خودروهای الکتریکی

دانلود

فراوانی خودروهای الکتریکی در شهرهای ثروتمند تا سال 2030

فراوانی خودروهای الکتریکی در شهرهای ثروتمند تا سال 2030

این نکته که خودرو‌های الکتریکی به آرامی به جایگاه ثابتی در دنیای خودرو می‌رسند به هیچ وجه قابل انکار نیست. روندی که صرفا به عنوان چند خودرو با محدوده‌ی حرکتی بسیار کم شروع شد، به مدل‌هایی نظیر تسلا مدل S، شورولت Bolt EV و رنو Zoe تبدیل شده است و همه‌ی این‌ها ثابت می‌کند که نگرانی در مورد محدوده‌ی حرکتی چیزی نیست که الزاما ما را از عدم وابستگی به سوخت‌های فسیلی برای رفتن نقطه A به B، باز دارد.

طبق گزارش‌های ارائه شده توسط شرکت مشاوره‌ی McKinsey & Company و شرکت Bloomberg New Energy Finance، در نشستی با عنوان Future of Energy در لندن، بیش از دو سوم خودرو‌ها در شهر‌های ثروتمندی همچون لندن یا سنگاپور از نوع الکتریکی خواهند بود.

این مطالعه نشان داده است که هزینه‌ی فناوری‌های مرتبط با خودرو‌های الکتریکی به سرعت در حال سقوط است، چرا که قیمت باتری‌های لیتیوم یون در سال گذشته با ۶۵ درصد کاهش به ۳۵۰ دلار به ازای هر کیلو‌وات ساعت رسیده است، در سال ۲۰۱۰، قیمت همین فناوری حدود ۱۰۰۰ دلار به ازای هر کیلو‌وات ساعت بود. براساس این گزارش، چنانچه نرخ کاهش قیمت‌ها با این روند ادامه پیدا کند، قیمت باتری‌ها در ۱۰ سال آینده به ۱۰۰ دلار به ازای هر کیلو‌وات ساعت خواهد رسید. برای آنکه معیاری برای سنجش تفاوت این قیمت‌ها داشته باشیم، کافی است توجه کنید که با هزینه‌های فعلی، باتری ۳۰ کیلووات ساعتی خودروی نیسان Leaf بالغ بر ۱۰۵۰۰ دلار خواهد بود، اما چنانچه این مطالعه درست بوده باشد، قیمت همان باتری در ۱۰ سال آینده به ۳ هزار دلار خواهد رسید. این بدین معناست که خودروسازان قادر خواهند بود تا باتری‌های بزرگتری را بدون افزایش قیمت پایه‌ی خودرو‌های خود، استفاده کنند. همچنین ممکن است خودرو‌های الکتریکی قابل قبول فعلی نیز مانندشورولت بولت یا رنو Zoeبا قیمت پایین‌تری عرضه شوند.

همان طور که در گزارش نیز آمده است، کاهش هزینه‌ی تولید و افزایش علاقه‌مندی خریداران به خودروهای الکتریکی می‌تواند تهدیدی برای صنعت خودروسازی باشد. اقتصاد‌دان ارشد BP، اسپنسر دیل (Spencer Dale)، در نشست یاد شده گفت:

صنعت خودرو‌سازی با آینده‌ای مواجه است که می‌تواند به صورت اساسی با گذشته‌ی آن متفاوت باشد به طوری که شاید نیاز باشد تا خودروساز‌ها، مدل مالکیت‌-محور صِرف محصول را رها کرده و به جای آن طیف گسترده‌ای از سرویس‌های حمل و نقل را فراهم کنند. آینده‌ی موفق خودروهای الکتریکی قابل انکار نیست.

اطلاعات ارائه شده در این گزارش چندان مایه‌ی تعجب نیست. با این همه، دولت‌های بزرگ دنیا به صورت پیوسته در حال اصلاح قوانین و استاندارد‌ها هستند و این روند به گونه‌ای است که پیشرانه‌های قابل اعتماد و تثبیت‌ شده‌ی احتراق داخلی نیز یارای مقابله با آن را ندارند. به طوری که خودرو‌ساز‌ها تطبیق با تکنولوژی‌های گذشته را بسیار هزینه‌برمی‌بینند و بنابراین شاهد استفاده‌ی آنها از پیشرانه‌های کوچک و توربوشارژ‌دار هستیم. همچنین دولت‌ها در حال ایجاد معافیت‌های مالیاتی و ایجاد انگیزه در مشتریان هستند تا بدین ترتیب آنها را نسبت به خرید خودروهای الکتریکی و ارزان‌قیمت راغب کنند. برای آنکه به تلاش‌های صورت گرفته در این زمینه پی ببرید، کافی است تا به برنامه‌ها و اهداف خودروسازهای بزرگ، نگاهی بیندازید. ولکس‌واگن به تازگی از سری مفهومی موسوم به I.D رونمایی کرد، گفته می‌شود که این خودرو اولین نمونه از ۳۰ خودروی الکتریکی این شرکت خواهد بود و به لحاظ قیمتی نیز با نسخه‌ی دیزل خودوری گلف در یک رده خواهد بود. همچنین مرسدس بنز در حال برنامه‌ریزی برای عرضه ۱۰ خودروی الکتریکی تحت نظر برند جدید خود با عنوان EQ است.

اکنون شاهد آن هستیم که ترس و اضطراب خریداران در خصوص ظرفیت و طول عمر باتری خودروهای الکتریکی رو به افول است و دولت‌های جهانی در حال تلاش هستند برای مثبت‌سازی نگرش عموم مردم نسبت به خودروهای الکتریکی هستند. به تازگی اخباری مبنی بر طرح دولت آلمان برای ممنوعیت فروش خودرو‌های احتراق داخلی تا سال ۲۰۳۰ منتشر شده است. دولت‌ها در حال افزایش انگیزه برای خرید خودرو‌های الکتریکی، کم کردن مالیات خودرو‌های الکتریکی یا افزایش مالیات خودرو‌های سوخت فسیلی هستند. چرخه‌ی عمر خودرو‌های سوخت فسیلی به آرامی رو به اتمام است. شاید این مسئله امروز یا هفته‌ها و ماه‌های بعد امکان پذیر نباشد، ولی قابل انتظار است که تا ۱۰۰ سال دیگر هیچ خودرویی با سوخت فسیلی در جاده‌ها مشاهده نکنیم.

دانلود pdf

انواع سلول های خورشیدی

انواع سلول های خورشیدی

در منابع مختلف انواع گوناگونی از تقسیم بندی ها در زمینه سلول های خورشیدی انجام می شود. در اینجا نوعی از این تقسیم بندی را که تا حدی براساس ترتیب زمانی پیدایش آنها نیز می باشد ارائه شده است.

1. سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون کریستالی
رایج ترین ماده توده برای سلول خورشیدی، سیلیکون کریستالی (c-Si) است. ماده توده سیلیکون با توجه به نوع کریستال و اندازه کریستال به چندین بخش تقسیم می شود.
• سیلیکون تک کریستالی (c-Si)
• سیلیکون پلی کریستالی (poly-Si) یا چند کریستالی (mc-Si)

 
2. سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون لایه نازک غیر کریستالی (آمورف)
هزینه پایین یکی از مزایای سلول های خورشیدی برپایه سیلیکون آمورف (a-Si) می باشد. دو جزء اصلی آلیاژ a-Si ، سیلیکون و هیدروژن است. علاوه براین، مشخصه یک آلیاژ a-Si داشتن ضریب جذب بالاست. تنها یک لایه نازک برای جذب نور نیاز است و این باعث کاهش هزینه مواد می شود.

3. سلول های خورشیدی لایه نازک GaAsاولین لازمه موادی که باید در یک قطعه مبدل انرژی فتوولتائیک خورشیدی به کار برود، تطبیق گاف انرژی با طیف خورشیدی و نیز داشتن قابلیت تحرک بالا و طول عمر حامل های زیاد می باشند. این شرایط توسط بسیاری از ترکیبات II-VI ، III-V و Si برآورده می شوند. مواد گروه III – Vعلی رغم هزینه های بالای استحصال و ساخت این نیمه هادی ها، با موفقیت زیاد در کاربردهای فضایی که در آنها هزینه، فاکتور مهمی نیست مورد استفاده قرار گرفته اند. در سال 1961، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای 300 کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، 30% است که برای سلولی با گاف انرژی ماده برابر 1.39eVبدست می‌آید. با توجه به اینکه انرژی شکاف گالیم آرسناید برابر 1.424eV است می تواند ماده مناسبی برای طراحی سلول های خورشیدی باشد.سلول های خورشیدی ساخته شده برپایه لایه نازک GaAs به عنوان نسل دوم سلول های خورشیدی نامگذاری می شوند.

4. سلول های خورشیدی مبتنی بر مواد آلیسلولهای خورشیدی ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با همتایان دیگر خود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت هایی مانند انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. انواعی از سلول های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل سلول های خورشیدی حساس به رنگ، سلول های خورشیدی پلیمری و سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع هستند.
• سلول های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC )
ساختار پایه یک DSSC وارد کردن بهینه یک نیمه هادی نوع n شفاف (با شکاف انرژی پهن) در یک شبکه ای از ستون ها در ابعاد نانو در تماس با نانوذره ها یا برآمدگی های مرجانی شکل است.

شکل 1) شماتیک یک سلول خورشیدی حساس به رنگ

 S. J. Fonash, Solar Cell Device Physics (Second Edition) Elsevier, 2010.

سطح شبکه بزرگ طراحی می شود و هرقسمت آن با یک تک لایه ای از یک رنگ یا پوششی از نقاط کوانتومی، که به عنوان رنگ عمل می کنند، پوشانده می شود. سپس یک الکترولیت برای نفوذ ساختار شبکه پوشش داده شده حاصل، مورد استفاده قرار می گیرد تا یک کانال یا مجرایی بین رنگ و آند ایجاد کند. رنگ نور را جذب می کند و تولید اکسیتون  می کند ، که در سطح مشترک رنگ – نیمه هادی تفکیک می شود و منجر به ایجاد الکترون ها توسط فوتون برای نیمه هادی و مولکول های رنگ اکسید شده به وسیله الکترولیت (که باید کاهش یابند و دوباره تولید شوند) می شود.
• سلول های خورشیدی پلیمری
سلول های خورشیدی پلیمری دارای ویژگی های خاصی هستند. چون مواد اکتیو استفاده شده برای ساخت قطعات قابل حل شدن در حلال های آلی بسیاری هستند، بنابراین سلول های خورشیدی پلیمری دارای پتانسیل لازم برای انعطاف پذیری و قابلیت ساخت در یک فرایند چاپ پیوسته همانند چاپ روزنامه را دارند.

شکل 2) قابلیت ساخت سلول های خورشیدی پلیمری به صورت یک فرایند ساخت پیوسته

Nat. Photonics, vol. 2, p. 287–289, 2008

اخیرا بازده تبدیل توان حدود 6% گزارش شده است ولی این مقدار با مقادیر لازم برای کاربردهای معمول فاصله دارد.
• سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع
در نمونه ای از سلول های خورشیدی از این نوع از کریستال های مایع ستونی برای ساخت سلول استفاده می شود. گروهی از کریستال‌های مایع می‌توانند به حالت ستونی وجود داشته باشند. حالت ستونی حالتی است که مولکول‌های تشکیل‌دهنده کریستال‌های مایع که می‌توان آنها را به دیسکی تشبیه کرد روی هم قرار گرفته و ستون‌هایی را تشکیل می‌دهند. در ابتدا این گروه از کریستال‌های مایع، کریستال‌های مایع دیسکی نامیده می‌شدند. زیرا هر ستون از روی هم چیده شدن صفحات دیسک مانند مولکول‌ها روی هم درست می‌شود. تحقیقات اخیر نشان داده‌است که بعضی از کریستال‌های مایع ستونی از واحدهای غیر دیسکی ساخته می‌شوند در نتیجه بهتر است به این گروه از مواد کریستال‌های مایع ستونی گفته شود.

5. سلول های خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی

یک فاکتور محدود کننده برای بازده تبدیل انرژی در سلول های خورشیدی با یک شکاف انرژی این است که انرژی فوتون جذب شده بالای شکاف انرژی نیمه هادی در اثر اندرکنش الکترون – فونون به صورت گرما تلف می شود تا حامل ها به لبه شکاف باند انرژی رسیده و به اصطلاح به آرامش  برسند.

شکل 3) سلول خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی

(IEEE Transactions on electron devices, vol. 49, pp. 1632-1639, 2002.)

در سال های اخیر روشهایی برای کاهش این تلفات با استفاده از ساختارهای کوانتومی از جمله چاه های کوانتومی و نقاط کوانتومی ارائه شده است.

شکل 4) بهبود بازده فتوولتائیک در سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی با استفاده از یونیزاسیون ضربه ای (اثر اوژهمعکوس) (Phys. Rev. B, vol. 60, pp. R2181-R2184, 1999.)

در این ساختارها هنگامی که حامل ها در نیمه هادی به وسیله سد های پتانسیل به نواحی خاصی که کوچکتر یا قابل مقایسه با طول موج دوبروی آنها یا شعاع بوهر اکسیتون ها در نیمه هادی توده  است محدود می شوند، دینامیک آرامش کاملا متفاوت خواهد بود

******

- برخی ازآنالیزهای مربوط به سلول‌های خورشیدی
6-1- آنالیز جریان-ولتاژ سلول خورشیدی (Solar Cell J-V Analysis)

تستI-V اولین و پایه‌ای‌ترین آنالیز سلول خورشیدی است. در این آنالیز بازده سلول و همچنین ولتاژ مدار باز، جریان مدار کوتاه و فاکتور پر کنندگی سلول تعیین می‌شود. علاوه‌بر‌این، از شکل منحنی جریان-ولتاژ اطلاعاتی نیز در مورد مقاومت‌های سری و موازی سلول بدست می‌آید. به طور کلی در این تست با تابش نور سفید و بستن یک ولت متر و یک آمپر سنج به کمک یک رئوستا مقاومت افزایش می‌یابد و در نتیجه با افزایش مقاومت تا بی‌نهایت شدت جریان به صفر می‌رسد و در این زمان می‌شود رابطه‌ی بین ولتاژ و آمپر را مقایسه کرد و توان ماکزیموم را حساب نمود و طبق فرمولی با داشتن مساحت سلول و همچنین شدت نور سفید تابانده شده به راندمان سلول دست یافت.

شکل 3: دستگاه تستI-V

6-2- اندازه‌گیری بازده طیفی سلول خورشیدی (Incident Photon to Current Conversion Efficiency)

اندازه‌گیری بازده طیفی سلول خورشیدی یا بازده کوانتومی خارجی سلول با تاباندن نور با طول موج مشخص به سلول و اندازه‌گیری جریان سلول انجام می‌شود. با مقایسه جریان سلول با جریان یک فوتودیود کالیبره شده در هر طول موج می‌توان بازده طیفی را اندازه گرفت.

6-3- اندازه‌گیری سطح فرمی و بار تجمع یافته (Fermi level and accumulated charge)

این آنالیز عمدتا برای سلول های خورشیدی رنگدانه ای انجام می شود. با استفاده از این آنالیز چند پارامتر مهم سلول خورشیدی رنگدانه‌ای به شرح زیر قابل اندازه‌گیری است:
اندازه‌گیری تراز فرمی در حالت مدار باز در شدتظهای مختلف نور
اندازه‌گیری جریان اتصال کوتاه در شدت‌های مختلف نور
اندازه‌گیری تراز فرمی الکترود در حالت اتصال کوتاه
اندازه‌گیری عمق و چگالی ترازهای انرژی در الکترودهای نانوساختاری در حالت مدار باز
اندازه‌گیری چگالی بار تجمع یافته در حالت اتصال کوتاه

6-4- طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (Electrochemical Impedance Spectroscopy)

طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی یکی از مهم‌ترین روش‌های مشخصه‌یابی سیستم‌های الکتروشیمیایی و از جمله‌ی آن سلول‌های خورشیدی فوتوالکتروشیمیایی رنگدانه‌ای است. امپدانس به صورت نسبت ولتاژ به جریان سیگنال تعریف می شود.

http://www.iust.ac.ir/find.php?item=74.10877.20217.fa

Save

سهم مصرف انرژی لوازم برقی خانگی

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