مهندسی انرژی تجدیدپذیر

مقدمه

انرژی‌های تجدیدپذیر (renewable energy) نوعی از انرژی هستند که از نظر دردسترس بودن بی‌نهایت هستند. به عنوان مثال می‌توان به انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی برق آبی و انرژی زمین گرمایی اشاره کرد. مزایای استفاده گسترده از این اشکال انرژی روشن است. آنها تأثیر زیست محیطی کمتری دارند، اشتغال‌زایی با نیروی کار بیشت دارند، موجب کاهش انتشار دی‌اکسید کربن می‌شوند، و دسترسی نامحدود دارند. مهندسی انرژی‌های تجدیدپذیر یک رشته درحال ظهور است.

علاوه براین، انرژی سبز نوعی انرژی است که از منابع انرژی تولید می‌شود که در مقایسه با سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی سازگار با محیط زیست هستند. این موضوع شامل تمام منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد، خورشید، زمین گرمایی، زیست توده و انرژی آبی است. انرژی سبز اغلب در مورد مسائلی مانند تولید همزمان و گرمایش مورد توجه قرار می‌گیرد. صنایع می‌توانند آن را برای حمایت از زندگی سازگار با محیط زیست با کاهش اثرات محیطی که هنگام استفاده از روش‌های متداول تولید رخ می‌دهد، خریداری کنند. با انجام این کار، صنایع به افزایش وابستگی انرژی کشور خود کمک می‌کنند. امروزه برای حمایت از استفاده از شیوه‌های سبز می‌توان گواهی های انرژی را که به عنوان گواهی سبز شناخته می‌شوند، خریداری کرد. بسیاری از سازمان‌ها به طور جدی به دنبال سبز شدن در فعالیت‌های روزمره خود هستند، بنابراین یک دوره آموزشی سبز ممکن است همان چیزی باشد که درحال حاضر به آن نیاز دارید.

مهندسان انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی‌های باد، خورشید، آب، زمین گرمایی و زیست توده را پوشش خواهند داد و سیستم‌های پایدار برای تولید برق را شناسایی و توسعه خواهند داد. این امر شامل دانش گسترده‌ای از منابع و فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر، ارزیابی امکان سنجی گزینه‌های انرژی جایگزین، و ارائه توصیه‌هایی براساس ویژگی‌های منابع خاص سایت خواهد بود. دقیقاً مانند مهندسان انرژی به طور کلی، مهندسان انرژی‌های تجدیدپذیر می‌توانند مسئول چندین چیز باشند. به عنوان مثال، یک مهندس انرژی‌های تجدیدپذیر ممکن است به عنوان یک محقق یا مشاور خدمت کند و راه‌های بهبود پروژه‌های استخراج انرژی را بررسی کند تا آنها را کارآمدتر و دوست‌دار محیط زیست کند. یا یک مهندس انرژی تجدیدپذیر ممکن است در بخش مکانیک کار کند و ماشین‌ها و سایر دستگاه‌ها را طراحی کند تا انرژی را به طور موثرتری مهار کند.

چگونه می‌توان عملکرد مهندسی انرژی‌های تجدیدپذیر را با استفاده از شبیه سازی CFD بهبود بخشید؟

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به طور جدی به عنوان یک رشته اساسی برای پیشرفت تحقیقات در مهندسی انرژی تثبیت شده است. روش‌های شبیه‌سازی CFD مهندسان شاغل در صنعت انرژی‌های تجدیدپذیر را قادر می‌سازد تا پدیده‌های فیزیکی را بهتر درک کنند، طرح‌ها را شبیه‌سازی کنند و تجهیزات یا ماشین‌آلات را بهینه‌سازی کنند. علم CFD می‌تواند با ارائه طیف وسیعی از تحلیل‌ها، از جمله دینامیک سیالات، مکانیک جامدات، و ترمودینامیک، ابزار ارزشمندی در فرآیند طراحی اولیه باشد.

طیف گسترده‌ای از تجهیزات انرژی‌های تجدیدپذیر می‌توانند از شبیه سازی‌های CFD بهره‌مند شوند. از توربین‌ها، رتورها، تیغه‌ها و سایر اجزاء گرفته تا پانل‌های فتوولتائیک، شیرها، گیرنده‌ها، اتصالات، بویلرها و ماشین‌های گرمایشی، مهندسین طراح و مهندسان مکانیک می‌توانند به‌طور مجازی محصولات را در زمان کمتر و با هزینه‌ی بسیار کمتر با استفاده از این ابزار ساده و درعین حال قدرتمند آزمایش و بهینه کنند.

علم CFD برای بهینه سازی توربین‌های بادی محور عمودی

بازارهای توسعه‌یافته مبتنی بر فناوری انرژی بادی با ابزارهایی برای تبدیل انرژی بادی موجود به شکلی ارزشمند از انرژی مانند برق به وجود آمده‌اند. هسته اولیه این فناوری شامل توربین بادی است که نوعی توربوماشین است که انرژی مکانیکی را از طریق پره ها منتقل می‌کند و یک شکل انرژی را به دیگری تبدیل می‌کند. پتانسیل باد به طور نامنظم در سراسر جهان توزیع شده است. بخش‌های شمالی و غربی بادهای بیشتری را نسبت به بخش‌های جنوبی تجربه می‌کنند، و این نشان می‌دهد که توربین‌های بادی معمولی نمی‌توانند عملکرد قابل مقایسه‌ای را در سرتاسر ارائه دهند. توربین‌های بادی محور عمودی (VAWT) را می‌توان برای بهبود عملکرد و قابلیت‌های خود راه‌اندازی تغییر داد.

در مقایسه با HAWT، مزیت اصلی VAWT در قابلیت‌های همه جهته بودن می‌باشد که به آن اجازه می‌دهد از انرژی باد در هر جهت باد استفاده کند و درنتیجه، نیازی به سیستم انحراف (yaw) و گام (pitch) نداشته باشد که به طور قابل توجهی به هزینه اضافه می‌کند.

با استفاده از CFD، عملکرد توربین بادی را می‌توان با تغییر هندسه و پیکربندی مدل به حداکثر رساند.

علم CFD برای بهبود کلکتور خورشیدی

سیستم‌های گرمایشی و آب گرم خانگی انرژی بسیار بیشتری نسبت به سایر لوازم خانگی مصرف می‌کنند و بیشترین سهم از انتشار CO2 ناشی از مصرف انرژی خانگی را نشان می‌دهند. به عنوان بخشی از کاهش مصرف انرژی و انتشار کربن، گرمایش آب خورشیدی به‌عنوان یکی از عملی‌ترین اقدامات صرفه‌جویی در مصرف انرژی به‌طور گسترده ترویج شده است. سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی از انرژی خورشیدی در محل به کارگیری استفاده می‌کنند و نیاز به سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهند. آنها معمولاً به گونه‌ای طراحی شده‌اند که 90٪ از تقاضای گرمایش در تابستان را برآورده کنند. تا 50٪ از تقاضای گرمایش به طور متوسط در طول 12 ماه است. پس سیستم‌های حرارتی خورشیدی در سال‌های گذشته در بسیاری از مکان‌ها در سراسر جهان با علاقه زیادی مواجه شده‌اند.

امروزه رفتار حرارتی دینامیکی کلکتورهای خورشیدی با استفاده از چندین مدل عددی به صورت عددی توسعه یافته است. کدهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به طور گسترده‌ای برای مدل سازی این کلکتورهای حرارتی خورشیدی به منظور درک بهتر رفتار حرارتی و بهینه سازی این سیستم‌های خورشیدی استفاده شده است.

CFD در مورد توربین جزر و مدی

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در حال تبدیل شدن به یک ابزار قدرتمند برای ارزیابی عملکرد ژنراتورهای جزر و مدی است. در دستان یک متخصص CFD با تجربه، می‌توان از پروفایل‌های جزر و مد واقعی برای شبیه سازی استفاده کرد تا بینش ارزشمندی در مورد عملکرد طراحی‌های تصوری در مراحل اولیه طراحی به دست آورد.

بسیاری از چالش‌های مرتبط با توربین‌های جزرومدی آنها را از توربین‌های بادی متمایز می‌کند. به عنوان مثال، مقیاس‌های طولی مرتبط با عملکرد آنها به طور قابل توجهی بالاتر از مقیاس‌های موجود در اطراف توربین‌های بادی است. تأثیر جریان آشفته تأثیر چشمگیری برروی عملکرد و ناحیه ویک دارد و درنهایت بر دقت مدل تأثیر می‌گذارد.

این مقاله تعداد کمی از کاربردهای CFD در بهبود مهندسی انرژی تجدیدپذیر را پوشش می‌دهد. صنعت انرژی‌های تجدیدپذیر پر از کاربرد برای CFD است؛ از توربین بادی محور عمودی تا دودکش‌های خورشیدی. دینامیک سیالات برای بیشتر جنبه‌های انرژی‌های تجدیدپذیر اساسی است. اگرچه نمونه‌های اولیه در مقیاس کامل برای مراحل بعدی توسعه استاندارد هستند، طراحی و بهینه سازی در مراحل اولیه می‌تواند با مطالعات CFD به طور قابل توجهی تسریع شود.

خدمات شرکت پردازشگران مهر

شرکت پردازشگران مهر تحقیقات سفارشی گسترده‌ای را درمورد کاربردهای مهندسی انرژی‌های تجدیدپذیر و پروژه‌های شبیه سازی انجام داد. گروه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده شبیه سازی می‌باشد. به عنوان مثال، برخی از پروژه‌های انجام‌شده توسط گروه پردازشگران مهر که کاربردهای صنعتی دارند، شبیه‌سازی توربین بادی Liam F1 است که نشان می‌دهد چگونه تحت سرعت‌های هوایی خاص رفتار می‌کند. در حال حاضر، کارآمدترین طرح‌های توربین بادی برای نصب در منازل مسکونی مناسب نیستند. آنها به ارتفاع کافی برای گرفتن باد نیاز دارند تا هر گونه فایده‌ای داشته باشند، و پس از آن معضلات سر و صدا وجود دارد. آیا برخورد پرندگان می‌تواند باعث نگرانی شود، مانند مزارع بادی در مقیاس بزرگ. کاهش مقیاس توربین‌های بادی کمک زیادی به این مشکلات نمی‌کند، بنابراین سیستم‌های مسکونی همچنان عجیب هستند. با این حال، اخیراً یک توربین بادی در مقیاس کوچک جدید به نام توربین بادی شهری Liam-F1 (Liam-F1 Urban Wind Turbine) طراحی شده است.

پروژه Solar Chimney for a Room HVAC نمونه دیگری از پروژه CFD است که گروه پردازشگران مهر با موفقیت شبیه سازی کرده است. در این پروژه، کارشناسان پردازشگران مهر اثر تابش خورشید را برروی دودکش خورشیدی شبیه‌سازی کردند و دما را در سراسر دودکش آنالیز کردند.

دودکش‌های خورشیدی درحال حاضر یک واقعیت هستند، به‌ویژه در مناطقی که تابش خورشیدی بالا است. این یک فناوری امیدوارکننده برای بهره برداری و تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی است.

یکی از پروژه‌های بزرگ دیگر گروه پردازشگران مهر در مهندسی انرژی، شبیه سازی توربین پیچشی ارشمیدس (Archimedes Screw Turbine (AST)) است. در این پروژه، گروه تلاش کرد تا حرکت چرخشی آب را روی توربین‌های AST مدل‌سازی کند.

یکی از پروژه‌های بزرگ دیگر گروه پردازشگران مهر در مهندسی انرژی، شبیه سازی توربین پیچشی ارشمیدسی (Archimedes Screw Turbine (AST)) است. در این پروژه، گروه تلاش کرد تا حرکت چرخشی آب را روی توربین‌های AST مدل‌سازی کند.

Archimedean screw turbine روی رودخانه‌هایی با هد نسبتاً کم (از 0.1 متر تا 10 متر) و دبی جرمی کم (0.01 متر مکعب بر ثانیه تا حدود ده متر مکعب بر ثانیه در یک توربین) تنظیم می‌شود. با توجه به ساخت و حرکت آهسته پره‌های توربین، توربین دوست‌دار حیات وحش آبزی محسوب می‌شود.

آب آزادانه جریان دارد و وزن آن برروی پره‌های منحنی توربین تأثیر می‌گذارد. حرکت چرخشی در حال ظهور از طریق یک پیچ اتصال انعطاف‌پذیر که به گیربکس منتقل می‌شود، به ژنراتور ادامه می‌یابد.

شرکت پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی انرژی تجدیدپذیر

شرکت پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل سازی، مش بندی و شبیه سازی می باشد. خدمات شبیه سازی ما برای شبیه سازی انرژی تجدیدپذیر به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• توربین باد محور عمودی (Savonius ،Darrieus ،Giromill و …)
• توربین باد محور افقی (یک پره، دو پره، سه پره، و …)
• هیتر آب خورشیدی
• کلکتور خورشیدی (سهموی، صفحه تخت، و …)
• استفاده از سرعت باد در بادگیر
• توربین جزرومدی
• هیتر هوای خورشیدی
• استفاده از سرعت باد برای تهویه متقاطع و یک‌طرفه
• دودکش خورشیدی
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی انرژی تجدیدپذیر را در فروشگاه آموزشی (Training Shop) بیابید.

خدمات ما محدود به موضوعات ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل سازی انرژی تجدیدپذیر به سفارش مشتریان است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD را برای هر طرحی که در ذهن دارید می‌پذیریم تا آنها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه تصور می‌کردید برسید. شما می‌توانید از مشاوره تخصصی پردازشگران مهر (ansysfluent expert consultation) به‌ صورت رایگان بهره ببرید و سپس پروژه‌تان را سفارش دهید (order your project) تا شبیه‌سازی و آموزش داده شود.