دانلود مقاله انرژی باد ( توربین های بادی )

بخشی از مقاله

منابع
1- مجيد جميل، نيروگاه‌هاي بادي در جهان در سال 96، مجلس و پژوهش ، شماره 26، سال ششم ، بهمن و اسفند 1377،ص 109-102
2- مجيد جميل (مترجم) ، استفاده از باد براي توليد برق در بريتانيا، اطلاعات علمي،سال دهم ،شماره 12،مهر 1375، ص 35
1- Heard C.L & et-al, "Thermody namci Analysis of the Pperation of Geothermal Electrical Power Generation Faciltiy", Geothermal Research in Mexico, 1986.
2- Rummel , F., & Kappelmeyer, "Geothermal Energy, Future Energy Source", GEC-MeB- System 1992
"Guide to the Geothermal Power Plant", Mitsubishi Heavy industires Ltd. (MHI), 1991

مقدمه
زندگي انسان در تمام ادوار تاريخ به انرژي وابسته بوده است . زماني كه در غار زندگي مي‌كرد فقط از نيروي بازوي خويش كمك مي‌گرفت در آن دوران انرژي او محدود بود نياز او را برطرف مي‌كرد ولي امروزه در دوراني زندگي مي‌كنيم كه در آن به مقدار زيادي انرژي نياز داريم. انسان براي حركت ،ماشينها و دستگاهها ووسايل مختلف كه در خدمت اوست به انرژي زيادي احتياج دارد.
انرژي لازم وسايل و دستگاههاي مورد نياز زندگي انسان از مواد فسيلي نظير زغالسنگ- نفت وگاز طبيعي تهيه مي‎شود. از اين رومواد فسيلي را بايستي ركن اساسي گردش چرخ صنعت در اين دوران دانست دنياي امروز با بحرانهاي اقتصادي كه ناشي از وابستگي به انرژي فسيلي و همچنين غير اقتصادي بودن استفاده از اين گونه انرژي‌هاست، روبروست. از همين رو ضروري به نظر مي‌رسد كه انسان به دنبال منابع جديد براي تأمين انرژي ارزان مي‌باشد كه از آن قبيل مي‎توان استفاده از انرژي خورشيد باد زمين گرمايي و آبي را نام برد.
استفاده از انرژي باد وزمين گرمايي در عصر حاضر مورد توجه كشورهاي مختلفي قرار گرفته زيرا تقريباً هم ارزان است و هم بدون آلودگي كه در اين جا به نحوه توليد برق از طريق اين دو انرژي مي‌پردازيم.

انرژي باد
از انرژي‌هاي بادي جهت توليد الكتريسته و نيز پمپاژ آب از چاهها و رودخانه‌ها، آرد كردن غلات، كوبيدن گندم، گرمايش خانه و مواردي نظير اينها مي‌توان استفاده نمود.لكن هزينه غيراقتصادي استفاده از اين انرژي بخصوص در ماشينهاي بادي بكارگيري از اين انرژي را محدود ساخته است.
استفاده از انرژي بادي در توربين‌هاي بادي كه به منظور توليد الكتريسته بكار گرفته مي‌شوند از نوع توربين‌هاي سريع محور افقي مي‌باشند. هزينه ساخت يك توربين بادي با قطر مشخص، در صورت افزايش تعداد پره‌ها زياد مي‌شود. در مكانهائي كه شبكه برق رساني ضعيف و بارهاي محلي در نزديكي ژنراتورهاي بادي موجود مي‌باشد استفاده از اين حامل انرژي كاربرد بيشتري خواهد داشت.

نطق بادخيز
ايران كشوري با باد متوسط است ولي برخي از مناطق آن باد مناسب و مداومي براي توليد برق دارد. تاكنون در راستاي اهداف استفاده از انرژي‌هاي نو، مجموعاً بيش از 4 مگاوات نيروگاههاي بادي در منطقه منجيل و رودبار نصب شده است. 11 واحد در منطقه منجيل و رودبار نصب شده است كه قدرت سه واحد آن هر كدام 550 كيلووات و مابقي هر كدام 300 كيلووات قدرت دارد.
در جدول زير توان قابل بهره برداري باد در چند منطقه بادخيز نشان داده شده است.
جدول : توان قابل بهره برداري باد در مناطق مختلف
طرحهاي در دست اجراء جهت اسفتاده از انرژي‌هاي بادي به شرح زير مي‌باشند:
پروژه : 250 مگاواتي
پروژه : 60 مگاواتي ، انتقال تكنولوژي از ژاپن
انتخاب محل منابس ساخت مزرعه توربين‌هاي بادي به ظرفيت 60 مگاوات ثبت آمار لحظه‌اي باد در منطقه رودبار و منجيل

امكانات موجود
انرژي باد از جمله انرژيهاي تجديد نظر است كه به علت گستردگي، قدرت بازدهي بالا، اقتصادي بودن و اينكه در مقايسه با ديگر انرژيهاي تجديد پذير در ابعاد وسيع‌تري مورد بهره‌برداري قرار گرفته عملا از جايگاهي ويژه برخودار است.
در حال حاضر نيروگاه بادي منجيل با تعداد 24 واحد جمعا به ظرفيت 9400 كيلوودات و نيروگاه بادي رودبار با تعداد 4 واحد جمعا به ظرفيت 2150 كيلووات نصب و راه اندازي گرديده است. توليد انرژي اين نيروگاه‌ها مجموعا حدود 36 ميليون كيلووات ساعت بود كه در مقايسه با سال پيش 7/2 درصد كاهش را نشان مي‌دهد. نيروگاه‌هاي فوق تحت نظارت سازمان انرژي اتمي قرار دارند.

در ضمن طرز كار توربين‌هاي بادي موتور استفاده به شرح زير مي‌باشد:
توربينهاي بادي انرژي باد را توسط دو يا سه تيغه به شكل پروانه‌اي مي‌گيرند اين تيغه‌ها روي يك روتور نصب مي‌شوند و توليد انرژي مي‌كنند. اين توربينها در بالاي برجهايي در ارتفاع 100 فوت بالاي سطح زمين قرار مي‌گيرند و از بادهاي نيرومند و داراي توربالانت پايين انرژي خويش را تأمين مي‌كنند.
رفتار يك تيغه بسيار شبيه بال هواپيما مي‌باشد. هنگامي كه باد مي‌وزد، يك بسته هواي كم فشار، بر روي لبه پائيني تيغه تشكيل مي‌شود. سپس بسته هواي كم فشار مذكور تيغه را بسوي آن مي‌كشد، و باعث چرخيدن روتور مي‌شود.
به عمل برا مي‌گويند . در حقيقت نيروي برا بسيار نيرومندتر از نيروي بار مقابل لبه جلويي تيغه مي‌باشد، كه بدان پسا مي‌گويند. برآيند دو نيروي برا و پسا باعي مي‌شود كه روتور مانند يك پروانه بگردد و چرخش شفت سبب توليد الكتريسيته توسط ژنراتور مي‌شود.
مي‌توان از توربينهاي بادي با كاركردهاي مستقل استفاده نمود؛ و يا مي‌توان آنها را به يك شبكه قدرت تسهيلاتي وصل كرد يا حتي مي‌توان با يك سيستم سلول خورشيدي يا فتوولتانيك تركيب كرد.
عموماً از توربينهاي مستقل براي پمپاژ آب يا ارتبطات استفاده مي‌كنند، هر چند كه در مناطق بادخيز مالكين خانه‌ها و كشاورزان نيز مي‌توانند از توربينها براي توليد برق استفاده نمايند.

براي منابع مقياس كاربردي انرژي باد، معمولاً تعداد زيادي توربين را نزديك به يكديگر مي‌سازند كه بدين ترتيب يك مزرعه بادگير را تشكيل مي‌دهند. كه امروزه داراي پتانسيل بسيار بالايي مي‌باشد و تا سال 1998، 25 واحد توليد را مطابق ذيل راه‌اندازي كرده است.
هشت توربين با توليد كل 4/2 مگاوات
دو توربين با توليد كل يك مگاوات
پانزده توربين با توليد كل 5/4 مگاوات

كاربرد انرژي باد
بخش عمده بادها از ارتفاع 12 كيلومتري از سطح زمين مي‌وزد كه موجب جريانهاي فوق العاده سريع مي‌شود محاسبات آماري نشان مي‌دهد كه بيش از 1% انرژي جنبشي فوق الذكر در لايه‌هاي پايين جو وجود دارد كه ميزان توان آنها تقريبا ‏T.W مي‌باشد در سال 1981 ميلادي انستيو بين المللي سيستم ‌هاي كاربردي (IIASA) ميزان پتانسيل انرژي باد كه از نظر تكنيكي در دسترس وقابل استهمال مي‌باشد در معادل STW برآورد نمود كه در اين برآورد بخش عمده مناطق قابل استهسال انرژي باد در سطح قاره‌ها مي‌باشد.

براي به دست آوردن نيروي الكتريكي از انرژي باد بهترين راه ساخت نيروگاه‌ها با توربين بادي است در بررسي ساده اوليه هزينه انرژي باد را مي‌توان با سرمايه‌گذاري اوليه و هزينه توليد برق محاسبه كرد. اما در ديدگاهي وسيع‌تر استفاده از نيروگاه بادي امتيازات زير را نيز در پي خواهد داشت عدم استفاده دائم از منابع سوختي پايان پذير مانند نفت، زغال سنگ و .. و ذخيره اين منابع براي آيندگان بطور مثال اگر يك توربين بادي يك مقاومي كه 4000 ساعت در طول سال كاركرد داشت باشد مي‌تواند باعث ذخيره 1000 تن نفت بشود.

عدم وجود زباله و پسماند در نيروگها بادي كمك شاياني به حفظ محيط زيست خواهد كرد.
ساخت نيروگاه بادي در قدرتهاي مختلف اين كلان را فراهم مي‎كند كه براي مصرف كننده هاي دور افتاده از شبكه توزيع ها مانند وسعتهاي كم جمعيت منابع تأمين انرژي مطلوب فراهم شود.

استفاده از توربين‌هاي بادي به جاي نيروگاه‌هاي سوخت باعث مي‌شود كه از توليد گازهاي گلخانه‌اي جلوگيري شده و از تخريب لايه ازن جلوگيري به عمل آيد.
در حال حاضر توسعه نيروگاه‌هاي برق بادي با موانعي نيز مواجه‌اند كه مهخمترين آنها عوامل اقتصادي مي‎باشد اين موانع در كشورها با تلاش مسئولين در دست پيگيري مي‎باشد كه از موفقيت هاي بزرگ مي‌توان به جلب نظر سرمايه‌گذاران خارجي و كارشناسان براي ساخت و توسعه مزارع برق بادي اشاره نمود.

مولدهاي بادي
نخستين مواد بادي بزرگ به منظور توليد الكتريسيته سال 1888 در اوهايو توسط چالز براش ساخته شد ابداع مولد بادي در مقياس وسيع درسال 1930 در روسيه با ساخت ژنراتور بادي 100 كيلوواتي آغاز شد طراحي روتورهاي پيش رفته با محور عمودي در فرانسه توسط داريوس،مهمترين طرح، روري است با پرهاي ايروفيل و انحنادار كه از بالا و پايين به يك محور توربين داريوس مورد توجه قرار گرفته توسعه صنعت توربين بسيار سريع بوده و در حال پيشرفت است از ابتداي دهه 1980 تاكنون ظرفيت متوسط توليد توربين بادي از 15 كيلووات به 600 كيلووات ارتقا يافته امروزه مولدهاي بادي با ظرفيت يك مگاودات نيز تجاري شده و مجموع ظرفيت نصب شده توربين‌هاي بادي در جهان به بيش از 25000 مگاوات بالغ مي‌گردد.
بررسي روشهاي انتخاب جايگاه براي نصب مولدهاي بادي
به منظور انتخاب جايگاه مناسب جهت نصب مولدهاي بادي مراحل ذيل اجرا مي‌گردد:
الف ) بررسي اطلاعات هواشناسي
ب) تعيين جايگاه نامزد
ج ) جمع آوري اطلاعات در رابطه با شرايط زمين( همچون زبري وارتفاع و وسعت)
د ) استفاده از روشهاي مدلسازي زمين (براي مولدهاي بادي بزرگ)
هـ ) انجام مطالعات تكميلي براي ارزيابي موقعيت جايگاه
و ) استفاده از نرم افزارها براي برآورد انرژي باد
ز ) انتخاب نهايي جايگاه

بررسي چگونگي انتخاب جايگاه با توجه به مطالعات هواشناسي
برگزيني منطقه‌اي با تداوم باد زياد، انتخاب جايگاهي مناسب را در آن منطقه تسهيل مي‌نمايد. اگر منطقه محل نصب مولد بادي انتخاب نشده باشد هر گونه نقش و اطلاعات در ارتباط با پتانسيل بادبا ارزش خواهد بود.
اين اطلعات را مي‎توان از ايستگاههاي هواشناسي، مؤسسات مطالعات جوي و فرودگاه‌ها بدست آورد ثبت اطلاعات باد در ايستگا‌ه‌هاي هواشناسي به روش رقمي با دستگاه‌هاي مدرج شده صورت مي‌گيرد. همراه با اخذ اطلاعات خصوصيات دستگاه ثبت كننده نيز بايگاني مي‌گردد بايد به اين نكته توجه نمودكه ارتفاع استاندارد نصب باد سنج 10 متري سطح زمين مي‌باشد.
در مجموع اساسي ترين اقدام در انتخاب جايگاه پردازش اطلاعات هواشناسي براي يافتن پروفيل سرعت توزيع احتمالي باد و همچنين جمع آوري نقشه‌هاي جغرافيايي براي شناسايي پستي و بلندي هاي زمين‌ مي‎باشد.
زمين مناسب براي نصب مولدهاي بادي را مي‌توان به دو گروه مسطح وغير مسطح تقسيم نمود:
الف ) زمينهاي مسطح : مناطق تخت ساحي و دشتهاي مسطح
ب ) زمينهاي غيرمسطح: تپه‌هاي طويل، برآمدگي ها و كوه هاي مجزا - گذرگاه‌هاي ميان كوه- دره‌ها - گودالها و پرتگاهها

مدل سازي زمين
مدل خطوط راهنما كه توسط تيلور ولي در سال 1984 مطرح شد برآورد مطمئني براي سرعت باد در زمين‌هاي مسطح با زبري سطح متغير ارائه مي‌دهد اين مدل سازي براي توربين‌هاي بادي بزرگ كه مستلزم سرمايه گذاري هاي هنگفت اوليه مي‌باشد. لازم است در اين موارد اطمينان از صحت شرايط زمين انتخابي و داشتن باد كافي، درآمد حاصل از فروش برق توليدي و نرخ مطلوب بازگشت سرمايه را تضمين خواهد نمود.
در اين روش نقشه‌هاي موضع نگاري و محاسبه شدت آشفتگي جريان هوا مورد نياز مي‌باشد.
اطلاعات مورد نياز در اين روش خطوط راهنما عبارتند از :
الف) سرعت باد در جهت‌هاي مختلف به منظور برآورد شدت آشفتگي
ب ) شكل زمين به منظور بدست آوردن دو ضريب مورد نياز در روش خطوط راهنما
ج ) ارتفاع تپه وشيب سطوح مختلف كه از نقشه موضوع نگاري بدست مي‌آيد.
د ) پارامتر گستردگي كه برابر است با فاصله جايگاه از محلي با نصب ارتفاع جايگاه
هـ ) فاصله محل نامزد شده در جهت بالا دست وزش باد تا نقطه‌اي كه زبري تغيير مي‎كند.
با انجام محاسبات سرعت باد اطلاعات مفيدي از برش پديده‌اي كه در آن يك لايه هوا سرعتي متفاوت از لايه مجاور دارد ) در ارتفاع نصب مولد بدست مي‌آيد. چنانچه ارتفاع نصب مولد معلوم نباشد با رسم پروفيل سرعت ميتوان ارتفاعي با حداكثر سرعت باد وحداقل برش را تعيين كرد.

روش ارزيابي انتخاب جايگاه
علاوه بر روش خطوط راهنما از روش ديگري مبتني بر سه اصل اندازه گيري ، ايجاد ارتباط و پيش بيني مي‌توان استفاده نمود.
اين روش بر مبناي اندازه گيري در جايگاه و همچنين استفاده از محلي با اطلاعات باد دراز مدت (مثل فرودگاهها) براي برآورد پتانسيل انرژي باد در جايگاهي كه اطلاعات هواشناسي براي آن وجود ندارد ، استوار است.
مطالعه تونل باد
هنگامي كه جايگاه از اطراف به زمين‌هايي با اشكال مختلف محدود مي‎شود. استفاده از تونل باد براي شبيه سازي زمين نسبت به روش‌هاي عددي ارجحيت پيدا مي‌كند بنابراين با استفاده از تونل باد و شبيه سازي منطقه مي‌توان ميزان سرعت و آشفتگي باد رادر جهات مختلف برآورد كرد.
مطالعه اندازه گيري باد

مطالعه كوتاه مدت
مطالعه كوتاه مدت حدود 1 تا 4 هفته انجام مي‎شود و راهنماي خوبي براي رسيدن به ويژگيهاي زمين مورد بررسي مي‌باشد اين مطالعات بر مبناي اطلاعات 1 تا 3 ساعته باد در جهات خاص صورت مي‌گيرد.
بهتر است فاصله بين جهات بين جهات مختلف بادسنجي بين 10 تا 20 درجه باشد.
مطالعه بلندمدت
در مطالعه بلندمدت احتياج به اطلاعات هواشناسي مي‌باشد در مطالعه بلندمدت مشخصه‌هاي باد هر يك ساعت براي 6 ماه يا 2 سال ثبت مي‌گردد اگر در جايي تغييرات فصلي سرعت باد وجود دارد بهتر است داده برداري با فركانس بيشتري انجام گيرد.
استفاده از نرم افزارهاي مناسب
در نرم افزارهاي win 4001 ابتدا نمودار فراواني رسم مي‌شود. با استفاده از روابط آماري ستون‌هاي فراواني نسبي فراواني تجمعي نسبي و احتمال آماري هر سرعت بدست مي‌آيد. همچنين با استفاده از فراواني تجمعي نسبي پارامترهاي y,x بدست آمده و با به كارگيري روش برگشت خطي Linear Reyression بهترين خط براي y=Ax+B بدست مي‌آيد.
در نهايت پارامترهاي توزيع ويسبول با داشتن پارامترهاي B,Z محاسبه مي‌گردد در نرم افزار win 4001 پس از انجام محاسبات فوق با دقت بالا نمودارهاي لازم در ارتباط با توزيع وسيبول رسم مي‌گردد.
نتايج انجام محاسبات فوق توسط نرم افزار win 4001 عبارتند از : متوسط سرعت باد - انحراف معيار سرعت باد - محتملترين سرعت باد در منطقه - سرعت بادي متناظر ماكزيموم انرژي و پتانسيل انرژي باد منطقه
نيروگاههاي بادي جهان درآستانه سال2000

در اين نوشتار آخرين آمار (سپتامبر 1999) ظرفيت كل نيروگاههاي بادي در 37 كشور جهان ارايه شده است. آلمان با نيروگاههاي بادي به ظرفيت سه هزار و 817 مگاوات اندكي بيش از يك درصد برق مصرفي خود را از اين طريق تأمين مي‌كند. و از اين نظر در جايگاه نخست جهان قرار دارد. اين رقم براي كشورهاي ايالات متحده آمريكا و دانمارك كه در جايگاه دوم وسوم قرار دارند به ترتيب دو هزار و 533 و هزار و 606 مگاوات است.

توليد سرانه برق بادي در دانمارك 305 وات است و از اين لحاظ از جايگاه ويژه‌اي در جهان برخوردار است و از صادر كننده عمده اين فن آوري در جهان محسوب مي‌شود. هر چند كشور هندوستان از لحاظ توليد برق بادي در جايگاه پنجم جهان قرار دارد ولي به علت جمعيت بسيار زياد، توليد سرانه برق بادي آن يك ودات براي هر نفر است. در حال حاضر در مجموع در 37 كشور جهان اندكي بيش از 12 هزار و 310 مگاودات نيروگاه بادي موجود است و تنها يك سوم برق بادي جهان در آلمان توليد مي‌شود. كشورهاي جهان از نظر ظرفيت نيروگاهههاي بادي در حال بهره برداري خود به چهار گروه تقسيم شده اند. گروه اول شامل پنج كشور است كه هر يك بيش از يك هزار مگاودات نيروگاه بادي دارند. گروه دوم كه از شش كشور تشكيل شده داراي نيروگاههاي بادي با ظرفيت بين صد تا هزار مگاوات هستند. دو كشور آسيايي هند و چين به ترتيب در ميان كشورهاي گروه اول ودوم قرار دراند.

مقايسه آمار سالهاي 1995 تا 1999 جهان نشان مي‌دهد كه ظرفيت در حال ساخت و بهره برداري از نيروگاههاي بادي همواره روند صعودي داشته است و در آينده نيز در حال گسترش خواهد بود ايران با نصب يازده مگاودات نيروگاه بادي در سالهاي اخير قدمهاي اوليه را در اين زمينه برداشته است.
به منظور مقايسه، نسبت ظرفيتهاي نيروگاههاي بادي به نيروگاههاي هسته‌اي كشور گروه اول ودوم ، درصد تأمين برق مصرفي اين كشورها از طريق نيروگاههاي هسته‌اي در سال 1999 و همچنين ظرفيت سرانه نيروگاههاي بادي آنها، در اين نوشتار آورده شد است.