استاندارد تست ساختاری از پره های توربی بادی IEC 61400-23

دانلود

زبان اصلی

هزینه نیروگاه های تجدیدپذیر

دانلود

آشنایی مقدماتی با انواع توربین های بادی محور افقی و عمودی

توربین بادی

برگرفته از :از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

توربین بادی به توربینی گفته می‌شود که برای تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی به کار می‌رود که توان بادی نام دارد. توربین‌های بادی در دو نوع با محور افقی و با محور عمودی ساخته می‌شوند. توربین‌های بادی کوچک برای کاربردهایی مانند شارژکردن باتریها و یا توان کمکی در قایق‌های بادبانی مورد استفاده قرار می‌گیرند، در حالی که توربین‌های بادی بزرگ‌تر با چرخاندن ژنراتور، به عنوان یک منبع تولید انرژی الکتریکی به‌شمار می‌روند. انواع دیگری از توربین‌های بادی وجود دارد که برای پمپ کردن آب استفاده می‌شود که به آن پمپ بادی می‌گویند یا برای آسیاب گندم به کار می‌رود که آسیاب بادی نام دارد و موارد دیگر به کار می‌رود.

تاریخچه

اولین استفاده‌ها از انرژی باد به استفاده جهت در توربین‌های چرخان به آسیاب‌های بادی برمی‌گردد. نخستین آسیاب‌های بادی، کاملاً از آسیاب‌های بادی معروف هلندی، که تصویر آن‌ها در ذهن بسیاری از ما ثبت شده است، متفاوت بود. تعداد پره‌های این آسیاب‌ها به ۱۲ عدد می‌رسید و پره‌ها از بالای یک دیرک عمودی، همانند بادبان‌های یک کشتی که از فراز دکل و بازوی افقی دکل آویزانند، آویخته شده بود. شاید بتوان شکل کلی این آسیاب‌ها را با چرخ و فلک‌های شهربازی‌های امروزی مقایسه کرد که محور اصلی آن‌ها در مرکز یک دایره روی زمین نصب شده است و اتاقک‌های چرخ و فلک همیشه فاصله ثابتی از سطح زمین دارند. این نوع طراحی برای آسیاب‌های بادی، شاید از بادبان‌های یک کشتی، یا از چرخ‌های دعای بودایی‌های آسیایی، که با نیروی باد می‌چرخید، الهام گرفته شده باشد.  استفاده از انرژی باد پیشینهٔ دراز مدتی داشته و به حدود سدهٔ ۲ پیش از میلاد در ایران باستان بازمی‌گردد.  برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو (دولاب) یا چرخ چاه را به گردش درآورده و آب را از چاه‌ها به سطح مزارع برسانند.

نخستین ماشینی که با استفاده از نیروی باد به حرکت درآمد، چرخ بادی هرون بود؛ ولی نخستین آسیاب بادی عملی، در سدهٔ ۷ میلادی در سیستان ساخته شد.^[۶] پیدایش آسیاب‌های بادی در اروپا مربوط به سده‌های میانه است. نخستین مورد ثبت‌شده در مورد استفاده از آسیاب‌هاب بادی در انگلستان مربوط به سده‌های ۱۱ و ۱۲ میلادی است.

نخستین توربین بادی با کاربرد تولید برق، یک ماشین شارژ باتری بود که در ژوئیه ۱۸۸۷ توسط یک مهندس اسکاتلندی به نام جیمز بلایث ساخته شد. چند ماه بعد، مخترع آمریکایی چارلز فرانسیس براش نخستین توربین باد خودکار را برای تولید برق در کلیولند در اوهایو ساخت.  در سال ۱۹۰۸، ۷۲ توربین بادی با کاربرد تولید برق (بین ۵ تا ۲۵ کیلووات) در آمریکا فعال بودند. در دهه ۱۹۳۰، توربین‌های بادی کوچک برای تولید برق مورد نیاز مزارع در آمریکا، که هنوز سامانه سراسری توزیع برق راه‌اندازی نشده بود، بسیار متداول بودند. در پاییز سال ۱۹۴۱، نخستین توربین بادی در کلاس مگاوات در ورمونت راه‌اندازی شد. نخستین توربین بادی متصل به شبکهٔ برق در بریتانیا در سال ۱۹۵۱ در جزایر اورکنی ساخته شد.

در سال ۲۰۰۶ برای اولین بار در اتحادیهٔ اروپا رشد تولید برق از انرژی‌های نو بیش از رشد تولید برق از منابع فسیلی بود. از سال ۱۳۷۹ تا ۱۳۸۶ شمسی، ظرفیت تولید برق بادی جهان از ۱۸۰۰۰ مگاوات به ۹۲۰۰۰ مگاوات افزایش یافته است. از سال ۲۰۰۰ تاکنون این صنعت سالانه ۲۵٪ رشد کرده و هر سه سال دو برابر شده است و این در شرایطی است که رشد اقتصاد جهانی از یک تا دو درصد در سال بیشتر نیست.

آسیاب بادی

ظهور آسیاب بادی در اروپا

آسیاب بادی پس از گذشت پانصد سال از اختراع آن در خاورمیانه، تا قرن دوازدهم میلادی در اروپا ناشناخته بود. سربازانی که از جنگ‌های صلیبی به کشورشان بازمی‌گشتند، داستان‌هایی را دربارهٔ آسیاب‌های بادی نقل می‌کردند. اروپاییان با الهام از ایده استفاده از نیروی باد به عنوان نیروی محرکه، سرانجام نوع جدیدی از آسیاب بادی را اختراع کردند. در این نوع آسیاب بادی، همهٔ مجموعهٔ آسیاب بادی می‌توانست حول محور یک دیرک مرکزی بچرخد تا پره‌های آسیاب در جهت وزش باد قرار بگیرند. مدتی بعد، آسیاب‌های بادی ساده‌تری که به شکل یک برج پره دار بود، ساخته شد؛ در این نوع آسیاب بادی، فقط پره‌ها همراه جریان باد می‌چرخیدند. با گذشت زمان آسیاب‌های بادی به چشم‌اندازهای طبیعی حومه شهرهای اروپا تبدیل شد. در قرن دوازدهم میلادی هلندی‌ها از تلمبه‌های آب که به وسیله آسیاب‌های بادی کار می‌کرد، برای احیای بخش‌هایی از خشکی که زیر آب دریای شمال قرار گرفته بود، استفاده می‌کردند. یک قرن بعد، در بعضی از شهرهای فرانسه بیش از ۱۲۰ آسیاب بادی نصب شده بود. در هلند، در قرن هجدهم، بیش از ۷۰۰ آسیاب بادی در امتداد رودخانه زان احداث شده بود.

مقایسه نیروی باد و نیروی آب

آسیاب‌های بادی مقایسه با آسیاب‌های آبی از امتیازهای بسیاری برخوردار بودند. اول آن که نیازی نبود که آسیاب‌های بادی نزدیک جریان آب احداث شوند. به علاوه اگر آب در زمستان یخ می‌زد، آسیاب‌های آبی از کار می‌افتادند در حالی که آسیاب‌های بادی به کار خود ادامه می‌دادند. امتیاز دیگر آسیاب‌های بادی این بود که رودخانه‌هایی که در کنار آن‌ها آسیاب‌های آبی ساخته می‌شد، معمولاً تخت نظارت مالکین و زمین داران قدرتمند قرار داشت و آن‌ها بودند که اجازه می‌دادند چه کسی حق احداث آسیاب آبی و آرد کردن گندم را داشته باشد. رواج آسیاب‌های بادی موجب رهایی مردم عادی از قید و بند مالکین شد.

انواع توربین‌های بادی

یک توربین ساوونیوس که دارای محور عمودی است.

سه نوع اصلی توربین بادی

پرهٔ توربین‌های بادی می‌تواند به دور محور افقی و یا عمودی دوران کند. توربین بادی با محور افقی، پیشینهٔ بیشتری داشته و امروزه هم بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقابل، مزیت توربین بادی با محور عمودی، عدم حساسیت نسبت به جهت وزش باد و عدم نیاز به یک پایهٔ مرتفع است.

توربین بادی با محور افقی

توربین‌های بادی در منجیل، ایران با محور افقی

در توربین‌های بادی با محور افقی (به انگلیسی: Horizontal Axis Wind Turbine که به اختصار HAWT هم نامیده می‌شوند،) روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای یک برج بلند قرار گرفته و باید در راستای باد قرار گیرند. توربین‌های بادی کوچک برای تعیین جهت وزش باد از یک بادنمای ساده استفاده می‌کنند، ولی توربین‌های بزرگ‌تر معمولاً از یک سنسور باد که با یک سرووموتور در ارتباط است، استفاده می‌کنند. بیشتر این توربین‌های بادی، با استفاده از یک جعبه‌دنده، سرعت چرخش کُند پره‌ها را به سرعت بیشتری برای ژنراتور تبدیل می‌کنند.

توربین‌های بادی امروزی

توربین‌های بادی که امروزه در نیروگاه‌های بادی برای تولید تجاری برق مورد استفاده قرار می‌گیرند، معمولاً سه-پره بوده و با استفاده از سامانه‌های کنترل رایانه‌ای در جهت وزش باد قرار می‌گیرند. البته توربین‌های باد با دو پره و حتی یک پره هم استفاده می‌شوند. پره‌های این توربین‌ها، معمولاً طولی بین ۲۰ تا ۴۰ متر و حتی بیشتر و سرعت دورانی حدود ۱۰ تا ۲۲ دور بر دقیقه دارند. اگر طول پرهٔ یک توربین بادی، ۴۰ متر بوده و با سرعت ۲۰ دور بر دقیقه دوران کند، سرعت خطی نوک پره‌های آن، حدود ۸۴ متر بر ثانیه (۳۰۲ کیلومتر بر ساعت) خواهد بود. برجی که پره‌ها بر بالای آن نصب می‌شوند، به صورت لولهٔ فولادی و به ارتفاع ۶۰ تا ۹۰ متر است. معمولاً با استفاده از جعبه‌دنده، سرعت چرخش محور افزایش داده می‌شود، ولی در برخی از طراحی‌ها، محور با همان سرعت یک ژنراتور حلقوی را می‌چرخاند. برخی از مدل‌های توربین بادی، در سرعت ثابت کار می‌کنند ولی توربین‌های با سرعت متغیر انرژی بیشتری می‌توانند تولید کنند؛ که به واسطه نیروی لیفت و دراگ پره‌ها به حرکت در می‌آیند.

توربین بادی با محور عمودی

یک توربین بادی با محور عمودی از نوع داریوس در جزایر مگدانل، کانادا

در توربین‌های بادی با محور عمودی (به انگلیسی: Vertical Axis Wind Turbine که به اختصار VAWT نامیده می‌شود، )روتور اصلی به‌صورت عمودی قرار می‌گیرد. مهم‌ترین برتری این نوع از توربین‌های بادی آن است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت وزش باد ندارند. این نکته در مکان‌هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلاً در بالای ساختمان‌های مسکونی، یک امتیاز به‌شمار می‌رود. مهم‌ترین عیب این نوع توربین‌ها، کم‌بودن سرعت دورانی آنها و درنتیجه زیادبودن گشتاور و هزینهٔ بیشتر سیستم انتقال قدرت، بارگذاری دینامیکی زیاد پره‌ها و همچنین پیچیدگی زیاد طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها پیش از ساخت پیش‌نمونه (پروتوتایپ) است. با توجه به عمودی بودن محور، جعبه‌دنده و ژنراتور می‌توانند در نزدیکی زمین قرار گیرند که این موضوع دسترسی به این تجهیزات را برای نگهداری و تعمیر آسان‌تر می‌کند.

توربین‌های بادی با محور عمودی به شکل‌های مختلفی ساخته می‌شوند. دو نوع عمدهٔ آنها، توربین‌های داریوس و ساوونیوس هستند.

توربینهای بادی چگونه کار می‌کنند؟

توربین‌های بادی انرژی جنبشی باد را به توان مکانیکی تبدیل می‌نمایند و این توان مکانیکی از طریق شفت به ژنراتور انتقال پیدا کرده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می‌شود. توربین‌های بادی بر اساس یک اصل ساده کار می‌کنند. انرژی باد دو یا سه پره‌ای را که بدور روتور توربین بادی قرار گرفته‌اند را بچرخش درمی‌آورد. روتور به یک شفت مرکزی متصل می‌باشد که با چرخش آن ژنراتور نیز به چرخش درآمده و الکتریسیته تولید می‌شود. توربین‌های بادی بر روی برج‌های بلندی نصب شده‌اند تا بیشترین انرژی ممکن را دریافت کنند بلندی این برج‌ها به ۳۰ تا ۴۰ متر بالاتر از سطح زمین می‌رسند. توربین‌های بادی در بادهایی با سرعت کم یا زیاد و در طوفان‌ها کاملاً مفید می‌باشند

طراحی و ساخت توربین‌های بادی

برای تعیین ارتفاع بهینهٔ برج، سیستم کنترلی، تعداد و شکل پره‌ها از شبیه‌سازی‌های آیرودینامیکی استفاده می‌شود.

توربین‌های با محور افقی متداول، به سه بخش اصلی تقسیم می‌شوند:

• بخش روتور، که تقریباً ۲۰٪ قیمت توربین باد را به خود اختصاص داده و شامل پره‌های تبدیل‌کنندهٔ انرژی باد به انرژی جنبشی دورانی با سرعت کم می‌شود.
• بخش ژنراتور که حدوداً ۳۴٪ هزینهٔ توربین باد بوده و شامل مولد الکتریکی، تجهیزات کنترلی و جعبه‌دنده برای افزایش سرعت دورانی محور توربین می‌شود.
• بخش تکیه‌گاهی که در بر گیرندهٔ ۱۵٪ قیمت توربین بوده و شامل برج و مکانیزم جهت‌دهی روتور نسبت به جهت وزش باد می‌شود.

اجزای مختلف یک توربین بادی مدرن با محور افقی

اجزای تشکیل دهنده توربین بادی

۱- باد سنج (Anemometer): این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آنرا به کنترل کننده‌ها انتقال می‌دهد.

۲- پره‌ها (Blades): بیشتر توربین‌ها دارای دو یا سه پره می‌باشند. وزش باد بر روی پره‌ها باعث بلند کردن و چرخش پره‌ها می‌شود.

۳- ترمز (Brake): از این وسیله برای توقف روتور در مواقع اضطراری استفاده می‌شود. عمل ترمز کردن می‌تواند بصورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی انجام گیرد.

۴- کنترولر (Controller): کنترولرها وقتی که سرعت باد به ۸ تا 16 mph می‌رسد ما شین را، راه‌اندازی می‌کنند و وقتی سرعت از 65 mph بیشتر می‌شود دستور خاموش شدن ماشین را می‌دهند. این عمل از آن جهت صورت می‌گیرد که توربین‌ها قادر نیستند زمانی که سرعت باد به 65 mph می‌رسد حرکت کنند زیرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسیار بالایی خواهد رسید.

۵- گیربکس (Gear box): چرخ دنده‌ها به شفت سرعت پایین متصل هستند و آنها از طرف دیگر همان‌طور که در شکل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل می‌باشند و افزایش سرعت چرخش از ۳۰ تا 60 rpm به سرعتی حدود ۱۲۰۰ تا 1500 rpm را ایجاد می‌کنند. این افزایش سرعت برای تولید برق توسط ژنراتور الزامیست. هزینه ساخت گیربکس‌ها بالاست درضمن گیر بکس‌ها بسیار سنگین هستند. مهندسان در حال انجام تحقیقات گسترده‌ای می‌باشند تا درایوهای مستقیمی کشف نماید و ژنراتورها را با سرعت کمتری به چرخش درآورند تا نیازی به گیربکس نداشته باشند.

۶- ژنراتور (Generator): که وظیفه آن تولید برق متناوب می باشدو بیشتر از نوع ژنراتور‌های القایی می‌باشد. ۷- شفت با سرعت بالا (High-speed shaft): که وظیفه آن به حرکت درآوردن ژنراتور می‌باشد.

۸- شفت با سرعت پایین (Low-speed shaft): رتور حول این محور چرخیده و سرعت چرخش آن ۳۰ تا ۶۰ دور در دقیقه می‌باشد.

۹- روتور (Rotor): بال‌ها و هاب به روتور متصل هستند.

۱۰- برج (Tower): برج‌ها از فولادهایی که به شکل لوله درآمده‌اند ساخته می‌شوند. توربین‌هایی که بر روی برج‌هایی با ارتفاع بیشتر نصب شده‌اند انرژی بیشتری دریافت می‌کنند.

۱۱- جهت باد (Wind direction): توربین‌هایی که از این فناوری استفاده می‌کنند در خلاف جهت باد نیز کار می‌کنند در حالی که توربین‌های معمولی فقط جهت وزش باد به پره‌های آن باید از روبرو باشد.

۱۲- باد نما (Wind vane): وسیله‌ای است که جهت وزش باد را اندازه‌گیری می‌کند و کمک می‌کند تا جهت توربین نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد.

۱۳- درایو انحراف (Yaw drive): وسیله ایست که وضعیت توربین را هنگامیکه باد در خلاف جهت می‌وزد کنترول می‌کند و زمانی استفاده می‌شود که قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گیرد اما زمانی که باد در جهت توربین می‌وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمی‌باشد.

۱۴- موتور انحراف (Yaw motor): برای به حرکت درآوردن درایو انحراف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزایا و معایب توربین بادی

توربین عمودی

مزایا توربین‌های عمودی:

از مزایای این نوع توربین عمودی نسبت به توربین‌های بادی محور افقی، عدم حساسیت به جهت باد و آشفتگی آن می‌باشد (این نکته در مکان‌هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلاً در بالای ساختمان‌های مسکونی، یک امتیاز به شمار می‌رود.)

عملکرد مناسب و کارا هنگام وزش بادهای مغشوش و گردابه‌ای

توربین بادی محور عمودی می‌تواند در فاصله‌ای نزدیکتر به زمین نصب گردد و جعبه‌دنده و ژنراتور در نزدیکی زمین قرار می‌گیرند که این موضوع سبب امنیت و ارزانی بیشتر در ساخت و نگهداری و تعمیر آسان‌تر آن می‌شود و همچنین برج یا دکل نیاز به پشتیبانی آن ندارد.

از آنجا که نوک پره‌ها در این نوع توربین‌ها به محور دوران نزدیکتر است، سر و صدای کمتری نسبت به توربین محور افقی تولید می‌کنند و حجم واندازه کمتر آن‌ها، برخوردهای محیطی را نیز کاهش می‌دهد.

معایب توربین‌های عمودی:

مشکل اصلی این نوع توربین‌ها، ایجاد نیروی مخالف نسبت به بادی که به پره دیگر می‌وزد، است پس بازدهی انفرادی کمتر آنها در مقایسه با توربین‌های افقی و گشتاور تکانی (لنگر) که در طول هر دوره تناوب تولید می‌شود؛ کمتر است.

نصب توربین‌های محور عمودی روی برج‌ها سخت است؛ بدین معنی که آنها باید در جریان‌های هوایی آهسته‌تر با اغتشاش بیشتر و نزدیک زمین با بازده استخراج انرژی پایین‌تر عمل کنند.

به دلیل کم بودن سرعت دورانی پره‌ها، گشتاور زیاد است.

هزینهٔ بالای طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها از دیگر مسایل است. جبران بازده کمتر توربین‌های محور عمود از طریق چیدمان فشرده‌تر آنها و طراحی جدید امکان‌پذیر است. مسئله خستگی سازه نیز با قابلیت پیش‌بینی دقیق‌تر بارهای آیرودینامیکی تا حد زیادی قابل بر طرف شدن است.

توربین افقی

مزایای توربین افقی

تیغه‌ها به سمت مرکز گرانش توربین اند که به ثبات آن کمک می‌کند.

تیغه‌ها برای قرار گیری در بهترین زاویه قابلیت پیچ و تاب دارند

با پیچ کردن تیغه‌ها به روتور آسیب‌ها در طوفان به حداقل می‌رسد.

بلندی برج این امکان را می‌دهد تا دسترسی به بادهای شدید و قوی بیشتر شود.

قابل استفاده در زمین‌های ناهموار و دور از ساحل بیشتر آن‌ها شروع خودکار دارند.

معایب توربین افقی

کارکرد سخت در نزدیک سطح زمین

سختی درحمل و نقل

مشکل در نصب و راه‌اندازی

در مجاورت رادار تحت تأثیر قرار می‌گیرد

تعمیر و نگه داری آن سخت است

آلودگی صوتی توربین‌های بادی

کسانی که در محل‌های نزدیک به توربین‌های بادی سکونت دارند، همیشه از صدای مخصوص چرخش پره‌ها و صدای آزار دهنده چرخ دنده توربین‌ها و ژنراتورها، که آرامش آن‌ها را برهم می‌زند، گلایه می‌کنند. توربین‌های بادی در سال‌های اخیر بسیار کم سر و صداتر از نمونه‌های قدیمی تر هستند. اکنون صدای پره توربین‌های بادی از فاصله بیش از ۲۰۰ متری قابل شنیدن نیست. مهندسین بر این باورند که توربین‌های بادی مدرن امروزی دیگر پر سر و صدا و آزار دهنده نیستند.

توربین‌های بادی در ایران

در سال ۲۰۰۴ میلادی تنها ۲۵ مگاوات از ۳۳٫۰۰۰ مگاوات برق تولید شده در ایران با استفاده از انرژی بادی تولید شده بود. در سال ۲۰۰۶ میلادی سهم برق تولید شده در ایران با استفاده از انرژی بادی ۴۵ مگاوات بود (رتبه سی ام در دنیا) که به نسبت سال ۲۰۰۵ رشد چهل درصدی را نشان می‌داد. در سال ۲۰۰۸ میلادی نیروگاه بادی منجیل(در استان گیلان) و بینالود (در استان خراسان رضوی)، ظرفیت ۸۲ مگاوات برق را داشته‌اند. ظرفیت برق بادی در ایران در سال ۲۰۰۹ میلادی ۱۳۰ مگاوات ساعت بوده‌است.

توربین‌های بادی کوچک

توربین‌های بادی کوچک بیشتر در قایق‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند و ممکن است تنها حدود ۵۰ وات توان داشته باشند. آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر وزارت انرژی آمریکا، توربین‌های بادی با توان کمتر از ۱۰۰ کیلووات را توربین بادی کوچک تعریف می‌کند. در این توربین‌ها، معمولاً ژنراتور به‌صورت مستقیم (بدون جعبه‌دنده) به روتور متصل شده و خروجی جریان مستقیم ایجاد می‌کند. همچنین برای تعیین جهت باد، معمولاً از یک بادنما استفاده می‌کنند.

رکوردها

بیشترین توان

توربین مدل E-۱۲۶ شرکت آلمانی انرکون با توان نامی ۷٫۵۸ مگاوات، بزرگ‌ترین توربین بادی جهان از نظر توان تولیدی است.^[۱۸] ارتفاع کلی این توربین، ۱۹۸ متر و قطر پره‌های آن ۱۲۶ متر است.

شرکت‌های مختلفی در حال کار بر روی توربین بادی با توان ۱۰ مگاوات هستند، ولی هنوز چنین توربین بادی ساخته نشده‌است.

بزرگ‌ترین مساحت جاروب‌شده

بلندترین پره‌ها و در نتیجه بیشترین مساحت جاروب‌شده مربوط به توربین باد ۴٫۵ مگاواتی است که در ساراگوسای اسپانیا نصب شده‌است. قطر پره‌های این توربین باد، ۱۲۸ متر است.

بلندترین

بلندترین توربین بادی جهان، توربین بادی است که در لاسو، در ایالت براندنبورگ آلمان نصب شده‌است. محور این توربین در ارتفاع ۱۶۰ متری از سطح زمین قرار گرفته و نوک پره‌های آن تا ارتفاع ۲۰۵ متر می‌رسند.^[۲۰] این توربین، تنها توربین بادی جهان است که بیش از ۲۰۰ متر ارتفاع دارد.

بزرگ‌ترین توربین بادی با محور عمودی

توربین Éole در یک نیروگاه بادی در کِبک کانادا بزرگ‌ترین توربین بادی با محور عمودی در دنیا است. این توربین بادی، ۱۱۰ متر ارتفاع و ۳٫۸ مگاوات توان دارد.

توربین بادی انرکون E-۱۲۶، بیشترین توان تولید برق

توربین بادی لاسو، بلندترین توربین باد دنیا

توربین بادی Éole در کِبک کانادا، بزرگ‌ترین توربین باد با محور عمودی

مزارع بادی و محیط زیست

هر چند نیروی باد یک منبع انرژی سالم و غیر آلاینده محیط زیست به شمار می‌رود، اما احداث یک مزرعه می‌تواند لطمه شدیدی به محیط زیست وارد کند. مثلاً برای عملیات پی ریزی و استقرار برجک‌های پایه توربین‌های بادی باید گودال‌هایی به عمق ۵۰ متر حفر شود. اگر منطقه مورد نظر پوشیده از تخته سنگ‌های عظیم باشد، در آن صورت برای تسطیح زمین و متلاشی کردن سنگ‌ها از دینامیت هم استفاده می‌شود. بعضی وقت‌ها حفر کردن گودال‌هایی چنین عمیق در دل زمین، در شرایط اکوسیستم منطقه به شدت تأثیر می‌گذارد و گونه‌های گیاهی که در آن ناحیه از این به بعد رشد می‌کنند کاملاً متفاومت از گونه‌های گیاهی خواهند بود که پیش از احداث این تأسیسات در منطقه رشد می‌کردند. هم چنین احداث جاده به منظور دسترسی به محل توربین‌های بادی موجب نابودی بسیاری از زیستگاه‌های حیات وحش می‌شود. مثلاً در یورکشایر انگلستان، زیستگاه‌های باتلاقی که گونه‌های بسیار نادری از انواع جانداران را در خود جای داده‌اند، به واسطه احداث توربین‌های بادی این منطقه، در خطر نابودی قرار گرفته‌اند.

دانلود فایل PDF

Save

آشنایی با انواع توربین های بادی محور افقی و عمودی

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