18352

۱۸۳۵۲

طراحي، شبيه سازي و ساخت پمپ آب خورشيدي با استفاده از سيكل استرلينگ به منظور بررسي عوامل موثر بر عملكرد آن

كارشناسي ارشد

مهندسي سيستم هاي انرژي - انرژي و محيط زيست

شهريور ۱۳۹۶

دكتر روح اله احمدي

فناوري هاي نوين

هدف از انجام اين تحقيق، طراحي، ساخت و بهينه¬سازي پمپ آب خورشيدي با استفاده از موتور استرلينگ بود. جهت نيل به اين هدف، يك مدل اوليه معرفي شده و بر آن اساس طراحي مفهومي صورت گرفت. پس از طراحي مفهومي و توصيف چگونگي كاركرد سيستم، با تركيب معادلات مومنتم خطي، برنولي ناپايا و پيوستگي، معادلات حاكم بر پمپ پيشنهادي، يك مدل‏سازي رياضي توسعه داده شد. با تقسيم¬بندي پمپ به بخش¬هايي از ستون مايع و سپس اعمال قانون بقاي جرم، برنولي ناپايا و قانون دوم نيوتون، معادلات حاكم بر هر بخش توسعه و سپس با استفاده از ديگر روابط به يكديگر كوپل شدند. بر اين اساس، يك دسته معادلات ديفرانسيل غيرخطي براي ستون¬هاي مايع، پيستون قدرت و ديناميك فشار سيال كاري بدست آمد كه نياز به حل عددي داشتند. ابتدا معادلات ديناميك سيستم در فضاي حالت ارائه شدند، سپس جهت حل اين دسته معادلات ديفرانسيل غير خطي، روش رونگه-كوتاي مرتبه¬ي چهارم انتخاب شد و با استفاده از نرم¬افزار متلب، اين مدل رياضي به صورت عددي شبيه‏سازي شده و مورد تحليل كيفي قرار گرفت. پس از به دست آمدن نتايج اوليه شبيه‏سازي، با توجه به طبيعت غيرخطي سيستم مورد بررسي، مشخص شد كه تغيير يك سري از پارامترهاي طراحي، بسته به نوع نقطه تعادل باعث مي¬شود سيستم هر سه رفتار پايدار، ناپايدار و يا پايداري مرزي از خود حول نقطه تعادل از خود نشان دهد. بر اساس يافته¬ها، تصميم گرفته شد، پارامترهاي اثرگذار بر پايداري سيستم بهينه شوند. جهت اين مهم، از الگوريتم فرااكتشافي اجتماع ذرات استفاده شد. ابتدا به تعريف تابع هزينه سيستم مورد نظر پرداخته ¬شد و سپس، با توسعه كد در نرم¬افزار متلب بر مبناي الگوريتم اجتماع ذرات و استفاده از تابع هزينه تعريف شده، به بهينه¬سازي پارامترهاي طراحي سيستم پرداخته ¬شد. در نهايت نتايج بهينه¬سازي توسعه داده شدند. جهت ساخت نمونه آزمايشگاهي پمپ آب خورشيدي با استفاده از موتور استرلينگ، يك طراحي بر اساس نتايج و ابعاد و اندازه¬ي بدست آمده از بهينه-سازي سيستم مورد نظر صورت گرفت و پمپ مذكور ساخته شد. پس از ساخت مدل آزمايشگاهي، دستگاه بر اساس شرايط طراحي، تحت آزمايش قرار گرفت و يك سري داده عددي استخراج شدند. با استفاده از نرم-افزار متلب، اين داده¬ها به صورت نمودارهاي تحليلي رسم شده و مورد بررسي قرار گرفتند. نتيجه¬ي نهايي اينكه نتايج حاصل از آزمايش تجربي پمپ آب خورشيدي و مقايسه¬ي آن‏ها با نتايج حاصل از شبيه‏سازي و بهينه¬سازي صورت گرفته نشان داد كه گام¬هاي برداشته شده در مسير مدل‏سازي رياضي، شبيه‏سازي عددي و نهايتا بهينه¬سازي عددي در اين پايان¬نامه صحيح بوده و معتبر مي¬باشد.

1396/10/27

1/17/2018 12:00:00 AM

The purpose of this research is desinge, construction and optimization of solar water pump using Stirling engine. To achieve this goal, a primary model introduced and a conceptual designe base on that model done. According to conceptual designe, a comprehensive mathematical modeling developed combinig linear momentum, unsteady Bernoulli and continuity equations. Dividing water pump into parts of liquid pistons and applying conservation of mass, unsteady Bernoulli and Newton’s second law, governing equations of each part developed and coupled together. They are obtained as a first and four second order ordinary differential equations. The obtained differential equations are rewritten to nine first order differential equations and solved employing 4th order Runge-Kutta numerical method in MATLAB software. The preliminary behavior of the system simulated using some initial parameters in MATLAB software. According to nonlinear behavior of proposed solar water pump, based on input parameters, the system can be in steady state, unsteady state, or even marginal stable state. This fact caused based on mentioned objectives, an objective function is proposed and eventually, the decision design parameters found by an optimization scheme using a particle swarm optimization (PSO) Evolutionary algorithm and according to the considered operating conditions. Finally, optimization results developed and based on them, a prototype constructed and tested. Experimental results of solar water pump and comparison of them with simulation and optimization results indicated that the mathematical modeling of the proposed solar water pump was valid.