انرژی بادی و توربین های بادی

 

انرژی بادی و توربین های بادی

 

  • انرژی باد

انرژی باد مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر، از نظر جغرافیایی گسترده و در عین حال به صورت پراکنده تقریباً همیشه در دسترس می باشد. هزاران سال است که انسان ها با استفاده از آسیاب های بادی، تنها جزء بسیار کوچکی از آن را استفاده می کند.

 این انرژی تا پیش از انقلاب صنعتی به عنوان یک منبع انرژی، به طور گسترده مورد بهره برداری قرار می گرفت، ولی در دوران انقلاب صنعتی استفاده از سوخت های فسیلی به دلیل ارزانی و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرژی باد شد. تا این که در سال های ۱۹۷۳ و ۱۹۷۸ دو شوک بزرگ نفتی، ضربۀ بزرگی به اقتصاد انرژی های حاصل از نفت و گاز وارد کرد به طوری که باعث ایجاد تمایلات جدیدی در زمینۀ کاربرد تکنولوژی باد جهت تولید برق متصل به شبکه، پمپاژ آب و تأمین انرژی الکتریکی نواحی دور افتاده شد.

همچنین در سال های اخیر، مشکلات زیست محیطی و مسائل مربوط به تغییر آب و هوای کرۀ زمین به علت استفاده از منابع انرژی فسیلی بر شدت این تمایلات افزوده است. در سال ۱۹۸۰ اولین توربین برق بادی متصل به شبکۀ سراسری نصب گردید. بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعۀ برق بادی چند مگاواتی در آمریکا نصب و به بهره برداری رسید. در پایان سال ۱۹۹۰ ظرفیت توربین های برق بادی متصل به شبکه در جهان به ۲۰۰MW رسید که توانایی تولید سالانه ۳۲۰۰Gwh برق را داشته که تقریباً تمام این تولید مربوط به ایالت کالیفرنیای آمریکا و کشور دانمارک بود.

 امروزه کشورهای دیگر نظیر هلند، آلمان، بریتانیا، ایتالیا و هندوستان برنامه های ملی و ویژه ای را در این راستا آغاز کرده اند به طوری که آلمان با تولید بیش از ۱۸۰۰۰ مگاوات برق سعی دارد بیشترین استفاده را از این انرژی تجدیدپذیر ببرد.

 

 

 

  • تاریخچۀ استفاده از انرژی باد

منابع تاریخی نشان می دهند بشر از دیر باز به نیروی بی پایان باد پی برده بود و سال ها بود که از این انرژی برای به حرکت در آوردن کشتی ها و آسیاب های بادی بهره می گرفت. ساخت آسیاب ها در ایران، عراق، مصر و چین قدمت باستانی داشته و در این تمدن ها، از آسیاب های بادی برای خرد کردن دانه ها (ایرانیان ۲۰۰ سال قبل از میلاد) و پمپاژ آب استفاده می شده است. در قرن ۱۷ قبل از میلاد، حمورابی پادشاه بابل طرحی ارائه داده بود تا بتوان به کمک آن دشت حاصلخیز بین النهرین را توسط انرژی باد آبیاری نمود. آسیاب هایی که آن زمان ساخته می شدند از نوع ماشین های محور قائم و شبیه به آن هایی هستند که امروزه آثار آن ها در اطراف خواف، گناباد و تایباد ایران به چشم می خورد.

 

آسیاب های بادی روستای نشتیفان

 

شکل (۱) نمونه‌ای از آسیاب‌های بادی قدیمی روستای نشتیفان، شهرستان خواف در استان خراسان رضوی

 

 

  • منشأ باد

تابش نامساوی خورشید به سطوح ناهموار زمین باعث تغییراتی در دما و فشار می گردد و بر این اساس باد به وجود می آید. اتمسفر کرۀ زمین هم به دلیل حرکت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد. جریانات اقیانوسی نیز به صورت مشابه عمل نموده و عامل ۳۰ ٪ انتقال حرارت کلی در جهان می باشند. دوران کرۀ زمین هم می تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره ای در اتمسفر، انرژی مضاعف ایجاد نماید.

باد یکی از صورت های مختلف انرژی حرارتی خورشید می باشد که دارای یک الگوی جهانی نیمه پیوسته می باشد. تغییرات سرعت باد، ساعتی، روزانه و فصلی بوده و از هوا و توپوگرافی سطح زمین تأثیر می پذیرد. بیشتر منابع انرژی باد در نواحی ساحلی و کوهستانی واقع شده اند.

توزیع باد به طور کلی جریان باد در جهان دارای دو نوع توزیع می باشد:

 

الف) جریان چرخش هادلی

بین عرض های جغرافیایی ۳۰ درجه ی شمالی و ۳۰ درجه ی جنوبی هوای گرم استوایی به بالا صعود کرده و هوای سردتر که از شمال و جنوب می آید جایگزین آن می شود. این جریان را چرخش هادلی می نامند. به دلیل کم تر بودن سرعت دوران زمین در این عرض ها نسبت به استوا این جریان ها به سمت شرق حرکت می کنند. معمولاً در این عرض های جغرافیایی نواحی بیابانی مانند صحرا قرار دارند.

 

ب) جریان چرخشی راسبی

 حد فاصل عرضه ای جغرافیایی ۳۰ درجۀ شمالی و جنوبی و ۷۰ درجۀ شمالی و جنوبی عمدتاً بادهای غربی در جریان هستند. این بادها تشکیل یک چرخش موجی را می دهند که هوای سرد را به جنوب و هوای گرم را به شمال منتقل می کنند. این الگو را جریان راسبی می نامند.

 

 

 

 

 

 

توزیع جهانی باد

 

شکل (۲) توزیع جهانی باد

 

 

  • مزایای بهره برداری از انرژی باد

انرژی باد نیز مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر مزایایی نسبت به انرژی های تجدیدناپذیر دارد.

۱- عدم نیاز توربین های بادی به سوخت، که در نتیجه از میزان مصرف سوخت های فسیلی می کاهد.

۲- رایگان بودن انرژی باد.

٣- کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد نسبت به انرژی های فسیلی

۴- کم تر بودن هزینه های جاری و هزینه های سرمایه گذاری انرژی باد در بلند مدت

۵- تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار.

۶- قدرت مانور زیاد، جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه.

۷- عدم نیاز به آب.

۸- عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب.

۹- نداشتن آلودگی محیط زیست

 

 

  • انرژی باد و توربین های بادی

در توربین های بادی انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد.

توربین های بادی را می توان جهت استفادۀ بهینه و تولید توان بیشتر با سلول های خورشیدی (فتوولتائیک) ترکیب نمود. در حال حاضر بیشترین ظرفیت توربین های بادی نصب شده در چند دهۀ گذشته از نوع متصل به شبکه بوده است. البته گاهی اوقات در نواحی دور افتاده از توربین های بادی منفصل از شبکه استفاده می شود.

 

 

چگونگی تولید برق توسط توربین بادی

 

شکل (۳) چگونگی تولید برق توسط توربین بادی

 

 

 

  • انواع توربین های بادی

الف) توربین های بادی با محور چرخش عمودی

 توربین های بادی با محور عمودی نظیر (ساوینوس، داریوس، صفحه ای و کاسه ای و …) از دو بخش اصلی تشکیل شده اند. یک میله اصلی که در جهت باد قرار می گیرد و میله های عمودی دیگری که عمود بر جهت باد کار گذاشته می شوند. این توربین ها قطعاتی با اشکال گوناگون دارند که باد را در خود جمع می کند و محور اصلی را می گردانند.

در این توربین ها یک طرف توربین، باد را بیشتر از طرف دیگر جذب می کند و باعث می شود سیستم لنگر پیدا کند. سرعت چرخش این سیستم دقیقاً با سرعت باد برابر بوده و در مناطقی که سرعت باد کم است، چندان کار آمد نیست. از مزایای این توربین ها وابسته نبودن سیستم به جهت وزش باد می باشد.

 

توربین بادی با محور عمودی

 

توربین بادی با محور عمودی

 

شکل (۴) توربین بادی با محور عمودی

 

 

ب) توربین های بادی با محور چرخش افقی

این توربین ها نسبت به مدل محور عمودی رایج تر می باشند، توربین های بادی با محور افقی پیچیده تر و گران تر و ساخت آن ها هم مشکل تر است ولی راندمان بسیار بالایی دارند. در همۀ سرعت ها حتی سرعت های پایین باد هم کار می کنند. در انواع پیشرفته تر می توان جهت آن ها را با جهت وزش باد تنظیم کرد. این توربین ها اغلب ۳ و یا ۲ پره هستند که روی یک پایه نصب شده اند و این پره ها همواره در جهت وزش باد قرار می گیرند.

 

 

 

توربین بادی با محور افقی

 

توربین بادی با محور افقی

 

شکل (۵) توربین بادی با محور افقی

 

 

 

 

  • چگونگی کار توربین ها

مراحل کار یک توربین کاملاً بر عکس مراحل کار یک پنکه است. در پنکه انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل شده و باعث چرخیدن پره می شود. در توربین، باد به پره ها برخورد می کند و آن ها را می چرخاند. چرخش پره ها سبب چرخش محور اصلی می شود و این محور به یک ژنراتور برق متصل است. توربین های بادی عمودی امروزه می توانند بین ۵ تا ۶۵۰۰ کیلووات برق تولید کنند.

 

روش کار توربین بادی

 

شکل (۶) روش کار توربین بادی

 

  • اجزاء اصلی توربين ها

 به طور کلی اجزاء مختلف یک توربین به شرح زیر می باشد:

۱- پره ها، بیشتر توربین ها ۲ یا ۳ پره دارند، باد به پره ها برخورد می کند و باعث چرخش آن ها می شود.

۲- ترمز، با استفاده از سیستم ترمز دیسکی می توان توربین را به طور هیدرولیکی در مواقع عادی و حتی اضطراری متوقف کرد.

٣- بخش کنترل: توربین را هنگامی که سرعت باد بین ۴ تا ۲۵ متر بر ثانیه است به کار می اندازد و هنگامی که سرعت باد بالاتر از ۲۵ متر بر ثانیه می رسد به خاطر بالا رفتن استهلاک و مشکلات دیگر آن را متوقف می کند. در سرعت های بالای ۳۰ متر بر ثانیه امکان سقوط برج ها نیز وجود دارد.

۴- جعبه دنده (گیربکس): گیربکس توربین های بادی می تواند سرعت کم چرخش محور پره ها را با ضریب تبدیل مثبت به سرعت بالا که در ژنراتور استفاده می شود، تبدیل کند.

۵- ژنراتور: در حقیقت بخش تبدیل انرژی مکانیکی باد به انرژی الکتریکی ژنراتور است. ژنراتورهای به کار برده شده، ژنراتورهای آسنکرون و سنکرون می باشند.

۶- ناسل: قسمت اصلی توربین بادی، که روتور به آن متصل است را ناسل گویند. ناسل در بالای برج قرار دارد شامل جعبه دنده، شفت اصلی ژنراتور، بخش کنترل و ترمز می باشد. بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند.

۷- روتور: به مجموعه ی تیغه ها و توپی وسط آن ها روتور می گوییم. در گذشته توربین های بادی با سرعت دورانی ثابت (دور روتور) کار می کردند، اما مدله ای امروزی تقریباً سیستم یک سرعته را کنار گذاشته اند. از میان ۵۸ مدل توربین موجود، ۲ مدل یک سرعته، ۲۲ مدل ۲ سرعته و ۳۴ مدل با سرعت متغیر وجود دارند.

۸- دکل: معمولاً از فولادی های استوانه ای و یا شبکه ای از میله های فولادی ساخته می شوند. چون سرعت باد با افزایش ارتفاع زیاد می شود، دکل های بلند باعث می شوند توربین انرژی بیشتری بگیرد و الکتریسیته ی بیشتری تولید کند.

۹- سنسورهای اندازه گیری: شامل دو سنسور سرعت سنج و جهت نما می باشند که اولی سرعت و دومی جهت باد را به دقت مشخص می کند. این سنسورها اطلاعات را به بخش کنترل می دهند و بر اساس این داده ها زمان کار توربین و زاویه ی چرخش انحراف مشخص می شود.

۱۰- موتور انحراف: یک سیستم ترکیبی الکتریکی مکانیکی است، هدایت این سیستم توسط واحد کنترل انجام می شود. این سیستم فقط در توربین های بزرگ متصل به شبکه کاربرد دارد. در توربین های بادی کوچک به جای چرخ انحراف از بالچه استفاده می کنند. این بالچه توسط جریان باد، خود به خود توربین را در راستای مناسب قرار می دهد.

 

 

اجزای اصلی توربین

 

 

شکل (۷) اجزای اصلی یک توربین با محور افقی

 

 

 

  • کاربردهای توربین های بادی

الف) پمپ های بادی آبکش.

ب) شارژ باتری.

پ) کاربرد توربین های کوچک به عنوان تولید کنندۀ برق.

ت) کاربرد توربین های بادی در مزارع بادی (برق متصل به شبکه).

مزارع بادی معمولاً از چندین توربین بادی متمرکز تشکیل می شوند که به منظور تأمین انرژی شبکه طراحی شده و این موضوع در مقابل توربین های بادی منفرد که به منظور تأمین انرژی بار محلی طراحی می گردد، مطرح است. سیاست های ملی تولید انرژی، تعیین کنندۀ بازار پراکنده توربین های متصل به شبکه است.

به عنوان مثال در آمریکا، دانمارک، هلند و آلمان به افراد اجازه داده می شود که توربین های بادی در تملک خود را به شبکه وصل نموده و تولید اضافی خود را به سازمان برق محلی بفروشند. در کشور ما دفتر باد و امواج سازمان انرژی های نوی ایران (سانا) به منظور توسعه، ترویج، برنامه ریزی، نظارت و مدیریت اجرای طرح ها و بهره برداری از انرژی بادی اقدام به ساخت، نصب و خرید توربین های برق بادی به شرح ذیل نموده است:

 ١- مدیریت طراحی، ساخت و نصب توربین های بادی ۶۰۰ کیلووات منجیل و ۱۰ کیلو وات تبریز.

 ۲- مدیریت و بهره برداری دو واحد توربین بادی ۱۳۰ کیلووات دیز آباد (استان خراسان).

٣- پروژه احداث مزرعه ی بادی ۶۰ مگاواتی منجیل با مشارکت ژاپن.

۴- پروژه احداث مزرعه ی بادی ۲۵ مگاواتی منجیل با همکاری سازمان جهانی GEF و بانک جهانی.

 

 

 

  • انرژی باد و محیط زیست

در بین انرژی های تجدیدپذیر، انرژی باد یکی از اقتصادی ترین روش های تولید برق است که آلودگی نداشته و پایان ناپذیر می باشد. طبق آمار موجود تولید هر کیلووات ساعت انرژی الکتریکی از باد می تواند از انتشار حدود یک کیلو گرم CO2 در مقایسه با نیروگاه های سوخت فسیلی جلوگیری نماید. برای نمونه در منطقۀ منجیل هر توربین ۵۰۰ کیلووات، در سال حداقل ۱۵۰۰۰۰ کیلووات ساعت انرژی الکتریکی تولید می کند که باعث کاهش آلاینده های محیط زیست خواهد گردید.

از طرف دیگر می توان به جاذبه های طبیعی و چشم انداز سیستم های انرژی بادی که در معرض دید افراد قرار می گیرند اشاره کرد که نمادی از انرژی پاک برای مردم تلقی می گردد. در ضمن از سطح زمینی که برای احداث مزرعۀ برق بادی اختصاص می یابد و ۹۰ ٪ آن قابل استفاده می باشد.

 

 

 

مقالات مرتبط