بخشی از مقاله
چکیده
افزایش جمعیت بشر و پیشرفت انواع فناوری منجر به ایجاد تقاضای روز افزون برای استفاده از انرژی در سراسر جهان شده است. رو به اتمام بودن منابع انرژی فسیلی و هم چنین مشکلاتی که در استفاده از آنها وجود دارد باعث اقبال جهانی به استفاده از منابع انرژی پاک و تجدید پذیر شده است. استفاده از انرژی باد در بین انرژی های تجدید پذیر یکی از روش های فراگیر تولید برق است .
با جایگزینی انرژی برق بادی به جای انرژی برق تولیدی از نیروگاه های سوخت فسیلی میتوان از انتشار گازهای گلخانهای کاست اما هزینه زیاد ساخت توربینهای بادی مرسوم در ابعاد بزرگ و همین طور وجود برخی مشکلات و محدودیت های شرایط استفاده از آنها باعث ابداع فناوری های جدید جهت برداشت باد در سالهای اخیر شده است. از جمله این فناوری ها می توان به مولدهای بادی برق بدون پره، توربین های بادی شناور و هم چنین توربین های پرنده اشاره کرد. در این مقاله انواع این فناوری های نوین معرفی شده و مورد بررسی قرار گرفتهاند. کارآیی و خصوصیات آنها نیز با توربین های بادی مرسوم مقایسه شده است.
.1 مقدمه
انرژی باد یکی از قدیمیترین منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر است که از دیرباز مورد توجه بشر بودهاست. طبق آثار کشف شده نخستین فناوریهای برداشت انرژی از باد به ایرانیان نزدیک سههزار سال قبل برمیگردد. اولین آسیاب های بادی با محور عمودی در ناحیه سیستان قرار داشتهاند. برای تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و استحصال توان بادی، عموما توربین بادی بهکار می-رود.
توربینهای بادی کوچک برای کاربردهایی مانند شارژ کردن باتریها، آبیاری در مقیاس کم و یا توان کمکی در قایقهای بادبانی مورد استفاده قرار میگیرند، درحالیکه توربینهای بادی بزرگتر با چرخاندن محور مولد بهعنوان یک منبع تولید انرژی الکتریکی بهشمار میروند و در نیروگاههای بادی جهت تامین انرژی الکتریکی واحدهای مسکونی، تجاری، صنعتی، و یا کشاورزی و مزارع برق بادی جهت تامین بخشی از تقاضای انرژی برق شبکه کاربرد دارند . انواع دیگری از توربینهای بادی برای پمپ کردن آب وجود دارد که به آنها پمپ بادی اطلاق میشود. بهرهبرداری از انرژی باد برای تولید الکتریسیته با استفاده از انواع توربینهای بادی از انتهای قرن نوزدهم آغاز شد.
با توجه به برخی عوارض و محدودیت های روشهای رایج استفاده از انرژی باد، در دهههای اخیر برای ابداع روشهای مناسبتر با اثرات جانبی منفی کمتر و یا متناسب برای برخی شرایط خاص تحقیقات زیادی صورت گرفته است. مسایلی که انگیزه ابداعات جدید در این زمینه بودهاست را میتوان در سه دسته کلی مسایل اقتصادی، مسایل مرتبط با فناوری و مسایل مرتبط با سلامت و محیط زیست تقسیمبندی کرد . هزینه ساخت پرههای توربینهای عظیم، بسیار زیاد است و البته سایر قسمتها نیز هنگامی که در مقیاسهای بزرگ کار میشود دارای هزینههای زیادی هستند.
از نظر محدودیت فناوری توربینهای مرسوم از طرفی بهدلیل محدودیت ارتفاع برج و پایه فاقد توان دستیابی به بادهای پرتوانی هستند که در ارتفاعات بالاتر میوزند و از طرف دیگر ممکن است با بازتاب امواج الکترومغناطیسی در سیستمهای راداری نیز اخلال ایجاد کنند. از دیدگاه سلامت انسان و محیط زیست، آمارها حاکی از نابودی تعداد زیادی از پرندگان در اثر برخورد با پرهها هستند و همچنین عوارض ناشی از امواج فروصوت بر سلامت انسان و حیات وحش ثابت شده است.
در این مقاله ابتدا به معرفی مختصر توربین های بادی مرسوم پرداخته میشود و سپس فناوریهای نوین برداشت انرژی از باد جهت تولید الکتریسیته معرفی می شوند. هم چنین بین کارآیی و خصوصیات فناوریهای نوین و توربینهای مرسوم مقایسه صورت میگیرد. شایان ذکر است در سالهای اخیر و با به صحنه آمدن این فناوریهای جدید اشتباه رایجی در فناوری بادی پیدا شدهاست و آن هم استفاده از اصطلاح توربین بدون پره1 است. از آن جایی که توربین در تعریف اولیه خود به داشتن پره مقید است، عملا دستگاهی که فاقد پره باشد دیگر توربین نامیده نمیشود، اما با توجه به اینکه استفاده از این اصطلاح در تحقیقات سطح بالای این موضوع جا افتاده است، در این مقاله نیز از این تعبیر استفاده میشود. خواص آنها پرداخته میشود.
.2 توربینهای بادی مرسوم
توربین های بادی مرسوم را می توان براساس جهت گیری، راستا، نحوه تولید انرژی و سایر ویژگی ها به دو دسته عمومی افقمحور و عمودمحور تقسیمبندی کرد. در ادامه به معرفی کلی این دو دسته توربین بادی و خواص آنها پرداخته میشود.
-1-2 توربینهای بادی افق محور
در توربینهای بادی افق محور2 محور روتور اصلی و مولد الکتریکی در بالای یک برج قرار دارد. این توربینها ممکن است به سمت داخل یا خارج باد هدفگذاری شوند. توربینهای کوچک باد را توسط پره ساده دریافت میکنند در حالیکه توربینهای بزرگ بهطور کلی از حسگر باد همراه با موتور استفاده میکنند. در بیشتر آنها از یک جعبهدنده استفاده میشود، که چرخش آرام پرهها را به چرخش سریعتر تبدیل میکند که برای راه انداختن یک مولد الکتریکی کارآیی دارد.
در شکل 1، یک نمونه توربین بادی افق محور نشان داده شده است، این توربینها عموما سه پره دارند . مزایای توربینهای افق محور در ادامه توضیح داده میشود . متغیر بودن گام پره در این توربین بادی سبب بهینه شدن زاویه حمله باد میشود و زاویه حمله بهینه کنترل و تنظیم توان را آسانتر میکند و در نتیجه باعث میشود توربین در هر روز از هر فصل بیشترین انرژی را از باد دریافت کند. بلند بودن پایه برج دسترسی به بادهای قویتر را میسر میکند و اضافه شدن هر 10 متر به ارتفاع برج باعث 21 درصد افزایش در سرعت باد و 34 درصد بالاتر رفتن توان تولیدی میشود. به دلیل این که همیشه پرهها بهصورت رفت و برگشتی در برابر باد قرار میگیرند و توان زیادی از طریق چرخش کل پره به دست میآید، این توربین دارای بازدهی بالایی است. ولی در مقابل توربینهای عمود محور دارای پرههایی با این ویژگی نیستند و بنابراین نسبت به توربینهای افق محور بازدهی کمتری دارند.
البته توربینهای افق محور معایبی نیز دارند که ذیلا شرح داده میشود. هزینه ساخت و راهاندازی این توربینها بالاست، بهخصوص این که حمل و نقل برجهای بلند و پرههای بزرگ بسیار دشوار است و هزینهی این انتقال 30 درصد از کل هزینههای تجهیزات را در بر میگیرد. بلند بودن برج باعث میشود عملیات نصب سخت باشد و به جرثقیلهای بزرگ و گرانقیمت و نیروی انسانی ماهر نیاز دارد. بهدلیل وجود پرههای بسیار بزرگ، برای سیستم جعبهدنده و مولد به برجهای بسیار بلند نیاز است.
بازتاب امواج الکترومغناطیسی از توربینهای افق محور میتواند باعث ایجاد اختلال در سیستم راداری شود و سیگنالهای دریافتی را دچار اغتشاش کند. بلند بودن ارتفاع آنها سبب برهم زدن چشم اندازها و زیبایی طبیعت میشود. بهدلیل اینکه پرهها همیشه در معرض جریان باد قرار میگیرند، گاهی جریانهای آشفته باد ساختار پرهها را دچار خستگی و شکست میکند
البته در برخی موارد برای کاهش آسیب، پرهها را در خلاف جهت باد و روتور آن را در جهت باد طراحی میکنند. شایان ذکر است که در توربینهای بادی افق محور سیستم اضافی کنترلی جهت کنترل انحراف پره به سمت باد نیز مورد نیاز است. ضمنا حرکت پرهها میتواند باعث مرگومیر حیات وحش، خصوصا پرندگان شود. هم چنین حرکت پرهها باعث ایجاد آلودگی صوتی با امواج صوتی فرکانس پایین - فروصوت - میشود که برای سلامت انسان و حیات وحش مضراتی دارد. این امواج ممکن است باعث ایجاد کمخوابی و برخی عوارض قلبی و مغزی شوند
شکل1 توربین بادی عمود محور
-2-2 توربینهای بادی عمود محور
توربینهای بادی عمود محور 1 دارای کارآمدی بالاتری نسبت به توربین های بادی افق محور هستند و بهطور قابل توجهی ارزانتر هستند و ساختاری ساده دارند. همچنین تعمیر و نگهداری آنها آسانتر است. این توربینها همیشه رو به باد قرار دارند . دارای مدل-های گوناگونی مانند ساوینوس1، داریوس2 و صفحه ای3 هستند. توربینهای عمود محور از دو بخش اصلی تشکیل شدهاند: یک میله اصلی که رو به باد قرار میگیرد و میلههای عمودی دیگری که عمود بر جهت باد کار گذاشته میشوند. در شکل 2، نمونهای از توربین عمود محور نشان داده شده است
