انرژی باد و توربین‌های بادی

مزایای استفاده از انرژی بادی

  • عدم نیاز توربین‌های بادی به سوخت که در نتیجه از میزان مصرف سوخت‌های فسیلی می‌کاهد.
  • رایگان بودن انرژی باد
  • توانایی تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق
  • کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد در بلند مدت
  • تنوع بخشیدن به منابع انرژی و رویکرد به سوی سیستم پایدار انرژی
  • قدرت مانور زیاد جهت بهره‌برداری در هر ظرفیت و اندازه (از چند وات تا چندین مگاوات)
  • عدم نیاز به آب (در مقایسه با نیروگاههای متعارف همچون سد و…)
  • عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
  • ایجاد اشتغال
  • نداشتن آلودگی‌های زیست محیطی

قدرت باد

قدرت نامی موجود در باد را می توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد.

P = work / time

p= ½ mv²/t = ½ (ρAd) v²/t = ½ pAv²

d/t = v

P = ½ ρAv³

P – قدرت باد (وات)

ρ – وزن مخصوص هوا (چگالی یا دانسیته)

A – سطح دایره‌ای شکل جارو شده توسط پره‌های روتور

V – سرعت نسبی باد که حاصل از برآیند دو سرعت واقعی در محیط و سرعت روتور می‌باشد.

قدرت توربین بادی :

P = Cp ½ ρ A V³

Cp – ضریب قدرت نامیده می شود که طبق تعریف، درصدی از انرژی باد است که به انرژی مکانیکی تبدیل می شود

اگر بتوان سرعت روتور را متناسب با سرعت باد کنترل نمود، همواره می‌توان از ضریب قدرت ماکزیمم برخوردار بود.

بر اساس تئوری بتز، برای اخذ حداکثر انرژی ممکن، روتور توربین بادی باید بگونه‌ای تعبیه گردد که سرعت جریان در پائین دست روتور (پشت روتور) ۳/ ۱ سرعت بالا دست (مقابل روتور) باشد. بدین ترتیب مقدار ضریب قدرت ماکزیمم:

Cp max: 0.593

لازم به ذکر است که ۵۹.۳ % ضریب قدرت با در نظر گرفتن شرایط ایده‌آل بدست آمده و این مقدار در واقعیت پائین‌تر می‌باشد.

نیروگاه‌های بادی

مکان تولید برق از نیروی باد توسط توربین‌های بادی را اصطلاحا نیروگاه بادی می‌نامیم.این نیروگاه‌ها از نظر ظرفیت به سه گروه نیروگاه‌های کوچک، متوسط و بزرگ (مگاواتی) تقسیم بندی می شوند.

نوع نیروگاه

ظرفیت (کیلووات)

قطر روتور بطور میانگین

توضیحات

کوچک

کمتر از ۸۰ کیلوات

تا ۲۰ متر

اغلب برق تولید شده از این نیروگاه‌ها به مصرف خصوصی می‌رسد.

متوسط

بین ۸۰ تا ۷۵۰ کیلووات

۲۰ تا ۴۵ متر

معمولاً صاحب این نیروگاه‌ها تعاونی‌های برق بادی و یا شرکت‌های خصوصی برق هستند که به شبکه‌ی سراسری برق می‌دهند.

بزرگ

بیش از ۷۵۰ کیلووات

بیش از ۴۵ متر

سرمایه‌گذاری لازم برای این نیروگاه‌ها جهت نصب و بهره‌برداری معمولاً به چند میلیون یورو بالغ می‌گردد.

ظرفیت نصب شده انرژی بادی در جهان

نمودار زیر بر اساس مطالعات صورت گرفته در WWEA «انجمن جهانی انرژی بادی» و در خصوص ظرفیت نصب شده جهانی انرژی بادی می‌باشد.

نمودار، ظرفیت نصب شده جهانی از سال ۲۰۰۱ تا ۲۰۱۰ را با هم مقایسه می‌نماید.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-07

مقایسه بیانگر روند روبه رشد بهره‌گیری از انرژی بادی در جهان است. به گونه‌ای که ظرفیت جهانی از حدود ۲۴۰۰۰ مگاوات در سال ۲۰۰۱ به بیش از ۱۵۹۰۰۰ مگاوات در سال ۲۰۰۹ رسیده و پیش بینی می شود این عدد در سال ۲۰۱۰ به پیش از ۲۰۰۰۰۰ مگاوات برسد.

کشورهایی که بالاترین ظرفیت نصب شده جهانی را تا انتهای سال ۲۰۰۹ دارا هستند شامل آمریکا با ۳۵۱۵۹ مگاوات ،آلمان با ۲۵۷۷۷ مگاوات ،چین با ۲۵۱۰۴ مگاوات ،اسپانیا با ۱۹۱۴۹ و هند با ۱۰۹۲۵ مگاوات می باشند.

رشد چشمگیر صنعت انرژی بادی در سال ۲۰۰۷ بیانگر این واقعیت است که تصمیم گیران جهانی انرژی بادی علاقمند به گسترش و بهره گیری روزافزون این انرژی هستند. با این وجود باید توجه داشت که انرژی بادی، فناوری نوینی است که جهت بهره برداری، نیاز به چارچوب‌ها و سیاست‌های ویژه‌ای دارد.

برای دومین سال پیاپی صنعت انرژی بادی آمریکا با نصب حدود ۲.۵۰۰ مگاوات، آن کشور را به بزرگترین و جدیدترین بازار صنعت انرژی بادی بدل کرده است. به گفته رئیس انجمن انرژی بادی آمریکا AWEA، رشد بالای انرژی بادی در آمریکا این واقعیت را اثبات می‌نماید که باد اصلی‌ترین انتخاب این کشور برای تولید انرژی در میان سایر انرژی‌های جدید می‌باشد. پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که ۱۵.۲۸۵ مگاوات مجموع انرژی بادی نصب شده در آمریکا در سال ۲۰۰۷ به حدود ۴۸.۰۰۰ مگاوات در ۲۰۱۵ برسد.

همچنین انتظار می‌رود مجموع ظرفیت انرژی بادی نصب شده در کشور کانادا با رشد چشمگیری معادل ۱۰ برابر تا سال ۲۰۱۵ روبرو بوده و از ۱,۸۵۶ مگاوات در ۲۰۰۷ به حدود ۱۴.۰۰۰ مگاوات ارتقا یابد.

بازار انرژی بادی اروپا از کل ظرفیت نصب شده ۹۴.۰۰۰ مگاوات در انتهای ۲۰۰۷ به حدود ۱۳۰.۸۱۶ مگاوات در انتهای ۲۰۱۵ خواهد رسید. در این میان اسپانیا همچنان به عنوان بزرگ‌ترین بازار پیشرو در اروپا باقی مانده و پیش‌بینی می‌شود تا ۲۰۱۵ به طور میانگین سالیانه ۲.۲۰۰ مگاوات به انرژی بادی نصب شده در اسپانیا افزوده گردد.

توربین‌های بادی

پارامترهای مهم در انتخاب توربین

مهم‌ترین مواردی را که بایستی در انتخاب توربین جهت تولید الکتریسیته در نظر گرفت عبارتند از:

الف – قدرت نسبی: در این ارتباط توربین‌های بادی از نوع محور افقی به سبب تولید ضریب کارائی بهتر و توان بالا نسبت به توربین‌های محور عمودی ارجحیت دارند.

ب – ظرفیت اقتصادی: توربین‌های با ظرفیت بالا به سبب توان تولیدی بیشتر که اولاً قابل اتصال به شبکه و ثانیاً دارای توجیه اقتصادی شامل سرمایه گذاری اولیه و برگشت سرمایه مناسب‌تری هستند، مورد توجه بیشتری می‌باشند.

هرچه توربین با ظرفیت بالاتری انتخاب شود انرژی بیشتری تولید خواهد نمود و از نظر اقتصادی هزینه واحد انرژی پائین خواهد بود. البته توربین‌های بادی در حد چند مگاوات دارای پیچیدگی خاص بوده، به علت وزن بسیار سنگین و مراقبت‌های ویژه، همچنین ملاحظات مربوط به حمل و نقل، نصب و نگهداری، معمولاً توصیه نمی‌شوند. لذا مناسب‌ترین آنها در حال حاضر توربین‌های با قدرت ۴۰۰ کیلووات تا یک‌ونیم مگاوات می‌باشند.

ج- اندازه: ماشین‌های بادی که نسبت به ماشین‌های مشابه خود از قطر کمتر و توان بالاتر، در نتیجه انرژی تولید سالیانه بیشتر برخوردار باشند و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشند.

د- سرعت: مولدهایی که سرعت شروع پائین داشته باشند و سرعت نامی آن‌ها نزدیک به سرعت متوسط باد در منطقه با گرایش به سمت سرعت حامل بیشترین مقدار انرژی باشند و برای سرعت انفصال بالاتری طراحی شده باشند مناسب‌ترند.

ه- نوع ساختار تعمیرات و نگهداری: هر چه ساختار توربین بادی ساده‌تر و تعمیرات آن آسان‌تر باشد هزینه نگهداری آن کمتر است و برای نصب در مزارع پیشنهادی الویت دارد.

و- خدمات پس از فروش: انتخاب توربینی بهتر است که از خدمات پس از فروش مطمئن و مناسب برخوردار باشد و بیشترین امکان انتقال تکنولوژی را داشته باشد.

انواع توربین‌ها‌ی بادی:

– محور افقی

– محور قائم

مهمترین جاذبه توربین‌های محور قائم عدم نیاز آنها به هر نوع سیستم جهت یابی می‌باشد در حالیکه این سیستم یکی از ضروری‌ترین وسایل برای مبدل‌های محور افقی محسوب می گردد و وسیله‌ای است که روتور را دائما در جهت باد قرار می‌دهد (در صورتیکه جهت باد تغییر کند). بنابراین توربین‌های محور قائم از هزینه‌ای که باید صرف این سیستم شود و یا افت‌هایی که از خطای این سیستم و یا تاخیر آن در پاسخ به تغییر جهت باد ناشی می‌شود بر حذر می‌باشند.

در توربین ژنراتورهای بادی بزرگ سیستم انتقال قدرت و افزایش دور یکی از فاکتورهای موثر در قیمت و وزن کل مبدل می‌باشد.

طرح توربین‌های محور قائمی نظیر (داریوس) این اجازه را می‌دهد تا بتوان سیستم انتقال قدرت را نزدیک و یا بر روی سطح زمین نصب نمود. در حالیکه در توربین‌های محور افقی این سیستم با مشکل زیاد در بالای برج نصب می‌گردد.

توربین‌های محور قائم با پره‌های مستقیم از انعطاف پذیری بیشتری برخوردارند زیرا جعبه دنده را می‌توان بالای برج و یا پای آن تعبیه نمود. بنابراین طراح در انتخاب جعبه دنده برای توربین‌های محور قائم از نظر وزن و شکل محدودیتی نخواهد داشت و این امر می‌تواند موجب کاهش قیمت توربین شود.

در حال حاضر توربین‌های محور افقی بیشتر مورد توجه طراحان می باشند زیرا اینگونه توربین‌ها نسبت به توربین‌های محور قائم از سابقه بیشتری برخوردارند.

دکل بادسنجی

جهت اندازه گیری سرعت و جهت باد برای محاسبه میزان انرژی قابل استحصال از منطقه و شناخت جوی آن بکار گرفته می‌شود. بادسنج‌ها دارای انواع گوناگونی می‌باشند که شامل موارد زیر است:

باد سنج کاسه‌ای

همانگونه که در شکل مشاهده می‌شود، این نوع از بادسنج از ۳ یا ۴ نیم دایره تشکیل شده که هر یک به انتهای یک بازوی افقی متصل می باشند که برروی یک محور قائم و در ارتفاعات مختلف نصب شده‌اند. اساس کار این بادسنج

بر این واقعیت است که مقاومت سطح مقعر شکل در برابر جریان هوا بیش از سطح محدب شکل کاسه می‌باشد. به کمک این بادسنج می‌توان سرعت باد را با دقت‌های مختلف اندازه‌گیری نمود.

بادسنج عقربه دار

در این نوع از بادسنج سرعت چرخش فنجان یا پره به شمارش‌گر منتقل شده که مستقیما سرعت باد را محاسبه می‌کند.

بادسنج دستی

این نوع از بادسنج قابل حمل بوده و توسط شخص جهت اندازه‌گیری سرعت باد لحظه‌ای حمل می‌شود.

بادسنجی به کمک فشار باد

در این نوع بادسنج سرعت باد بوسیله فشارهای دینامیکی باد محاسبه می‌شود. با دمیدن باد به داخل یک لوله، فشار آن بیش از فشار استاتیک افزایش می‌یابد، این در حالی است که با دمیدن باد در طول لوله فشار آن کمتر از فشار استاتیک افزایش می‌یابد. این اختلاف فشار برابر است با توان دوم سرعت باد.

بادسنج لیزری

این نوع بادسنج دارای دقت بالامی‌باشد که کاربردهای آزمایشگاهی دارد.

ایستگاه‌های باد سنجی علاوه بر سرعت باد پارامترهای دیگری مانند: جهت باد، دمای منطقه، میزان رطوبت، شدت تشعشع و میزان فشار هوا را اندازه‌گیری می‌کنند. برای سنجش هر کدام از عوامل فوق حس‌گر مخصوص این کمیت نصب و توسط آن، مقدار کمیت سنجیده می‌شود.

سرعت باد مهمترین عاملی است که در یک دستگاه بادسنجی اندازه‌گیری می‌شود. هر ایستگاه حداقل دارای ۳ حس گر بادسنج است که در ارتفاع ۱۰ ، ۲۰ و ۴۰ متری نصب شده و سرعت باد را اندازه گیری می‌کنند. (استاندارد ارتفاعی کشورهای مختلف متفاوت است ).

طبق آخرین استانداردهای سازمان هواشناسی اطراف ایستگاه بادسنجی تا شعاع ۹۰ متری نباید هیچگونه موانع طبیعی یا مصنوعی نسبتا بزرگ قرار داشته باشد. سنسورهای بادسنجی امروزه از نظر ساخت تنوع بسیار زیادی دارند ولی از نظر ساختاری به دو دسته بزرگ تقسیم می شوند: نوع مکانیکی و الکتریکی (اولتراسونیک).

بادسنج فنجانی از انواع مکانیکی می باشد. اندازه‌گیری جهت باد نیز معمولاً به وسیله بادنماها صورت می‌گیرد. اطلاعات به صورت مکانیکی یا الکترونیکی به نمایشگر یا نگارنده فرستاده می‌شود. این اطلاعات یا به صورت درجه و یا با تقیسم بندی جهات به هشت قسمت (شمال، جنوب، شرق،…) با دقت حداکثر مثبت یا منهای یک درجه  بدست می‌آیند. در هوای طوفانی معمولاً نتایج تا مثبت و منهای ۳۰ درجه دارای خطا هستند.

برگه‌ها : 1 2 3 4 5 6 7