گرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان

گرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان

­­برای گرمایش خورشیدی پسیو دو اقدام اولیه باید صورت گیرد:

        استفاده از شیشه در وجه جنوبی

        استفاده ازجرم حرارتی جهت جذب کردن، ذخیره سازی و انتشار گرما

 3 روش کلی برای سیستم های پسیو وجود دارد:

1-     کسب مستقیم

2-      کسب غیر مستقیم

3-       ایزوله کردن

هدف همه سیستم های گرمایش خورشیدی ذخیره سازی گرما توسط مصالح ساختمانی و رها سازی آن در زمانهایی است که تابش خورشید وجود ندارد. هنگامیکه مصالح ساختمانی گرما را برای استفاده های بعدی ذخیره می نمایند گرمایش خورشیدی فضای مطلوبی را برای داخل خانه مهیا می نماید.

1) کسب مستقیم :

معمولترین سیستم خورشیدی پسیو، کسب مستقیم نامیده می ‎شود. کسب مستقیم مربوط به نور خورشید است که از پنجره­ها وارد ساختمان می ‎شود و فضای داخلی منزل را گرم می ‎کند. طی ساعات آفتابی این گرما در جرمهای حرارتی سقفها یا دیوارهای داخلی با جنس آب، سنگ، بتون آجر ذخیره می ‎شود. گرمای ذخیره شده در جرم حرارتی در طی ساعاتی که آفتاب غروب کرده است به درون منزل منتقل می ‎شود. طراحی یک سیستم کسب مستقیم عبارت است از محاسبه سطح پنجره و میزان جرم حرارتی مورد نیاز جهت گرم کردن فضای منزل بطور کلی مساحت شیشه درکسب مستقیم باید حداقل 7 صدم مساحت سقف خانه باشد و از 12 درصد ان تجاوز نکند. در کسب مستقیم شیشه های دوجداره نیز توصیه می ‎شوند.

 

در این سیستم فضای منزل ، یک کلکتور خورشیدی، جاذب گرما و سیستم توزیع می باشد. شیشه ضلع جنوبی انرژی خورشیدی را به داخل خانه جائیکه جرم حرارتی مانند دیوارها و کف بطور مستقیم و غیر مستقیم تحت تابش این نور قرار می گیرند هدایت می کند. سیستم کسب مستقیم 75-40 درصد از انرژی خورشیدی برخورد کرده به پنجره را مصرف می کند.

در سیستم کسب مستقیم دیوارها و کفها به عنوان جرم حرارتی بخشهای عملیاتی خانه هستند. همچنین می توان با استفاده از مخازن آب ،گرما را ذخیره کرد .

جرم حرارتی در اثر جذب گرما در طی روز گرم می شود و در شب گرما را به فضای منزل هدایت می کند اکثر سیستمهای خورشیدی پسیو با عطف به جرم حرارتی یا موادی با ظرفیت جذب و ذخیره گرمای بالا (آجر،بتون،موزائیک،آب) کار می ‎کنند. جرم حرارتی را می ‎توان در نقشه ساختمان، در قسمتهای سقف، دیوارهای داخلی، شومینه یا بالکنها بکار برد. این سطوح نیاز به تابش مستقیم خورشید ندارند اما باید رنگ آنها تیره باشد. میزان ذخیره سازی حرارت مواد مختلف وابسته به هدایت حرارتی، گرمای ویژه و چگالی آنها می ‎باشد. اغلب با افزایش چگالی، رسانایی گرما نیز افزایش می ‎یابد.

قوانین کلی سیستم کسب مستقیم:

1-    تحلیل یک ذخیره ساز گرمای خورشیدی که برای رسانش گرما به منزل استفاده می شود.

2-    ضخامت مصالح جرم حرارتی از 15.24 سانتی مترتجاوز نکند.

3-    کفهایی که بعنوان جرم حرارتی استفاده می شوند نباید توسط فرشهای سرتاسری کاملاً پوشیده شده و تا حد ممکن کاملاً بدون کف پوش باشند.

4-    استفاده از رنگ تیره برای کفها ، استفاده از رنگ روشن برای دیوارهای کم جرم و هر رنگ دلخواه برای دیوارهایی که بعنوان جرم حرارتی استفاده می شوند .

5-    برای هر0.09 مترمربع شیشه جنوبی ، 67.9 کیلوگرم مصالح ساختمانی یا 15.12 لیتر آب به عنوان جرم حرارتی استفاده می شوند.

6-     حفره های بلوکهای بتنی که بعنوان ذخیره ساز حرارتی استفاده می شوند با بتون پر شوند.

7-    استفاده از جرم حرارتی با ضخامت کم درفضای مسکونی با صرفه تر از جرم کلفتر سطوح متمرکز کننده می باشد .

 8-    مساحت سطوح جرمی بی حفاظ در معرض تابش باید 9 برابر مساحت شیشه ها باشد.

9-   دمای خورشیدی بدون استفاده از جرم حرارتی در کسب مستقیم استفاده می شود.

گرمایش خورشیدی پایه ترین تکنیک خورشیدی پسیو است که شامل افزایش تعداد پنجره ‎ها در وجه جنوبی و جنس پنجره ها به عنوان جرم حرارتی که اغلب در منازل رعایت می ‎شود می باشد. در خانه خورشیدی حدود 25% پنجره ‎ها روبه جنوب بوده و 3% آن در سقف خانه ها قراردارد. صرفه جویی انرژی در این روش کم بوده اما هزینه پایینی در بردارد.

2)کسب غیر مستقیم :

در یک سیستم کسب غیر مستقیم، جرم حرارتی بین فضای منزل و خورشید قرار گرفته و پرتو خورشیدی که به آن می رسد را جذب می کند و از طریق رسانش به فضای منزل منتقل می کند. سیستم کسب غیر مستقیم 30 تا 45 درصد از انرژی خورشیدی که به شیشه بعنوان جرم حرارتی می رسد را مصرف می نماید.

انواع سیستمهای کسب غیر مستقیم عبارتند از:

1- سیستم دیوار انباشتگر حرارت (دیوارهای ترومب)

2-    سیستم حوضچه ای

3-    دیوار آبی

1)دیوار ترومب

 

در این سیستم، جرم حرارتی تقریباً پشت شیشه ضلع جنوبی قرار داده می شود

دریچه هایی در بالا و پایین دیوار ترومب وجود دارند که به گرما اجازه جریان یافتن از این دیوار و شیشه به داخل منزل را می دهند. شبها وقتیکه دریچه ها بسته شوند تابش حرارت از دیوار، فضای منزل را گرم می نماید. این دیوار تکنیکی برای گرفتن گرمای خورشید بوده و توسط مهندس فرانسوی فلیکس ترومب ساخته شد. قسمتی از دیوار جنوبی که از مواد جرم حرارتی مثل بتن ساخته شده‏اند را با شیشه‎ای که در فاصله 0.05 متراز سطح واقع شده است می‎پوشانند. نور خورشید وارد شده و گرما توسط شیشه محبوس می‎شود و به دیوار در جذب آن کمک می‎کند. سپس گرما به داخل خانه در ساعات شبانه و غروب تابیده می‎شود. دیوارهای ترومب نیازی به تهویه ندارند زیرا هدف گردش هوای گرم بوده و گرفتن گرما از طریق تابش از دیوار می‎باشد.

دیوار ذخیره ساز حرارت باید جامد باشد و هیچ دریچه یا منفد بازی به بیرون یا فضای منزل نداشته باشد. در تابستان دیوار ترومب بازده بهتری نسبت به روش کسب مستقیم دارد. دیوارهای ترومب با پنجره‎های روش کسب مستقیم در همان دیوار ترکیب می‎شوند. شیشه‎های دو جداره نیز برای ذخیره حرارت توصیه می‎شوند بین شیشه و جرم حرارتی 7.62-2.54 سانتی متر فاصله باید باشد.

 2)سیستم های حوضچه ای :

در بام های مسطح 0.3-0.15 متر آب ذخیره می شود. این سیستم بهترین سیستم سرمایشی برای مناطق با رطوبت کم می­باشد، ولی برای مناطق مرطوب آب باید در مخازن فایبرگلاس یا پلاستیکی بزرگ قرار گیرد که توسط شیشه پوشیده شده و فضای زیر آن توسط تابش گرم شود.

3) دیوار آبی:

 آب در مخازن صلبی نگهداری می‎شود. ظرفیت ذخیره گرمای آب دو برابر بیشتر از جرم حرارتی می‎باشد. بنابراین به نسبت حجم کمتر از جرم حرارتی نیاز می‎باشد. حداقل 13.23 لیترآب به ازای هر فوت مربع شیشه در مخزن ریخته می‎شود. حتی یک لوله داغ داخل دیوار یا یک استخر نیز بعنوان جرم ذخیره ساز حرارت استفاده می‎شود.

قوانین کلی سیستم کسب غیر مستقیم برای دیوارهای ترومب:

1- دیوار جرمی رو به خورشید بوده و تیره رنگ باشد .

2- حداقل فاصله 0.1 متر بین دیوار جرم حرارتی و شیشه وجود داشته باشد.

3- دریچه هایی که در دیوار جرم حرارتی استفاده می شوند، باید هنگام شب بسته باشند .

الف- اگر عایق متحرک شبانه در سیستم دیوار حرارتی استفاده شود، مساحت دیوار جرم حرارتی حدود 15% کاهش می­یابد .

ب- اگر جنس دیوار حرارتی آجری باشد ضخامت تقریبی آن 0.35-0.25 متر برای بتن 0.45-0.3 متر برای خشت خام وسایر مصالح 0.3-0.2 متر و برای آب حداقل 0.15 متر باید باشد.

ج- ایزوله کردن خانه :

یک سیستم ایزوله، مجموعه بخشهایی جدا از قسمت اصلی خانه دارد، مثل یک اتاق خورشیدی و یک مدار منتقل کننده حرارت از کلکتور به سیستم انباشتگر خانه و از نقاط تمایز این سیستم با سایر سیستم ها عایق نمودن منزل مسکونی می­باشد. 

سیستم ایزوله 30-15 درصد از نور خورشید که به شیشه جهت گرمایش فضای منزل می رسد را استفاده  می­کند و همچنین انرژی خورشیدی را در اتاقهای خورشیدی حفظ می نماید.

اتاقهای خورشیدی یا گلخانه­های خورشیدی ترکیبی از سیستم های کسب مستقیم و غیر مستقیم می­باشند. نور خورشیدی ورودی به اتاق خورشیدی در جرم حرارتی ذخیره می شود . نور خورشید توسط رسانش از دیوار جرمی مشترک بین منزل و گلخانه به داخل منزل منتقل می­شود.

 ب - سرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان

­ انواع روشهای سرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان

تکنیکهای سرمایش طبیعی باعث می­شوند بدون استفاده از هر گونه انرژی در تابستان، خانه خنک بماند. سایه از جمله موارد کاربردی و مهم در خانه های خورشیدی پسیو می­باشد زیرا همین ساختار در زمستان نور خورشید را جمع آوری می­کند. جرم حرارتی و مصالح ساختمانی به همان خوبی که در گرمایش کاربرد دارند در سرمایش نیز مؤثرند. در زمستان گرما را ذخیره می­کنند و در تابستان جهت خنک­سازی منزل استفاده­ می­شوند. همچنین بکار بردن پنجره­هایی که در تابستان با ایجاد سایه­، گرمای کمتری به خانه منتقل می کنند از روشهای سرمایش پسیو می­باشد.

1) پنجره های مناسب جهت تهویه:

یک استراتژی اولیه برای سرمایش ساختمانها بدون بکار بردن قطعات مکانیکی در آب و هوای گرم، بکار بردن تهویه طبیعی می­باشد. نسیم­های رایج تابستانی با شیشه­های بزرگ دیوار جنوبی که برای گرمایش پسیو بکار می­روند هماهنگی دارد و به پیروی از استراتژی­های زیر امکان استفاده از تهویه و دریچه خورشیدی را بطور مؤثری کارا می­سازند.

 وضعیت پنجره­ها باید به گونه­ای باشد که بهترین جریان هوا  بوجود آمده و پنجره­های با حفاظ (سایبان دار) بطور کامل باز شود. این پنجره بهترین محافظ در برابر باران بوده و بهتر از پنجره­های دو لنگه (لولایی) عمل می­کنند. اگر اتاقی فقط در یک وجه پنجره دارد، می­توان بجای یک پنجره از دو پنجره پهن استفاده نمود.

2) سایه بان:

وسایل ایجاد کننده سایه قبل از اینکه نور خورشید به ساختمان برسد آنها را متوقف می­کنند این وسایل عبارتند از سایبان، صفحات خورشیدی، پرده های غلطان، دیافراگم مخصوص پشت پنجره و بادگیر عمودی.

این وسایل قابل کنترل بوده و توسط صاحب­خانه بر حسب نیاز تنظیم می­شوند. استفاده از پرده در منزل کم هزینه و مفید می­باشد. راه دیگر ایجاد سایه استفاده از یک ایوان یا دالان در قسمتهای شرقی یا غربی ساختمان می باشد.

3) دیوارهای مؤثر بر هوا :

دیوارهای بالدار در معرض جریان باد قرار دارند و سرعت باد طبیعی را طی اختلاف فشار بوجود آمده توسط این دیوارها زیاد می کند.

 

)دودکش حرارتی :

دودکش حرارتی جهت خروج جریانات بخار و هوا از ساختمان بکار می رود. با قرار دادن یک دریچه خروجی در نواحی گرم و داغ، هوا جهت تهویه ساختمان به درون آن کشیده می شود.

اتاقهای آفتابی به این دلیل طراحی می شوند که گرمای طاقت فرسایی که در طی تابستان در اتاقهای جنوبی پدید می­آید را توسط دریچه­های بالایی تهویه کنند. دریچه­های پایین­تر منزل با پنجره­های سمت شمالی باز می­شوند و هوای درون فضای منزل از دریچه‎های بالایی اتاق آفتابی خارج می­شود.

دیوار جرمی برای استفاده غیر مستقیم ساخته می­شود. دوکشهای حرارتی بصورت بخش باریکی ساخته می­شوند (مثل یک دودکش). یک جاذب فلزی شکلی که قابلیت گرم شدن دارد در کنار دودکش پشت صفحه شیشه‎ای قرار می­گیرد طوری که به دمای بالایی رسیده و توسط یک عایق از خانه جدا می­شود. دودکش به بالای پشت بام محدود می­شود و یک توربین چرخان در بالای دودکش قرار گرفته که مخالف جهت باد باز شده و به هوای داغ اجازه خروج می­دهد، بدون اینکه برای داخل شدن باد به دودکش مانعی باشد. دودکش حرارتی در خانه‎های با دهلیز و راه پله­های باز استفاده می­شود.

معماری سازگار با محیط زیست

دانلود

بررسی ، شناسایی و نمونه ساختمان های انرژی صفر

دانلود

آشنایی با انرژی بادی

• 

آشنایی با انرژی بادی

پیشگفتار:

فناپذیری سوختهای فسیلی، تنوع بخشی به منابع انرژی، توسعه پایدار و ایجاد امنیت انرژی، مشکلات زیست محیطی ناشی از مصرف انرژی فصیلی از یک طرف و پاک و تجدیدپذیر بودن منابع انرژی‌های نو نظیر خورشیدی، باد، زیست توده و… از طرف دیگر باعث توجه جدی جهانیان به توسعه و گسترش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و افزایش سهم این منابع در سبد انرژی جهانی شده است. امروزه ما شاهد افزایش چشمگیر فعالیت‌ها و بودجه‌ی دولت‌ها و شرکت‌‌ها در امر تحقیق، توسعه و عرضه سیستم‌های انرژی‌های تجدیدپذیر هستیم و این فعالیت‌ها و صرف لودجه‌های مذکور در نهایت باعث کاهش قسمت تمام شده‌ی انرژی‌های تجدیدپذیر و رقابت پذیری با سیستم‌های انرژی سنتی موجوی می‌گردد. این امر در مورد انرژی باد و برخی کاربردهای انرژی زیست توده محقق شده و روند سریع کاهش قیمت‌ها در مورد سایر منابع انرژی‌های تجدیدپذیر نیز در حال انجام است.

با نیم نگاهی به آمارهای به دست آمده در سال ۲۰۰۷ می‌توان مشاهده کرد که در این سال بیش از ۱۰۰ میلیارد دلار در بخش افزایش ظرفیت‌ها، ساخت نیروگاه‌ها و تحقیق و توسعه انرژ ی‌های نو در دنیا سرمایه گذاری شده است. میزان ظرفیت تولید الکتریسیته در نیروگاه‌های جهان در سال ۲۰۰۷ به طور چشمگیری افزایش یافته است و بر طبق آمار این میزان به ۲۴۰ گیگاوات رسید که نسبت به سال ۲۰۰۴ حدود ۵۰ % افزایش یافته است. همچنین ظرفیت‌های موجود در انرژی‌های تجدیدپذیر ۴/ ۳ درصد در تولید الکتریسیته جهان سهم داشته‌اند. (این ارقام بدون درنظر گرفتن انرژی آبی بوده) زیرا این انرژی به تنهایی ۱۵ درصد در تولید الکتریسیته دنیا سهم دارد. در این مطلب که در ادامه مطالب تلاش شده است تا به مباحث انرژی بادی به صورت علمی‌تر و تخصصی‌تر پرداخته شود. امید است که به یاری خداوند متعال بتوان قدم‌های موثرتری در جهت رشد وارتقاء سطح فرهنگ عمومی جامعه در این راستا برداشته شود.

تعریف باد:

جابجایی مکانی یک توده (بسته) هوایی را باد می‌نامند (در بحث برداشت انرژی بادی این تعریف با همین معنا و به شکل دیگری بیان خواهد شد). این جابجایی در اثر عوامل مختلف طبیعی و مصنوعی می‌تواند امکان‌پذیر گردد:

الف – مصنوعی: این شکل از جابجایی هوا در اثر نیروهای وارده بر یک توده هوا از طریق دستگاه‌ها و یا عوامل انسانی صورت می‌گیرد، مثل حرکت یک ماشین که پس از عبور آن یک سری اغتشاشات و ناهنجاری هوا در توده هوای پشت سر آن ایجاد می‌گردد یا جابجایی دست، استفاده از بادبزن دستی و…..

ب- طبیعی: وزش باد در روزهای گرم و سرد سال، وزش باد در اطراف سواحل دریاها و اقیانوس‌ها، وزش باد از کوه به دره و برعکس و…

همه مثال‌های یاد شده یک نوع حرکت فیزیکی می‌باشند که بر اثر نیروی وارده رخ می‌دهند که در حالت طبیعی وزش باد، این نیرو می‌تواند در اثر تغییرات دمایی و فشار بین دو نقطه از یک توده هوا (گرادیان حرارتی و فشاری) صورت گیرد.

حاصل این گرادیان‌ها ایجاد نیرو می‌باشد که می‌تواند عامل اصلی در جابجایی منظور گردد. با تمرکز بر روی ساختار جوی کره زمین و عوامل موثر در آن می‌توان به نکات زیر اشاره نمود:

الف) تابش خورشید :

• تابش مستقیم نور خورشید و تأثیر قسمت حرارتی آن در سطوح پایین جو باعث ایجاد تغییرات دمایی در توده‌های هوایی می‌گردد که این عامل نیز با تغییرات فشار همراه است.
• بخار نمودن آب‌های سطحی و تشکیل توده‌ی هوای گرم و مرطوب و صعود آن به بالا و تشکیل ابرها.
• برخورد مستقیم با سطح زمین و گرم نمودن آن با توجه به متفاوت بودن ظرفیت (جذب) گرمایی سطوح مختلف و در نهایت تغییرات دمایی.

ب) حرکت وضعی زمین :

چرخش زمین به دو خود در هر ۲۴ ساعت یکبار باعث ایجاد امواج مختلف جوی از جمله امواج راسبی می‌گردد و با در نظر گرفتن قوانین نیوتن، نیروی گریز از مرکز ایجاد شده در اتمسفر آن باعث جابجایی نسبتاً منظم مکانی و زمانی آن گردیده که توده‌های کم فشار و پرفشار نمونه‌هایی از آن می‌باشند.

ج) جاذبه زمین :

وجود جاذبه زمین باعث ایجاد فشار متعادل در اتمسفر زمین و جلوگیری از فرار توده‌های هوایی اطراف آن در اثر نیروی گریز از مرکز شده و یک تعدیل در برآیند نیروها بوجود می‌آورد. با در نظر گرفتن عوامل یاد شده، وقتی یک توده هوا شروع به حرکت می‌کند، در هنگام حرکت (افقی) به عوامل طبیعی همچون توپوگرافی (کوهها، دره ها و…..) برخورد می نماید که این تغییرات افقی و قائم و تغییرات در گرادیان دمایی و فشار صعود و نزول توده‌های هوایی را شامل می‌شود.

امروزه انرژی باد به یک فعالیت اقتصادی بین المللی تبدیل شده است و با نرخی سریع‌تر از دیگر انواع انرژی رشد می‌نماید. در سال ۲۰۰۵ بازارهای جهانی باد با نرخ ۷/ ۴۰ درصد رشد کرده بطوریکه درآمد حاصل از تولید تجهیزات تولید کننده‌ی باد ۱۲ میلیارد یورو یا ۱۴ میلیارد دلار آمریکا بوده است.

این در حالی است که پیش بینی می‌شود طی ۳۰ سال آینده تقاضای جهانی انرژی با نرخ خیره کننده‌ای افزایش یافته و میزان تقاضا در سال ۲۰۳۰ بسیار بیش از تقاضای فعلی آن باشد. بطوریکه تنها در بخش برق لازم است تا سال مذکور ۴۸۰۰ گیگاوات ظرفیت جدید نصب شود. این امر خود مستلزم ۲ تریلیون دلار سرمایه گذاری در تولید برق و ۸/ ۱ تریلیون دلار سرمایه گذاری در شبکه‌های انتقال و توزیع است.

یکی از دلایل و الزامات توسعه برق بادی، مقابله با تغییرات جهانی آب و هوا است که به شدت جهان را تهدید می‌کند. بر اساس پیش بینی تغییرات آب و هوا درجه حرارت جهان بطور متوسط در طی صد سال آینده ۵/۸ درجه س انتیگراد افزایش خواه د یافت که این خود می‌تواند پدیده‌هایی مانند وقوع سیل و خشکسالی و نواسانات شدید آب و هوایی را به همراه داشته باشد. به همین جهت کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به عنوان یک ضرورت جهانی شناخته شده است. پیشرفت‌های فنی در ۲۰ سال اخیر موجب شده است تا اندازه، کارایی و سهولت استفاده از توربین‌های بادی دنیا نسبت به اولین بکارگیری آن در سال ۱۹۸۰ به شدت بهبود یابد. مزرعه‌های بادی امروزی همچون نیروگاه‌های متعارف عمل نموده و توربین‌های مدرن بصورت واحدی و با نصب سریع و آسان در دسترس می‌باشند. این امر برای‌ کشورهایی که نیاز مبرم به افزایش سریع در تولید برق دارند حایز اهمیت است. امروزه توربین‌های بادی، بزرگتر و ارتفاع آنها بیشتر شده است. اندازه ژنراتورهای توربین‌های کنونی ۱۰۰ برابر اندازه توربین‌های مشابه سال ۱۹۸۰می‌باش دو قطر پره‌ها چندین برابر فن آوری‌های اولیه می‌باشد. همچنین با افزایش کارآیی توربین‌ها که ناشی از اندازه‌ی بزرگ‌تر آن‌ها، بهبود قطعات و اجزاء مورد استفاده و دقت در انتخاب سایت‌های مزارع بادی می‌باشد، یک توربین مدرن می‌تواند ۱۸۰ برابر بیشتر از فن آوری‌های ۳۰ سال گذشته برق تولید کند.

اثرات اقتصادی برق بادی

بدلیل بهبود فنآوری، برق بادی توان رقابت با منابع متعارف فسیلی را پیدا کرده است. در بهترین سایت‌های بادی، هزینه‌های تولید برق بادی در حال حاضر معادل هزینه‌ی تولید برق از نیروگاه‌های جدید زغال‌سنگ سوز و گاز سوز می‌باشد. اگر هزینه‌های زیست محیطی و اجتماعی تولید برق در محاسبات مد نظر قرار گیرد برق بادی ارزانتر از دیگر فن‌آوری‌های تولید برق می‌باشد.

 برای مدت زمان طولانی، هزینه‌ی برق بادی با هزینه راه اندازی نیروگاه‌های متعارف مقایسه گردیده است و این در حالی است که نیروگاه‌های متعارف در زمان احداث، از حجم عظیمی از یارانه‌ها برخوردار گردیده و طی زمان مستهلک گردیده‌اند. اما در کشورهای در حال توسعه و کشورهای توسعه یافته و با توجه به نیاز به ظرفیت اضافی و از رده خارج شدن نیروگاه‌های قدیمی، انرژی باد بایستی با هزینه‌ی بسیار بالاتر ساخت نیروگاههای حرارتی یا هسته‌ای جدید رقابت کند.

در ارزیابی نیروگاههای بادی، هزینه‌ها و درآمدهای طرح، مدت زمان برگشت سرمایه، قیمت انرژی الکتریکی تولیدی و نرخ بازده داخلی سرمایه، شاخص‌های نهایی برای مقایسه کامل مؤلفه‌های مختلف می‌باشند. از آنجا که برای گسترش سیستم عرضه انرژی الکتریکی توسعه‌ی پایدار را تعقیب میکنیم باید تمام هزینه‌ها و منافع اجتماعی هر مولد را مدنظر قرار دهیم. باید در نظر داشت که از بین صرفه‌های اقتصادی و غیر اقتصادی تنها هزینه دفع آلاینده‌های زیست محیط‌ی و تصفیه گازهای مضر متصاعد از نیروگاههای فسیلی می‌تواند بصورت کمی در محاسبات وارد شود. این هزینه‌ها در واقع در برگیرنده تمام اثرات زیست محیطی آلاینده‌ها در کوتاه مدت و بلندمدت از قبیل تولید Sox و Nox و Cox و هیدروکربورها و سایر گازهای سمی، آلودگی آب و خاک و ایجاد باران‌های اسیدی و تولید گازهای گلخانه‌ای می‌باشند که معمولا در برآورد هزینه‌ی ساخت و بهره‌وری نیروگاه‌های فسیلی منظور نمی‌گردد.

در ضمن هزینه تولید برق از انرژی باد در دو دهه گذشته بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته است. برق تولید شده توسط انرژی باد در سال ۱۹۷۵، ۳۰ سنت برای هر کیلو وات ساعت بوده اما کنون به کمتر از ۵ سنت رسیده است. توسعه فناوری ساخت توربین‌های بادی جدید قیمت را نیز کمتر خواهد کرد. همچنین در دنیا پنج کشور آلمان، آمریکا، اسپانیا، هند و چین پیشتاز دیگران می باشند و کل ظرفیت نصب توربین‌های در دنیا تا پایان سال ۲۰۰۷ میلادی بیش از ۹۳ گیگاوات می‌باشد.

در ضمن کل سرمایه در گردش صنعت انرژی باد جهان در سال ۲۰۰۲ میلادی (۱۳۸۱ خورشیدی) برابر ۷ میلیارد یورو بوده است. قیمت سرمایه گذاری انرژی باد در حدود ۱۰۰۰ دلار بر کیلووات برآورد میشود که در حدود ۷۵۰ دلار آن به هزینه تجهیزات و مابقی به هزینه های آماده کردن سایت و نصب و راه اندازی مرتبط می‌شود. در چند سال اخیر با بزرگتر شدن سایز توربین‌های تجاری، قیمت سرمایه گذاری کلی آنها کاهش یافته است. صنعت انرژی باد منافع اقتصادی و اجتماعی مختلفی را به همراه دارد که از جمله مهمترین آنها عبارتند از:

کاهش اتکا به منابع انرژی وارداتی – این مسئله یکی از مهمترین دلایل رویکرد کشورهای صنعتی به انرژی‌های تجدیدپذیر و انرژی باد است. لکن در کشورهای تولید کننده نفت نظیر ایران نیز از جنبه دیگری می‌توان به آن نگریست و آن افزایش فرصت صادرات است.

تقویت ساختار اجتماعی و اقتصادی مناطق روستایی – بدلیل ماهیت انرژی باد که به تولید غیر متمرکز و اغلب به نقاط دور افتاده و روستایی می پردازد، توسعه این صنعت چه در کشورهای سرمایه داری و پیشرفته و چه در کشورهای در حال توسعه تحولات و پیشرفت های آشکاری را در مناطق روستایی بدنبال خواهد داشت.

اشتغال زایی – ایجاد شغل این صنعت در میان دیگر صنایع انرژی از همه بیشتر است. در اروپا نصب یک مگاوات برق بادی برای ۱۵ الی ۱۹ نفر شغل ایجاد می‌کندکه این رقم در کشورهای در حال توسعه براحتی می‌تواند دو برابر شود. به طور مثال در سال ۲۰۰۰ که ظرفیت نصب شده برق بادی در اروپا در حدود ۸۰۰۰ مگاوات بود، بیش از نیم میلیون نفر در این صنعت به کار اشتغال داشتند.

در کشورمان ایران علیرغم اینکه مشاهده می‌شود هزینه‌های خصوصی توسعه نیروگاههای بادی برای تولید برق هم اکنون در حال اقتصادی شدن می‌باشد ولی اگر هزینه‌های اجتماعی نیروگاههای فسیلی که در برگیرنده اثرات برونزایی منفی است مبنای مقایسه قرارگیرد، هزینه تولید در مولدهای بادی کمتر از فسیلی خواهد بود و برق حاصل از آن می‌تواند بعنوان یک انرژی پایدار در توسعه اقتصادی – اجتماعی کشور مورد استفاده قرار گیرد.

توسعه جهانی و بهره گیری از پتانسیل عظیم برق بادی

در حال حاضر انرژی باد با رشد متوسط سالیانه بیش از ۲۶ درصد از سال ۱۹۹۰ به بعد، بالاترین میزان رشد را در بین منابع مختلف انرژی داشته است. ظرفیت جهانی تولید انرژی باد در انتهای سال ۲۰۰۵ بیش از ۵۹ گیگاوات بوده است. با این وجود هنوز هم از پتانسیل جهانی انرژی بادی به طور کامل استفاده نشده است. از نظر تاریخی، بازار انرژی بادی عمدتا تحت کنترل پنج کشور آلمان، اسپانیا ، ایالات متحده آمریکا، هند و دانمارک بوده است. اما طی سال‌های اخیر بسیار از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه درصدد توسعه بهره گیری از انرژی باد بوده‌اند و چندین کشور خارج از اروپا و ایالات متحده در حال حاضر گام‌های اولیه برای توسعه بازارهای تجاری بزرگ مقیاس انرژی بادی را برداشته‌اند. اهداف سیاستی برای انرژی بادی در حال حاضر در ۴۵ کشور دنیا و از جمله ۱۰ کشور در حال توسعه وضع گردیده است و چین به تنهایی طی سال‌های اخیر هدف خود را تولید ۳۰ گیگاوات برق بادی تا سال ۲۰۲۰ قرارداده است و این در حالی است که پتانسیل بهره‌گیری از انرژی باد در این کشور و سایر کشورها بسیار بالاتر از ارقام ذکر شده می‌باشد.

طبق پیش بینی آژانس بین المللی انرژی، تا سال ۲۰۳۰ برق بادی دومین منبع بزرگ تجدیدپذیر پس از برق آبی‌های بزرگ به حساب می‌آید و طبق برآورد شورای جهانی انرژی باد تا سال ۲۰۴۰ صنعت برق بادی توانایی گردش مالی سالیانه ۶۷ میلیارد دلاری را داراست. همچنین بر اساس پیش بینی‌ها، ظرفیت بادی نصب شده دنیا از حدود ۹۴ گیگاوات سال ۲۰۰۷ به ۱۰۰۰ گیگاوات تا سال ۲۰۲۰ افزایش خواهد یافت و ۱۲ درصد عرضه برق دنیا را به خود اختصاص خواهد داد. البته شایان ذکر است که تنها در صورتی پتانسیل رشد انرژی بادی از حجم گسترده برخوردار خواهند بود که سیاست‌های انرژی کماکان اجرا گردیده و کشورهای بیشتری در صدد توسعه بازار انرژی بادی برآیند و سیاست‌های حمایتی نیز بدرستی اجرا شود.

اطلاعات دقیق از رژیم باد

در طی دهه گذشته، در بسیاری از کشورها مطالعاتی برای تخمین منبع انرژی باد در دسترس در هر منطقه، انجام گرفت. برخی از این مطالعات تا حد اطلس باد مانند اطلس منبع انرژی باد ایالات متحده آمریکا، اطلس باد اروپا و اطلس باد برای آمریکای لاتین، آمریکای مرکزی و جنوبی توسعه داده شده‌اند. نقشه‌های باد برای چین، اسپانیا، پرو، مصر، اردن، سومالی، کشورهای ساحل، اتیوپی، بخشی از کشورهای مستقل مشترک المنافع و ….. یک نقشه باد هم برای کل دنیا چاپ شده است.

Save

مطالعات امکان‌سنجی احداث نیروگاه بادی

مطالعه امکان سنجی اولین گام در احداث مزارع بادی است که هدف نهایی آن ارزیابی امکان پذیر بودن تاسیس یک نیروگاه بادی به لحاظ فنی، اقتصادی، زیر ساخت های مورد نیاز و غیره در یک سایت مشخص و استفاده از توربین‌های معین می‌باشد. برآورد انرژی تولید سالیانه نیروگاه، چگونگی اتصال به شبکه سراسری یا محلی و مشخصات شبکه از مواردی می‌باشد که باید در گزارش امکان سنجی دقیقا مشخص گردد.

الف – برآورد انرژی تولیدی سالیانه نیروگاه

بدلیل تاثیر عوامل متعدد پیچیده بر میزان وزش باد، برآورد انرژی تولیدی سالیانه نیروگاه که قویا با سرعت و جهت وزش باد رابطه دارد، نیازمند محاسبات پیچیده و خاص خود می‌باشد. در نتیجه به منظور برآورد انرژی تولیدی از نرم افزارهای متداول نظیر WindFarmer, WindPro,GH, Wasp و سایر نرم افزارهای معتبر استفاده می‌گردد.

ب- مطالعات احداث

• بررسی منطقه از نظر وضعیت راه ها و محدودیت ترافیکی
• بررسی منطقه از نظر وضعیت و امکان اتصال به شبکه و محدودیت ظرفیت شبکه که باید قبل از هر اقدامی جهت انجام مطالعات امکان سنجی از وزارت نیرو استعلام گردد.
• مطالعه منطقه از نظر نداشتن منع قانونی، زیست محیطی، فرهنگی و غیره
• مطالعه منطقه از نظر زلزله خیزی و خاک شناسی.

ج- بررسی های اقتصادی

• مطالعه هزینه های احداث
• برآورد هزینه های عمرانی شامل : هزینه های زمین مورد نیاز، آماده سازی راه، آماده سازی زمین، احداث فونداسیون توربین و هزینه نصب تجهیزات مکانیکی
• برآورد هزینه عملیات برقی شامل : هزینه اتصال به شبکه و هزینه نصب تجهیزات الکتریکی
• برآورد هزینه توربین و هزینه حمل و نقل به سایت
• برآورد هزینه های خدمات مهندسی
• برآورد هزینه های متفرقه احداث
• برآورد هزینه های بهره برداری و تعمیر و نگهداری (بصورت متغیر و ثابت)
• برآورد هزینه های خارجی ناشی از عوامل پیش بینی نشده شامل: خاموشی خارج از برنامه و حوادث طبیعی
• برآورد نرخ تنزیل و نرخ تورم
• برآورد درآمد حاصل از فروش برق و برآورد قیمت فروش
• محاسبات تامین بودجه از طریق اخذ وام شامل : برآورد میزان پرداخت سود و بهره
• محاسبات میزان برگشت سرمایه و مدت زمان برگشت سرمایه
• محاسبات عدم قطعیت هزینه ها

د- روند مطالعات امکان سنجی مزارع بادی

مطالعات امکان سنجی فنی مزارع بادی بطور کلی شامل دو موضوع اصلی زیر است :

• انتخاب سایت مناسب برای مزرعه بادی
• انتخاب مدل (یا مدل های) مناسب توربین بادی

وضعیت موضعی باد و ارزیابی سایت :

بطور کلی شرایط محیطی از طریق سه عامل زیر روی شرایط باد در سایت تاثیر می گذارد :

• موانع
• زبری سطح
• اروگرافی (وضعیت پستی و بلندی)

در شکل تاثیر یک مانع منفرد به ارتفاع H روی جریان باد نشان داده شده است. چنانچه مشاهده می‌شود این مانع طولی به اندازه ۲۰H از مسیر خود را به لحاظ وضعیت باد دچار آشفتگی می‌سازد. همچنین باید توجه داشت که در صورت استفاده از توربین بادی در محل، این توربین باید دارای حداقل ۲۰H فاصله از مانع بوده و لبه پایینی پره توربین باید دارای ارتفاع سه برابر ارتفاع مانع باشد.

در شکل زیر نیز تاثیر چند مانع پشت سرهم ( مثلا ردیفی از درختان ) بروی پروفیل باد نشان داده شده است.

همچنین تاثیر اروگرافی زمین (به صورت یک تپه) روی خطوط جریان باد قابل مشاهده است.

شاخصه هایی از جریان باد که در یک سایت خاص دارای اهمیت هستند عبارتند از :

• پروفیل باد
• سرعت متوسط باد
• توزیع سرعت باد
• توزیع جهت باد
• الگوی روزانه تداوم سرعت باد
• الگوی سالانه سرعت باد

مکان مولد بادی باید علاوه بر موقعیت مناسب از نظر بادخیز بودن به گونه ای انتخاب گردد که بالاترین بهره اقتصادی و کمترین تاثیر تخریبی بر روی محیط اطراف (عدم نیاز به تغییر شرایط موجود در منطقه و تجهیزات پیچیده) را دارا باشد. بنابراین منطقه و ساختار آن نقش بسیار مهم و اساسی در عملکرد بهینه مولد بادی خواهد داشت.

بدیهی است مکان نصب مولد بادی باید دارای سرعت متوسط بالا و تداوم مناسب وزش باد باشد. از این رو بررسی سرعت و سایر پارامترهای باد، اولین و مهمترین گام در ارزیابی استعداد یک منطقه برای نصب نیروگاه‌های بادی محسوب می‌شود. برای انتخاب سایت مناسب جهت نصب توربین‌های بادی مراحل زیر به عنوان مطالعات امکان‌سنجی انجام می‌گیرد :

• تعیین پتانسیل تخمینی باد
• تعیین نوع تملک زمین
• نزدیکی به خطور انتقال و وضعیت شبکه (توان اتصال کوتاه، کیفیت خطوط انتقال)
• دسترسی به جاده ها
• شرایط اقلیمی
• سایر عوامل (بررسی زلزله خیزی منطقه، بررسی میزان ذرات معلق در هوا)

مطالعات مربوط به باد منطقه شامل موارد ذیل می‌گردد:

• اطلاعات توپوگرافی منطقه
• نصب دکل هواشناسی
• جمع آوری اطلاعات باد حداقل به مدت یکسال
• گزارش کیفی هواشناسی
• بررسی یکنواختی باد

پس از بررسی های مذکور در خصوص انتخاب سایت مناسب، انتخاب مدل یا مدل های مناسب توربین بادی مورد مطالعه قرار می‌گیرد که شامل:

• برآورد توان خروجی نیروگاه که عمدتا به کمک نرم افزارهای کامپیوتری انجام می‌گیرد.
• انتخاب ارتفاع مناسب هاب
• بررسی ضریب توان، توان حداکثر، و همچنین اثرات توربین بر روی شبکه
• کنترل صدای ناشی از توربین
• ضریب دسترسی فنی
• اقتصادی بودن احداث نیروگاه در کاهش مدت زمان برگشت سرمایه
• انتخاب نوع و تعداد توربین‌های قابل نصب

 نحوه آرایش توربین های بادی

برای تولید برق به مقدار زیاد که بتواند شبکه سراسری برق را تغذیه نماید نیاز به ایجاد مزرعه یا پارک توربین‌های بادیست که از مجموعه ای از توربین‌های بادی تشکیل شده و اصطلاحا نیروگاه بادی گفته می‌شود. با بهره برداری از تعداد بیشتری از توربین‌های بادی میزان جریان برق تولیدی افزایش یافته و در نتیجه ظرفیت های بالایی در حد چند مگاوات ایجاد می‌شود. بدین طریق می توان برق تولیدی را از نظر اقتصادی با نیروگاه های متداول قابل رقابت و عملکرد نیروگاه و هزینه های نگهداری آن را به صرفه و بهینه نمود. تعداد توربین‌های بادی که یک مجتمع نیروگاهی را تشکیل می دهند در عمل متفاوت است و در استحصال جریان برق از توربین‌های بادی مسائل متعدد از جمله کیفیت برق علاوه بر کمیت ان نیز برای مهندسین صنعت برق که با این موضوعات سرو کار دارند اهمیت دارد. برق تولیدی می بایست با کیفیت قاب قبول وارد شبکه شود و در دراز مدت بازدهی خوبی داشته باشد. از دیگر مسائل، فاصله بهینه بین توربین‌های نصب شده و نحوه آرایش آنها می‌باشد تا از زمین و باد موجود منطقه حداکثر استفاده شده و در حوالی نیروگاه آلودگی های زیست محیطی نظیر آلودگی صوتی ایجاد نشود.

توربین‌های بادی با توجه به مورفولوژی (فرم یا شکل مکانی) منطقه با فواصل مشخص نزدیک یکدیگر و در شکل متقارن و مناسب (منظره متناسب با طبیعت) طوری نصب می شوند که در اغلب اوقات در جهت وزش باد غالب منطقه باشند و بیشترین انرژی را از باد بگیرند و نیاز چندانی هم به چرخش مکرر ناسل توربین نباشد.

در مواردی که بیش از یک ردیف توربین نصب می‌شود معلوم است که جریان باد بعد از عبور از یک توربین به توربین دیگری می وزد و مقدار سرعت و انرژی آن اندکی کاهش می یابد که بیشتر بدلیل چرخشی شدن توده ها پس از عبور از توربین‌ها می‌باشد که به سرعت توربولانس و شکل ناهمواریها و… منطقه بستگی دارد.

چنانکه از نظر زمین موجود و در دسترس بودن محدودیتی وجود داشته باشد بهتر است از توربین‌هایی با ظرفیت بالا استفاده نموده و فواصل آنها را به حد محاسبه شده و معقولی از یکدیگر انتخاب نماییم.

جریان باد بعد از عبور از توربین‌های ردیف اول به توربین‌های ردیف دوم و سوم و… برخورد می‌کند که هر بار نیز با نقصان انرژی و کاهش تراکم بین مولکول های هوای در حال حرکت توام می‌باشد. مسلم است که توربین‌های ردیفهای دوم و سوم و… با اندکی کاهش در برق تولیدی مواجه هستند.

در ضمن بر اساس یک قاعده تجربی فاصله میان توربین‌های بادی در مزارع باد در صورتی که در جهت باد غالب باشند بین ۵ الی ۷ برابر قطر روتور و اگر عمود بر جهت باد غالب باشند بین ۳ الی ۵ برابر قطر روتور خواهد بود.

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.

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.

توربین بادی با محور افقی- برج، ناسل، سیستم انتقال قدرت، گیربکس، ترمز، سیستم کنترل و سیستمهای هیدرولیک

برج

سازه‌های مشبک فولادی- برج‌های استوانه‌ای فولادی یا بتنی و همچنین ستون‌های مهار شده توسط کابل از رایج‌ترین برج‌های نگهدارنده محسوب می‌شوند. برج‌های قدیمی اصطلاحا فرکانس بالا ساخته می‌شدند به این معنا که فرکانس طبیعی یا اصلی آنها بسیار بالاتر از فرکانس منابع تحریکی همچون عبور پره‌ها از مقابل برج و غیره انتخاب می‌گردید و این بدان دلیل بود که شناخت کافی از منابع تحریک در واقع نیروهای متناوب اعمال شده بر برج وجود نداشت. چنین برج‌هایی بسیار محکم- صلب و نتیجتا گران بودند.

اما اخیرا روتورهای فرکانس بالا را بر برج‌های فرکانس پایین نصب می‌کنند. چنین برج‌هایی سبکتر- ارتجاعی تر و بالاخره اقتصادی‌تر از برج‌های فرکانس بالا می‌باشند. برای طراحی چنین برج‌هایی شناخت دقیق دینامیک سیستم و برج ضروری است و به همین دلیل شکل این برج‌ها بسیار ساده است.

یکی دیگر از نکاتی که اخیرا در طراحی بعضی از برج‌ها مورد توجه قرار گرفته است، تحمل و مقاومت آن‌ها به هنگام فقدان یکی از پره‌ها است. اگر این نکته به هنگام طراحی برج مد نظر قرار گیرد در صورت شکستن یکی از پره‌ها، نیروگاه بکلی معدوم نمی گردد.

ارتفاع برج معمولا بین یک تا یک و نیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می‌شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین سفتی برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می‌گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می‌گردد وجود دارد. برای توربین‌های با روتور پشت به باد اثر سایه برج (وقفه‌ای که بواسطه جریان باد در حول برج ایجاد می شود) دینامیک توربین، نوسانات توان و صدای تولید شده در محاسبات مربوطه می‌بایست لحاظ گردند.

برای مثال بدلیل وجود اثر سایه برج، توربین‌های پشت به باد معمولا نسبت به انواع رو به باد پر سرو صداتر هستند. از آنجا که قیمت تمام شده برج چیزی در حدود ۲۰ درصد قیمت کل توربین بادی می‌باشد، انتخاب بهینه ارتفاع و نوع برج از نکات حائز اهمیت می‌باشد.

در میان برجها، نوع مشبک آن از سایر انواع ارزانتر می‌باشد و دلیل آن کاهش میزان فولاد بکار رفته در این نوع از برج می باشد. همچنین اثر سایه برج در این دسته از برج‌ها کمتر است.

پیش از نصب برج، محل دقیق توربین مشخص شده و فونداسیون مناسب آن با توجه به شدت و قدرت باد طراحی و ساخته می‌شود.

پس از ساخت فونداسیون، قطعات پایینی و بالایی برج به ترتیب بر روی هم مونتاژ می‌شوند.

ناسل

شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می‌باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. بعضی از ناسل‌ها آنقدر بزرگند که تکنسین‌ها می توانند داخل آن بایستند.

در گذشته توربین‌های بادی با یک سرعت دورانی ثابت (دور روتور) کار می‌کردند، اما مدل‌های امروزی تقریبا سیستم یک سرعته را کنار گذاشته‌اند. از میان ۵۸ مدل توربین موجود، ۲ مدل یک سرعته، ۲۲ مدل دو سرعته و ۳۴ مدل با سرعت متغیر وجود دارند.

پس از نصب برج، ناسل بر روی آن قرار می‌گیرد. و در نهایت روتور و پره ها نصب می‌شوند.

سیستم انتقال قدرت:

سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گردنده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، گیربکس و محور سرعت بالا  (در سمت ژنراتور) می‌باشد . سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقان‌ها ، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می‌باشد. در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، می‌باشد.

عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرارمی‌گیرد: گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای.

برای توربین‌های سایز متوسط به بالا (بزرگتر از ۵۰۰ KW ) مزیت وزن و سایز در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتراست.

بعضی از توربین‌های بادی از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می‌کند (ژنراتور با تعداد قطب بالا) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد. در حالی که طراحی سیستم انتقال قدرت یک توربین بادی از همان مفاهیم اصول متداول مهندسی مکانیکی در طراحی اجزاء ماشین سود می‌جوید، مسأله بارگذاری اجزاء این سیستم احتیاج به ملاحظات ویژه و خاص دارد، چرا که اغتشاشات باد و دینامیک اجسام بزرگ و گردنده روتور باعث تحمیل بارهای کاملاً متغییر و متفاوت به مجموعه اجزاء سیستم انتقال قدرت می‌گردد.

ژنراتور

پره‌های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی در سیستم انتقال تبدیل می‌کنند و در قدم بعدی ژنراتور، انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می‌نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربین‌های بادی استفاده می‌شود.

– ژنراتور جریان مستقیم

– آلترناتور یا ژنراتور سنکرون

– ژنراتور القایی یا آسنکرون

در نیروگاه‌ها و تاسیسات کوچک سابقا بیشتر از ژنراتورهای جریان مستقیم استفاده می‌شد و اکنون در بعضی از مولدهای کوچک که برای شارژ باتری بکار می‌روند از این گونه ژنراتورها استفاده می‌گردد. همچنین برای تامین قدرت وسایل مخابراتی، چراغ‌های دریایی و اماکن دور افتاده که به انرژی الکتریکی کمی نیاز دارند بکار گرفته می‌شود.

از مزیت‌های جریان مستقیم این است که با متصل کردن باتری‌ها امکان برق رسانی دائم، حتی در صورت از کار افتادن ژنراتور در نیروگاه، امکان پذیر می‌باشد.

بنابراین نیروگاه‌های اولیه دارای انبارهای بزرگ باتری بودند. این سیستم‌ها با توربین‌های بادی به عنوان منبع اصلی انرژی کاملا منطبق بودند و با این ذخیره بزرگ باتری‌ها، برق رسانی به صورت آرام امکان پذیر می‌بود. یکی از معایب بزرگ سیستم جریان مستقیم، ایجاد جرقه الکتریکی قوی بر اثرقطع جریان در ولتاژهای بالا می‌باشد. از دیگر معایب این سیستم، عدم کارایی ذخیره انرژی باتری‌ها در سیستم شبکه‌های الکتریکی به دلیل افزایش مصرف امروزی می‌باشد. بنابراین با افزایش روزافزون مصرف انرژی، سیستم برق مستقیم روش منطقی نبوده و به تدریج با سیستم برق متناوب جایگزین شد.

همانگونه که می‌دانیم، ماکزیمم ولتاژ در جریان متناوب از ماکزیمم ولتاژ در جریان ثابت بیشتر است تا بتواند همان توان را تامین کند. مزیت اصلی جریان متناوب، قابلیت استفاده از ترانسفورماتورها می‌باشد. این مزیت باعث تناوب ولتاژ بدون افت انرژی شده و همچنین امکان افزایش ولتاژ جهت انتقال برق را مهیا می‌سازد.

اکنون اکثر مولدهای جریان مستقیم با ژنراتورهای سنکرون یا آسنکرون جایگزین شده‌اند. این ژنراتورها جریان متناوب تولید می‌کنند که می‌توان به سادگی و توسط یکسوکننده ها که بسیار ارزان هستند این جریان را در صورت لزوم به جریان مستقیم تبدیل نمود. مزیت استفاده از آلترناتورها یا ژنراتورهای سنکرون نسبت به ژنراتورهای برق مستقیم که در توربین‌های بادی کوچک بکار می‌روند در این است که اولا راندمان بالاتری دارند و ثانیا در رنج وسیع‌تری از سرعت دوران نسبت به ژنراتورهای جریان مستقیم قادر به تولید الکتریسیته می‌باشند و در واقع نسبت بین حداکثر و حداقل سرعت دورانی برای تولید الکتریسیته در ژنراتور جریان متناوب بالاتر است.

ژنراتورهای سنکرون نسبت به ژنراتورهای آسنکرون گرانتر (جریان مغناطیس کننده خود را فراهم می کنند) و ضمنا پیجیده‌تر هستند، در نتیجه بیشتر به تعمیر نیاز پیدا می‌کنند. از مزیت های مهم ماشین‌های سنکرون آن است که می‌توانند بعنوان یک ژنراتور مستقل عمل نموده و بدون هیچ منبع خارجی قادر به تامین جریان میدان مغناطیسی مدار تحریک خود باشند. ژنراتورهای آسنکرون ضمن اینکه ارزانترند، از نظر ساختمانی نیز ساده تر و لذا قابل اعتمادتر می‌باشند و بعلاوه مزیت‌های زیر را دارا هستند:

• به سادگی به شبکه متصل می‌شوند، زیرا می‌توانند با حدود چند درصد اختلاف سرعت از سرعت سنکرون، بدون هیچ مشکلی به شبکه مرتبط شوند.
• به هنگام اتصال به شبکه ارتعاشی در آنها تولید نمی‌شود.
• سرعت چرخش روتور هماهنگ با فرکانس شبکه می‌باشد و با به کار بردن تجهیزات کنترلی لازم می‌توان برق را به طور مستقیم به شبکه تزریق نمود.
• از معایب استفاده ژنراتورهای آسنکرون، وابستگی و حساسیت زیاد به سرعت چرخش روتور می‌باشد.

اجزا، این ژنراتورها عبارتند از:

1. محور ژنراتور
2. یاتاقانهای غلتان
3. روتور
4.  میله آلومینیومی روتور
5. حلقه آلومینیومی روتور
6. استاتور(قسمت ثابت – پوسته)
7. سیم پیچ
8. صفحه استاتور
9. دماغه سیم پیچ
10. هواکش
11. جعبه اتصال

یکی از مزایای بزرگ ژنراتورهای آسنکرون، قابلیت این ژنراتورها در استفاده از سیستمی است که به ژنراتور اجازه می‌دهد تا هنگام وزش بادهای شدید دور روتور و ژنراتور تا حدود ۱۰ % نسبت به سرعت گردش میدان مغناطیسی در استاتور تغییر کند و با به حداقل رساندن نوسانات احتمالی نا خواسته در شبکه و کاهش اعمال شوک به اجزاء حیاتی توربین، به میزان محسوسی کیفیت قدرت خروجی افزایش یابد. با این عمل فرسایش و استهلاک در گیربکس کاهش پیدا خواهد کرد. به همین دلیل در توربین‌های بادی که ژنراتور آن‌ها بطور مستقیم به شبکه برق سراسری متصل می‌شود، استفاده از ژنراتورهای آسنکرون ارجحیت دارد.

ژنراتورهای آسنکرون برای اولین بار در کشور دانمارک در سال ۱۹۵۷ در یک توربین بادی ۲۰۰ KW مورد استفاده قرار گرفتند. در حقیقت ژنراتور آسنکرون نوعی موتور است که به عنوان ژنراتور نیز می‌تواند عمل کند. موتور آسنکرون، موتوریست که در اغلب ماشین‌های لباس شویی و به صورت گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این موتور از دو قسمت اصلی تشکیل شده، استاتور (پوسته) و روتور.

استاتور موتور از یک سری سیم پیچ تشکیل شده که در واقع باید دو به دو به سه بخش تقسیم شود.(در سیستم سه فاز) در شکل بالا موتور از شش سیم پیچ تشکیل شده است که به صورت دو به دو به برق شبکه سه فاز متصل هستند که یک میدان مغناطیسی دوار در داخل استاتور به وجود می‌آورند.

سرعت چرخش ژنراتور به فرکانس سیستم شبکه برق سراسری بستگی دارد که عموما ۵۰ یا ۶۰ هرتز  می‌باشد. برخی از تولیدکنندگان توربین‌های بادی از ژنراتورهای سنتی برای تولید جریان متناوب (فرکانس ۵۰ و ۶۰ هرتز) استفاده می کنند که این دست از ژنراتورها مستقیما به شبکه متصل می‌شوند. این ژنراتورها (سنکرون) تنها با چرخش در سرعت سنکرون یا نزدیک به آن (حدود ۱۵۰۰ دور در دقیقه) قادر به تولید الکتریسیته می‌باشند. به این منظور باید از جعبه دنده یا گیربکس برای هماهنگی سرعت روتور استفاده کرد. به عنوان مثال، ژنراتوری با سرعت ۱۵۰۰ دور در دقیقه و گردش محور اصلی ۳۰ دور در دقیقه، نیازمند به جعبه دنده‌ای با نسبت ۵۰:۱ می باشد. اگر جعبه دنده تنها دارای یک نسبت سرعت باشد، در آن صورت طراح باید تنها برای یک سرعت باد طراحی نماید. اگر جعبه دنده دارای دو نسبت سرعت باشد، این امکان وجود دارد که با استفاده از جعبه دنده افزایشی، سرعت روتور را برای هماهنگی با بادهای کم سرعت کاهش داد.

با بیشتر شدن سرعت باد از حد تعریف شده برای تولید، همچنان الکتریسیته تولید می‌گردد، ولی انرژی بدست آمده دارای کارایی پایین‌تری می‌باشد. در سرعت‌های خیلی بالا این کاهش بازدهی یک مزیت بوده، چرا که ژنراتور دچار اضافه بار (Overload) نمی‌شود. این نوع طراحی به «تنظیم کننده استال» معروف است.

گیربکس (جعبه دنده)

از آنجائی که محور توربین دارای دور کم و گشتاور بالا و بر عکس آن محور ژنراتور دارای دور بالا و گشتاور کم است، سیستم انتقال قدرت باید به نحوی این دو محور را به یکدیگر متصل نماید. ترکیب وآرایش جعبه دنده‌ها بستگی به نسبت تبدیل، قدرت جعبه دنده و راندمان آن دارد. در چرخ دنده‌های ساده نسبت بین دو دنده ۱ به ۱ الی ۱ به ۸ در یک کاهش یا افزایش دور می‌باشد. چنانچه نسبت افزاش دور بیشتری مورد نظر باشد، باید از دو یا سه مرحله چرخ دنده ساده استفاده نمود.

حجم و وزن جعبه دنده‌ها بسیار متغیر و متنوع است. وزن جعبه دنده تابعی از نسبت دور نیز می‌باشد. در توربین‌های محور افقی، معمولا دو نوع جعبه دنده، محور موازی و خورشیدی استفاده می‌شود. اختلاف اساسی میان سرعت‌های دوران روتور و ژنراتور، سبب بالا بردن گشتاورهای ورودی و نسبت دور جعبه دنده می‌گردد.

جعبه دنده‌های با محور موازی در مقایسه با جعبه دنده‌های خورشیدی، از نظر طراحی و نگهداری ساده‌تر اما وزن آن‌ها بیشتر است. در جعبه دنده‌های خورشیدی، محورهای خروجی و ورودی معمولا در یک امتداد قرار دارند، اما در جعبه دنده‌های محور موازی، امتداد محور ورودی با خروجی یکسان نیست.

بعنوان مثال برای یک توربین بادی سه پره با ظرفیت اسمی ۵/ ۱ مگاوات که سرعت گردش روتور آن ۱۹ دور در دقیقه است، جعبه دنده‌ای با نسبت ۱ به ۸۰ با سیستم خنک کننده روغن مورد نیاز است. همچنین در مورد یک توربین بادی دو پره با ظرفیت اسمی ۳۰۰ کیلووات، که سرعت گردش روتور آن ۷۲ دور در دقیقه است، جعبه دنده دو مرحله‌ای با نسبت ۱ به ۲۵ مورد نیاز می‌باشد.

یکی از نکات بسیار قابل توجه در طراحی گیربکس توربین‌های بادی، حداقل بودن سر و صدای حاصل از گیربکس و در عین حال بالا بودن راندمان سیستم می‌باشد.

ترمز

در توربین‌های بادی با ظرفیت بسیار پایین (۱ الی ۵ کیلووات) معمولا از سیستم‌های ترمز کفشکی استفاده می‌شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره‌ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. ترمزهای کفشکی پس از نگهداشتن دیسک متصل به محور گیربکس، سیستم را کاملا متوقف می‌سازد.

در توربینهای بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می‌شود. مزایای استفاده از اینگونه ترمزها در توربین‌های بادی شامل:

• سطوح تحت اصطکاک عمدتا در معرض جریان هوا قرار دارند.
• در دماهای بالا، میزان انبساط شعاعی وجانبی در ترمز بسیار ناچیز بوده و بر روی ابعاد ترمز تاثیری نمی‌گذارد.
• بدلیل مسئله خود تنظیمی، کاربرد اینگونه ترمزها راحت‌تر است.
• بازرسی و تعویض کفشک‌ها به سهولت قابل انجام است.

در توربین‌های بادی، پس از دریافت فرمان از سنسورهای بادسنج، توسط سیستم کنترل و از سیستم کنترل به ترمزها، توسط یک سیستم هیدرولیک، فرمان لازم به ترمزها داده شده و ترمز دیسکی فعال می‌گردد.

 هزینه سیستم‌های ترمز در توربین بادی حدودا ۱% کل قیمت توربین بادی است.

سیستم کنترل

برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی، باید بتوان همواره صفحه دوران توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار داد. برای این منظور از سیستم هایی برای تغیر جهت توربین بادی و قرار دادن سیستم در مسیر باد استفاده می شود. این سیستم یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام می‌شود. در توربین‌های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف (yaw system) از بالچه استفاده می‌کنند. همچنین سیستم هایی جهت کنترل و تنظیم سرعت دورانی در توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرند. چنین سیستمهایی علاوه بر کنترل دور روتور، مقدار قدرت تولیدی و نیروهای وارده بر روتور در بادهای شدید را نیز محدود می کنند.

بنابراین سیستم کنترل مناسب ترین وضعیت مورد نیاز توربین بادی را انتخاب خواهد کرد. این سیستم تماما اتوماتیک بوده و قادر است عملکرد کلیه اجزاء و سنسورها و مقادیر واقعی سرعت دورانی و قدرت خروجی را کنترل نماید.

سیستم کنترل علاوه بر هدایت توربین های بادی به منظور استفاده بهینه، ابزاری جهت ایمن سازی آن در مقابل حوادث مختلف جوی نیز می باشد. برخی عوامل که توسط سیستم های کنترل مورد مراقبت قرار می گیرند، شامل:

• کنترل افزایش ولتاژ ناگهانی بر اثر پدیده های مختلف نظیر رعد و برق و …
• کنترل جهت قطع آرام سیستم توربین بادی
• کنترل مشخصات هواشناسی نظیر سرعت و جهت باد، درجه حرارت محیط، فشار محیط، سرعت توربین
• کنترل مشخصه های شبکه نظیر تجهیزات ولتاژ فاز، شدت جریان، ولتاژ ترانسفورماتورها و فرکانس برق تولیدی
• کنترل جهت محور توربین در بهترین شرایط در مسیر باد
• کنترل سرعت پره ها از طریق اعمال ترمز در زمانهای مورد نیاز
• کنترل سرعت ژنراتور

بطورکلی سیستمهای کنترل شامل کنترل بخشهای مکانیکی، الکتریکی، زیست محیطی و بهره برداری بهینه و ایمن می باشد.

سیستم‌های هیدرولیک

به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می کند.

یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگهای انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جنبی تشکیل شده است.

پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد.

محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است. وظیفه این محور انتقال حرکت جک هیدرولیکی و در واقع فرمان کنترلر به مکانیزم مثلثی است که باعث چرخش پره ها می گردد.

مکانیزم مثلثی درون هاب باعث تبدیل حرکت انتقالی محور تراورس به حرکت چرخشی و نتیجتا چرخش پره ها به دور محورشان می گردد.

برگرفته از سایت:
اکــوگـیـــک

Save