خط مهندسی

امروزه ضرورت استفاده از نرم افزار های مهندسی بر کسی پوشیده نیست. همانطور که زمان پیش رفته است ، ابزار دست استاد کاران هر رشته نیز تغییر کرده است. مهندسان مکانیک نیز از این قاعده مستثنی نیستند و ابزار دست طراحان مکانیک از مداد های ذغالی و کاغذ ، به نرم افزار های طراحی به کمک کامپیوتر توسعه یافته است.

در قسمت اول این نوشته به نرم افزار های عمومی مورد نیاز یک مهندس مکانیک پرداختیم و ابزار ها اولیه که معمولاَ به آن ها توجهی نمی شود را معرفی کردیم.

در این بخش ، به طور تخصصی یک نیاز دیگر  مهندس مکانیک ؛ نرم افزار های طراحی سه بعدی را معرفی و مقاسیه می کنیم.

امروزه سبک زندگی همه‌ی ما به‌طور جدایی ناپذیری با دنیای دیجیتال و اینترنت گره خورده است. که شامل سخت افزار ها ، نرم افزار ها و اصطلاحات تخصصی مربوطشان می شود. مهندس ها نیز از این قاعده مستثنی نیستند و حتی می‌توان گفت به دلیل تکنولوژی و سرعت رشد بالا و همچنین حساسیت و اهمیت به روز بودن آن ، دنیای مهندسی بیش از دیگر زمینه ها به نرم افزار های تخصصی وابسته شده است.

به جرات میتوان گفت که برای هر دانشجو و یا فارغ التحصیل رشته ی مهندسی مکانیک ، یادگیری و تسلط بر نرم افزار های عمومی و تخصصی از نان شب واجب تر شده است.

از اینرو در این نوشته تلاش می‌کنیم تا شما را با مهم ترین و البته پرکاربرد ترین نرم افزار های مهندسی مکانیک در صنعت و دانشگاه های ایران آشنا کنیم.

شبکه عصبی مصنوعی به زبان ساده

یک شبکه عصبی مصنوعی (Artificial Neural Network – ANN) ایده ای برای پردازش اطلاعات است که از سیستم عصبی زیستی الهام گرفته و مانند مغز به پردازش اطلاعات می‌پردازد. عنصر کلیدی این ایده، ساختار جدید سیستم پردازش اطلاعات است. این سیستم از شمار زیادی عناصر پردازشی فوق العاده بهم پیوسته به نام نورون‌ها (neurons)تشکیل شده که برای حل یک مسئله با هم هماهنگ عمل می‌کنند.

شبکه‌های عصبی مصنوعی نیز مانند انسان‌ها با مثال یاد می گیرند و یک شبکه عصبی برای انجام وظیفه‌های مشخص مانند شناسایی الگوها و دسته بندی اطلاعات، در طول یک پروسه یاد گیری تنظیم می‌شود. در سیستم‌های زیستی، یاد گیری با تنظیماتی در اتصالات سیناپسی که بین اعصاب قرار دارد همراه است. از این روش در شبکه‌های عصبی نیز استفاده می‌شود.

شبکه های عصبی مصنوعی (ANN) که به اختصار به آن شبکه عصبی نیز گفته می‌شود، نوع خاصی از مدل یادگیری است که روش کارکرد سیناپس‌ها در مغز انسان را تقلید می‌کند.

شبکه های عصبی مصنوعی با پردازش داده‌های تجربی، دانش یا قانون نهفته در ورای داده‌ها را به ساختار شبکه منتقل می‌کند که به این عمل یادگیری می‌گویند. اصولاً توانایی یادگیری مهمترین ویژگی یک سیستم هوشمند است. سیستمی که قابلیت یادگیری داشته باشد، منعطف تر است وساده تر برنامه‌ریزی می‌شود، بنابراین بهتر می‌تواند در مورد مسایل و معادلات جدید پاسخگو باشد.

بینایی ماشین چیست؟

بینایی ماشین شاخه ای از دانش است که سعی دارد از طریق پردازش تصاویر دوبعدی، جهان سه بعدی پیرامون را بازسازی و تفسیر کند. به بیان ساده، بینایی ماشین یعنی اینکه کامپیوترها بتوانند جهان را به کمک دوربین‌ها ببینند، بفهمند و حتی از بینایی انسان پیشی بگیرند.

بینایی ماشین می‌تواند در هر جایی که نیاز است تا ماشین به جای انسان ببیند، مورد استفاده قرار گیرد.

بینایی ماشین را از دو منظر علمی و تکنولوژیکی می‌توان بررسی کرد. به عنوان یک رشته علمی، بینایی ماشین به توسعه تئوری سیستم‌های هوشمندی می‌پردازد که اطلاعات را از تصاویر استخراج می‌کنند و به عنوان یک رشته تکنولوژیکی (فناورانه) تلاش دارد که از تئوری‌ها و مدل‌های توسعه داده شده برای ساخت سیستم‌های بینایی ماشین بهره برداری کند. به عنوان مثال تولیدکنندگان صنایع مختلف سیستم‌های بینایی ماشین را برای بازرسی چشمی که نیاز به سرعت بالا، بزرگ نمایی، عملکرد ۲۴ ساعته و تکرارپذیری دارد استفاده می‌کنند.

اهداف هوش مصنوعی

می‌توان گفت هدف هوش مصنوعی نزدیک نمودن رفتار و پاسخ یک سیستم کامپیوتری به الگوریتم‌هایی است که انسان براساس آن ها رفتار می کند و پاسخ می‌دهد. گاه سیستم‌هایی طراحی می شوند که قدرت تجزیه و تحلیل آن ها از انسان بیشتر است. ولی باز از الگوهای ما استفاده می کنند.

از اهداف متخصصین در این حوزه، تولید ماشین‌هایی است که دارای احساسات بوده و دست کم نسبت به وجود خود و احساسات خود آگاه باشند. این ماشین باید توانایی تعمیم تجربیات قدیمی خود در شرایط مشابه جدید را داشته و به این ترتیب اقدام به گسترش دامنه دانش و تجربیاتش کند. به عبارت ساده تر می‌توان گفت: هدف هوش مصنوعی این است که ماشین‌ها و ربات‌هایی بسازد را که نسبت به ماشین های قبلی، قابلیت های بیشتری داشته باشد و با هوش‌تر عمل کنند و همچنین به ماشین‌هایی که در حال حاضر موجود است، قابلیت های و توانایی‌های انسانی بدهد.”

نرژی باد یکی از ارزان‌ترین و در‌دسترس ترین منابع انرژی تجدیدپذیر به‌شمار می‌آید. باد رایگان است و به قدر کافی برای همه وجود دارد. با این‌حال به دلیل مشکلات مختلف توربین‌های بادی افقی (HAWT)، استفاده از توربین‌های بادی به قدر کافی فراگیر نشده است.

در نوشته‌ی پیشین انواع توربین‌های بادی و چگونگی کارکرد آن‌ها را بررسی کرده و مزایا و معایب هر کدام را ذکر نمودیم. لذا مطالعه‌ی آن به عنوان پیش نیاز برای این مقاله توصیه می‌شود.

همانطور که پیش‌تر در گزارش انرژی‌های تجدیدپذیر در ایران مشاهده کردید، مناطق شهری و روستایی ایران نیز همچون مناطق بکر خالی از سکنه پتانسیل بالایی برای بهره برداری از انرژی باد دارند و اینجاست که توربین بادی عمود محور  اهمیت پیدا می‌کند.

انواع توربین‌های بادی

به طور کلی توربین‌های بادی در دو نوع محور افقی (HAWT) و محور عمودی (VAWT) تقسیم می‌شوند که در نوشته‌ی انواع توربین بادی می‌توانید اطلاعات بیشتری کسب کنید.

به‌طور کلی توربین‌های بادی با محور افقی در سراسر جهان برای تولید برق متداول هستند. اما استفاده از آن‌ها در مناطق شهری ممکن نیست، به محیط زیست صدمه می‌زنند و هزینه اولیه بسیار زیادی دارند. از این‌رو توربین‌های بادی عمود محور اهمیت پیدا می‌کنند.

تفاوت عمده‌ی توربین‌های بادی عمودی و افقی در نحوه چینش پره‌ها است. در توربین بادی افقی، پره‌ها در ارتفاع بالا قرار گرفته و رو به جهت وزش باد می‌چرخند در حالیکه ژنراتور در پشت آن‌ها در ارتفاع قرار دارد. اما در توربین‌های عمودی ژنراتور در پایین برج توربین قرار گرفته و پره‌ها به نوعی دور آن پیچیده‌اند.

توربین بادی عمود محور چیست؟

توربین‌های بادی عمود محور که در زبان انگلیسی Vertical Axis Wind Turbines یا (VAWT) خوانده می‌شوند، با هدف صرفه اقتصادی و کاربردی بودن در عین عملکرد کم صدا و بهینه، طراحی و ساخته می‌شوند.

این نوع توربین برای استفاده در مناطق مسی بسیار مناسب است، به طور کلی دو نوع توربین بادی با محور عمودی وجود دارد؛ روتور ساونیوس و داریوس.

ساونیوس به شکل یک گالون پلاستیکی است که از وسط نصف شده و به یک محور دوار وصل شده است. داریوس اما به یک همزن تخم مرغ شباهت دارد. مدل‌های دیگری از روتور‌های توربین بادی عمودی نیز اختراع شده‌اند ولی به طور عمده مورد استفاده قرار نگرفته اند.

در توربین‌ها یا روتورهای محور عمودی، محور دوران عمود بر سطح زمین و چرخش تیغه ها به موازات زمین است. و به همین دلیل سطحی که توسط باد به حرکت در می‌‏آید پس از نیم دور چرخش مجبور است در جهت عکس جریان باد به حرکت خود ادامه دهد و این مشکل سبب پایین آمدن ضریب توان آن‌ها می شود. به همین دلیل در این روتورها منحنی پره از اهمیت خاصی برخوردار است.

چون این توربین‌های بادی می‌بایست نزدیک‌تر به سطح زمین نصب شوند و در ارتفاع کم سرعت باد کمتر است، انرژی کمتری از سایز مشخص توربین تولید می‌شود. جریان هوا نزدیک زمین و دیگر اشیا می‌تواند جریان مغشوش ایجاد کند که باعث پیامدهای لرزش، سروصدا و خستگی یاتاقان‌ها می‌شود و در نتیجه هزینه‌ی نگهداری ممکن است افزایش یابد و عمر کاری کم شود.

انواع توربین‌های بادی عمودی

همانطور که گفتیم توربین‌های بادی عمودی به طور عمده از دو نوع ساونیوس و داریوس تشکیل می‌شوند که به اختصار شرح داده شد. در ادامه با جزییات بیشتری آن‌ها را بررسی می‌کنیم :

توربین بادی داریوس (Darrieus Wind Turbine)

توربین بادی داریوس که به دلیل ظاهر تخم مرغیش به همزن تخم مرغ (Eggbeater turbine) معروف است، در سال ۱۹۳۱ توسط جورج داریوس اختراع شد. داریوس ماشینی با سرعت بالا و گشتاور پایین است که برای تولید جریان برق متناوب (AC) مناسب است.

توربین‌های داریوس به‌طور معمول برای شروع کارکرد، به مقداری گشتاور راه انداز نیاز دارند. اگرچه این گشتاور اندک است ولی یکی از معایب این نوع توربین باد محسوب می‌شود.

برخی ویژگی‌های توربین بادی داریوس

• این توربین‌های همزن تخم مرغ شکل، کارایی مناسبی دارند اما قابل اطمینان نیستند.
• برای استفاده از توربین داریوس، باید یک منبع قدرت خارجی داشته باشید که گشتاور راه انداز را تأمین کند.
• بهتر است از توربینی استفاده کنید که حداقل سه پره داشته باشد.
• برای ساپورت این توربین باید از یک رو بنا (SuperStructure) استفاده کنید که در بالای یاتاقان فوقانی به توربین متصل شود.
• نسبت به توربین‌های ساونیوس برای تولید جریان برق بهینه‌تر هستند.

انواع توربین‌های بادی داریوس را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید:

توربین بادی ساونیوس (Savonius Wind Turbine)

توربین بادی ساونیوس بر خلاف داریوس با سرعت دورانی کمی می‌چرخد ولی گشتاور بالاتری تولید می‌کند. و با حداقل دو قاشقک (Scope) که به یک محور دوار وصل شده است، با بازدهی کم ولی قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به داریوس عمل می‌کند.

بیشتر توربین‌های بادی از نیروی برآ (Lift) حاصل از شکل آیرودینامیکی پره نیرو می‌گیرند ولی ساونیوس از نیروی پسا (Drag) قدرت می‌گیرد، لذا سرعت گردش آن از سرعت باد نمی‌کند.

برخی ویژگی‌های توربین بادی ساونیوس

• بهره‌وری کمتر به دلیل قدرت گرفتن از نیروی پسا (درگ)
• توربین باد ساونیوس در توان یکسان از داریوس بزرگتر است.
• به دلیل گشتاور بالا، برای کاربرد‌هایی مانند پمپ آب از چاه مناسب است.

توربین باد عمودی ساونیوس باید به طور غیر خودکار راه اندازی شود. سرعت کم آن باعث کاهش بهره‌وری و افزایش هزینه می‌شود.

مزایای توربین‌های بادی عمود محور

با توجه به بازدهی بالای توربین‌های محور افقی (HAWT) و کاهش قیمت آن‌ها در سال‌های اخیر، ممکن است از خود بپرسید: چرا باید از توربین باد عمودی استفاده کنم؟

در ادامه برخی مزایای توربین بادی عمود محور را ذکر می‌کنیم:

• اگر پشت بام مناسب یا سازه‌ی قدرتمندی ندارید، می‌توانید توربین باد عمودی خود را نزدیک زمین بسازید.
• اگر در منطقه‌ای که دارای کوه، دره و موانع دیگر وزش مستقیم باد است زندگی می‌کنید، توربین عمودی انتخاب مناسبی برای شماست.
• توربین‌های بادی عمودی به دلیل امکان نصب در نزدیکی سطح زمین، هزینه نصب و تعمیر و نگه‌داری کمتری دارند. همچنین به پرندگان آسیب کمتری وارد می‌کنند و حیات وحش را مختل نمی‌سازند.
• به مکانیزم پیچیده‌ای برای کارکرد نیاز ندارد.
• عملکرد مناسب با سرعت کمتر باد و جریان آشفته
• مهم ترین مزیت آن‌ها عدم نیاز به قرار گرفتن در جهت باد است. لذا در مناطقی که جهت وزش باد متغیر است مناسب هستند.
• در مکان‌هایی که محدودیت ارتفاع وجود دارد می‌توانید از توربین بادی عمود محور استفاده کنید.
• این توربین‌های نسبتاً کم صدا، ارزان و بهینه برای تأمین انرژی مناطق شهری و روستایی دور از دسترس بسیار مناسب هستند.

معایب توربین‌های بادی عمود محور

همانطور که مزایای توربین‌های بادی عمود محور را برشمردیم، لازم است که معایب آن را نیز ذکر کنیم. قبل از اینکه توربین مناسب خود را انتخاب کنید بهتر است که مزایا و معایب انواع مختلف آن‌ها را بررسی کرده و با یک کارشناس م کنید.
اگرچه توربین‌های بادی عمود محور تقریباً همیشه برای استفاده در مناطق مسی مناسب هستند.

برخی معایب توربین‌های بادی با محور عمودی:

• بهره‌وری آن‌ها در مقایسه با توربین‌های بادی افقی کمتر است. دلیل این کاهش بهره‌وری به‌طور عمده نیروی پسا‌ی وارد بر پره‌ها هنگام چرخش آن‌ها است.
• توربین‌ باد عمودی امکان بهره‌برداری از سرعت بالای باد در ارتفاع زیاد را به قدر کافی ندارد.
• نصب این نوع توربین روی برج های بلند مشکل است؛ بدین معنی که آنها باید در جریان های هوایی آهسته تر با اغتشاش بیشتر و نزدیک زمین با بازده استخراج انرژی پایین تر عمل کنند.
• به دلیل مسائل ذکر شده، طراحی و تحلیل پره (ایرفویل) توربین‌های عمودی سخت‌تر و گران‌تر است. بازده کم آن‌ها را می‌توان با چیدمان فشرده و طراحی‌های جدید بهبود بخشید.
• به دلیل اغتشاش جریان زیاد، سازه‌ی توربین‌های بادی عمودی در معرض خستگی قرار دارد. این مسئله نیز با پیش‌بینی بار‌های آیرودینامیکی تا حد زیادی قابل بهبود است.

تصویر زیر مربوط به بزرگترین توربین بادی عمود محور جهان در کانادا است.

کدام توربین باد برای من مناسب‌تر است؟

جواب مشخصی برای این سوال وجود ندارد. بهتر است با یک کارشناس در این زمینه م کنید تا بهترین گزینه را با توجه به نیاز و شرایط محیطی به شما پیشنهاد کند.

به‌طوری کلی توربین بادی عمود محور انرژی کمتری نسبت به توربین‌ باد افقی تولید می‌کند. هر نوع توربین ظاهر متفاوتی داشته و نوع عملکرد متفاوتی دارد، ولی همه‌ی آن‌ها با تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی از طریق یک محور دوار و ژنراتور کار می‌کنند.

اگر قصد صرفه جویی در هزینه‌ی انرژی و همچنین کمک به حفظ محیط زیست را دارید، بعد از تحقیق کافی و م با یک کارشناس انرژی، اقدام به نصب توربین بادی در منطقه مسی خود کنید.