallerini kullandı. Kullanılan koşullarda, geleneksel kanattaki moment 0,081 Nm ve modifiye edilmiş kanattaki tork 0,191 Nm idi. Torkun iki katına çıkması yukarıda belirtilen iki faktörden kaynaklandı: hem geri dönen kanattaki direncin azalması hem de yakalayan kanata güç aktarımının artması.

Gambit mesh'e buradan, Fluent case'lere ise buradan ve buradan ulaşılabildiğinden iyileştirmeler yapılabilir .

Ekonomik Analiz

Bu tasarımın ekonomisi Güney Asya bölgeleri arasında büyük ölçüde farklılık gösterir: bu nedenle, hem Kuzey Amerika'daki fiyatlar hem de Hindistan'daki ortalama fiyatlara dayalı tahmini değerler için bir analiz yürütülmüştür. Bambu yerel olarak ihmal edilebilir fiyatlara temin edilebilir olarak kabul edilir. Bu analizin yalnızca bu projenin kapsamında değiştirilen bileşenleri kapsadığını unutmayın.

Kişi başına gelirlerin yaklaşık 5-20 dolar olduğu yerlerde 16,01 dolarlık fiyat makul kabul edilir. Ancak, yerleşim, pompa inşası ve sulama ve içme suyu arıtımının diğer yönleri hesaba katıldığında bu önemli bir sermaye yatırımı olmaya devam etmektedir.

Toplumsal Etki

Bu teknolojinin uygunluğunu değerlendirirken, bu teknolojinin uygulandığı kültürlerde bambu, özellikle dev bambunun rolünün farkında olmak önemlidir. Bambu'nun tüm doğal yelpazesinde geniş kültürel genellemeler yapılamasa da, bazı kültürlerde dostluğu veya uzun ömürlülüğü simgelediği belirtilebilir. ^[13] Bambu dini çağrışımlara da sahip olabilir. Bu nedenle, bu kaynağı kullanan herhangi bir teknolojiyi uygulamadan önce yerel kültürlerin ve hassasiyetlerin farkında olmak son derece önemlidir.

Yukarıda belirtildiği gibi, bambu birçok Güney Asya ülkesinde ve doğal yaşam alanının çoğunda inşaatta sıklıkla kullanılır. Hasadının panda ayılarını tehdit ettiği durumlar haricinde, genellikle çevre mevzuatı tarafından korunmaz. ^[14] Ancak, yerel yasalar ve gelenekler açısından sürdürülebilir bir şekilde hasat edilirse, rüzgar rotorlarından kaynaklanan doğrudan toplumsal hasar en aza indirilebilir.

Sonuçlar

Geliştirilmiş dikey eksenli rüzgar türbini kanat tasarımı, rüzgar türbinlerinden gelen torku 2,35 katına kadar artırabilir ve rüzgardan güç çıkarmada önemli artışlar sağlayabilir. Güçteki bu artış, suyu daha uzağa pompalamak veya rüzgar türbinlerinin suyu çıkarabileceği derinliği artırmak için kullanılabilir: bu sonuçların her ikisi de gelişmekte olan ülkelerde güvenli suya erişim eksikliğini gidermeye yardımcı olma potansiyeline sahiptir. Bu analiz, güç üretmek için kullanılmayan kanatlardaki sürtünmeyi azaltmak için bir pivot içeren bir rüzgar türbini kanadı tasarlayarak yürütülmüştür. Analiz, güçteki artışların yalnızca geri dönen kanatlardaki sürtünmenin azalmasından değil, aynı zamanda güç üreten kanatlardan geçen akışın artmasından da kaynaklandığını bulmuştur.

Referanslar

Sayfa verileri

Bir parçası	Mech425
Anahtar kelimeler	mühendislik , uygun teknoloji , su , su dağıtımı , pompalama
Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri	SDG06 Temiz su ve sanitasyon
Yazarlar	Pençe
Lisans	CC-BY-SA-3.0
Kuruluşlar	Queen's Üniversitesi , Mech425 AT Projesi
Dil	İngilizce (tr)
Çeviriler	İspanyol
İlgili	1 alt sayfa , 14 sayfa buraya bağlanıyor
Darbe	979 sayfa görüntülendi ( daha fazla )
Oluşturuldu	4 Nisan 2010 C.Law tarafından
Son değiştirilme tarihi	28 Şubat 2024 Felipe Schenone tarafından
Atıfta bulun	C.Law (2010–2024). "Optimization and CFD analysis of wind-powered water pump system". Appropedia. Retrieved December 1, 2024.
API queries	basic, semantic, html, files, more