انرژی بادی

انرژی باد

منشأ باد یک موضوع پیچیده‌است. از آنجاییکه زمین بطور نامساوی به وسیله نور خورشید گرم می‌شود بنابراین در قطب‌ها انرژی گرمایی کمتری نسبت به مناطق استوایی وجود دارد همچنین در خشکی‌ها تغییرات دما با سرعت بیشتری انجام می‌پذیرد و بنابراین خشکی‌ها زمین نسبت به دریاها زودتر گرم و زودتر سرد می‌شوند. این تفاوت دمای جهانی موجب به وجود آمدن یک سیستم جهانی تبادل حرارتی خواهد شد که از سطح زمین تا هوا کره، که مانند یک سقف مصنوعی عمل می‌کند، ادامه دارد. بیشتر انرژی که در حرکت باد وجود دارد را می‌توان در سطوح بالای جو پیدا کرد جایی که سرعت مداوم باد به بیش از ۱۶۰ کیلومتر در ساعت می‌رسد و سرانجام باد انرژی خود را در اثر اصطکاک با سطح زمین و جو از دست می‌دهد.

یک برآورد کلی اینگونه می‌گوید که ۷۲ تراوات (TW) انرژی باد بر روی زمین وجود دارد که پتانسیل تبدیل به انرژی الکتریکی را دارد و این مقدار قابل افزایش نیز هست.

قدیمی‌ترین روش استفاده از انرژی باد، به ایران باستان بازمی‌گردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو یا چرخ چاه را به گردش درآورده و از چاه‌های آب خود، آب را به سطح مزارع برسانند. احتمالاً نخستین ماشین بادی توسط ایرانیان باستان ساخته شده‌است و یونانیان برای خرد کردن دانه‌ها و مصریها، رومی‌ها و چینی‌ها برای قایقرانی و آبیاری از انرژی باد استفاده کرده‌اند.

در قرن ۱۳ این فناوری توسط سربازان صلیبی به اروپا برده شد و هلندیها فعالیت زیادی در توسعه دستگاه‌های بادی داشتند، بطوری که در اواسط قرن نوزدهم در حدوود ۹ هزاز ماشین بادی به منظورهای گوناگون مورد استفاده قرار می‌گرفته‌است. در زمان انقلاب صنعتی در اروپا استفاده از ماشینهای بادی رو به کاهش گذاشت. استفاده از انرژی باد در ایالات متحده از سال ۱۸۵۴ شروع شد. از این ماشینها بیشتر برای بالا کشیدن آب از چاه‌های آب و بعدها برای تولید الکتریسیته استفاده شد. بزرگترین ماشین بادی در زمان جنگ جهانی دوم توسط آمریکائیها ساخته شد.

در شوروی سابق در سال ۱۹۳۱ ماشینی بادی با محور افقی بکار انداختند که انتظار می‌رفت ۱۰۰ کیلو وات برق به شبکه بدهد. ارتفاع برج ۲۳ متر و قطر پره‌ها ۳۰٫۵ متر بود.

 

مزایای بهره برداری از انرژی باد :

انرژی باد نیز مانند سایر منابع انرژی تجدید پذیر از ویژگیها .و مزایای بالاتری نسبت به سایر منابع انرژی برخوردار است که اهم این مزایا عبارتند از :
۱- عدم نیاز توربینهای بادی به سوخت، که در نتیجه از میزان مصرف سوختهای فسیلی می کاهد.
۲- رایگان بودن انرژی باد
۳- توانایی تامین بخشی از تقاضای انرژی برق
۴- کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد نسبت به انرژیهای فسیلی
۵- کمتر بودن هزینه های جاری و هزینه های سرمایه گذاری انرژی باد در بلند مدت
۶- تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی
۷- قدرت مانور زیاد، جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه (از چند وات تا چندین مگاوات)
۸- عدم نیاز به آب
۹- عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
۱۰- نداشتن آلودگی محیط زیست نسبت به سوختهای فسیلی

اجزاء اصلی توربینهای بادی محور افقی

  • روتور: روتور توربین باد شامل پره، هاب، دماغه و یاتاقانهای پره می باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند.معمولا روتور توسط بک برج در ارتفاع مناسبی نسبت به زمین قرار می گیرد و البته پیش بینی های لازم برای هم جهت شدن امتداد شفت با جهات مختلف باد و همچنین برای کنترل سرعت آن صورت می گیرد و قدرت جذب شده توسط این روتور مستقیما و یا توسط یک سیستم مکانیکی به ماشینی که قرار است رانده شود منتقل می گردد. تعداد پره ها معمولا متغیر بوده و پهنای پره (کورد) ممکن است در تمام طول پره ها ثابت و یا آنکه متغیر باشد و پره از هاب به سمت نوک باریک شود.ضمنا پره ممکن است در امتداد محور طولی تاب داشته باشد یا اصطلاحا پیچیده باشد و بالاخره گام پره ممکن است ثابت و یا متغیر باشد.
  • پره: یکی از مهمترین بخشهای توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد.
  • برج: سازه های مشبک فولادی- برجهای استوانه ای فولادی یا بتنی و همچنین ستونهای مهار شده توسط کابل از رایج ترین برجهای نگهدارنده محسوب می شوند. ارتفاع برج معمولا بین یک تا یک ونیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین سفتی برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می گردد وجود دارد.
  • ناسل: شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد.بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن باستند.
  • 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) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقانها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. 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 KW 500) مزیت وزن و سایز در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتراست. بعضی از توربین‌های باد از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می کند (ژنراتور با تعداد قطب بالا ) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد.
  • ژنراتور:  پره های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی درسیستم انتقال تبدیل می کنند و در قدم بعدی ژنراتور، انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربینهای بادی استفاده می شود. – ژنراتور جریان مستقیم – آلترناتور یا ژنراتور سنکرون – ژنراتور القایی یا آسنکرون
  • 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.
  • ترمز در توربینهای بادی با ظرفیت بسیار پایین ( ۱ الی ۵ کیلووات) معمولا از سیستم های ترمز کفشکی استفاده می شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. در توربینهای بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می شود.
  • 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 (yaw system) یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام میشود. در توربین های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف (yaw system) از بالچه استفاده می کنند. 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.
  • سیستم هیدرولیک:  سیستم های 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.

 

پتانسیل انرژی بادی در ایران

 جمهوری اسلامی ایران در بخش غربی فلات و در جنوب غرب آسیا واقع شده است. ایران با مساحت ۱۶۴۸۱۹۵ کیلومتر مربع بین طول جغرافیایی شرقی ۴۴ تا ۹۹/۶۳ درجه و عرض شمالی ۲۵ تا ۹۹/۳۹ درجه قرار گرفته و بیش از نیمی از مساحت آن را نواحی کوهستانی پوشانده است.

 این کشور با تنوع آب و هوایی زیادی روبروست. نواحی شمالی ایران دارای آب و هوای معتدل و بارندگی قابل ملاحظه به ویژه در نواحی غربی استان گیلان است. آب و هوای نواحی غربی ایران در فصول سرد، سرد و مرطوب و در فصول گرم، خشک و معتدل است. در نواحی جنوبی، دمای هوا و رطوبت بیشتر است، تابستانهای بسیار گرم و زمستانهای معتدل از مشخصات آب و هوایی این ناحیه است و تغییرات روزانة دما کمتر محسوس می باشد. نواحی شرقی و جنوب شرقی دارای آب و هوای بیابانی با تغییرات قابل ملاحظة دما در طول روز است. برای اینکه بتوان از منابع باد موجود جهت تولید برق استفاده نمود، وجود اطلاعات باد قابل اعتماد در خصوص پتانسیل باد منطقة مورد نظر جهت احداث نیروگاه بادی ضروری است.
 در ایران با توجه به وجود مناطق بادخیز، بستر مناسبی جهت گسترش بهره برداری از توربین های بادی فراهم می باشد. یکی از مهمترین پروژه های انجام شده در زمینه انرژی بادی تهیه اطلس بادی کشور بوده است که پروژه مذکور در سازمان انرژیهای نو ایران صورت گرفته و به عنوان یکی از پروژه های ملی در صنعت انرژی باد محسوب می گردد.
 طبق اطلس بادی تهیه شده و بر اساس اطلاعات دریافتی از ۶۰ ایستگاه و در مناطق مختلف کشور، میزان ظرفیت اسمی سایتها در حدود ۶۰۰۰۰ مگاوات می باشد. بر پایه پیش بینی های صورت گرفته، میزان انرژی قابل استحصال بادی کشور از لحاظ اقتصادی بالغ بر ۱۸۰۰۰ مگاوات تخمین زده می شود که موید پتانسیل قابل توجه کشور در زمینه احداث نیروگاههای بادی و همچنین اقتصادی بودن سرمایه گذاری در صنعت انرژی بادی می باشد.

در انجام پروژه پتانسیل سنجی بادی در ایران شرکت لامایر آلمان نیز به عنوان مشاور همکاری داشته است و و بر اساس مطالعات شرکت مذکور پتانسیل بادی قابل استحصال در کشور در حدود ۱۰۰ هزار مگاوات برآورد گردیده است.