بایگانی دسته: انرژی بادی

چشم انداز انرژی بادی در ایران

چشم انداز انرژی بادی در ایران

در وزارت نیرو، نصب پنج هزار مگاوات نیروگاه تجدیدپذیر در قانون برنامه پنجم توسعه هدفگذاری شده است که از این میزان 4500 مگاوات آن برای توسعه باد در نظر گرفته شده است، می‌توان گفت در پنج سال آینده قریب به چهار هزار مگاوات بازار برای توسعه بخش خصوصی وجود خواهد داشت

سیاست کلان کشور ما در چشم انداز برنامه‌های آتی در افزایش نقش بخش‌های غیر دولتی استوار شده است که از جمله فواید و مزایای آن کاستن از حجم و فعالیت‌های تصدی گری دولت است. با فعال شدن بخش خصوصی در عرصه احداث نیروگاه‌های بادی که جذابیت‌های فراوانی برای بخش خصوصی دارد، توان مالی، فنی و مدیریتی کشور افزایش می‌یابد و با شروع پروژه‌ها و فعالیت‌های جدید عملا بخش خصوصی به کمک بخش دولتی آمده و کل کشور از این مشارکت سود خواهد برد. همچنین باید توجه داشت که نیروگاه‌های بادی به سرمایه اولیه بالایی نیاز دارند بنابراین تامین سرمایه اولیه در این طرح‌ها از مشکلات اجرایی آن‌هاست.

استفاده از سرمایه‌گذاری‌های غیر دولتی در اجرای طرح‌ها کمک شایانی به دولت خواهد کرد، چرا که توسعه انرژی‌های نو و به ویژه انرژی بادی که تجاری‌ترین نوع از انواع آن‌هاست به صراحت در اسناد و قوانین ملی بالادستی و سیاست‌های ابلاغی مقام معظم رهبری تدوین شده است که البته دلایل مهمی باعث این جهت گیری کلان در کشور شده است، بنابراین بدون تردیدی یکی از اصلی‌ترین مولفه‌های امنیتی تمام کشورها دسترسی به انرژی مورد نیاز است. البته به وجود آمدن هر اشکالی در سیستم عرضه انرژی، اختلال و آسیب‌های پر دامنه‌ای را در تمام بخش‌های اقتصادی و اجتماعی بر جای خواهد گذاشت. به همین دلیل کشورها تنوع بخشی به منابع انرژی را جزء اصلی‌ترین راهبردهای خود قرار می‌دهند تا از وابستگی به یک یا دو نوع انرژی به شدت احتراز کرده و آسیب پذیری خود را به حداقل ممکن کاهش دهند. بر این اساس باید از کلیه منابع انرژی در دسترس و قابل حصول، از جمله انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی مصرفی مورد نیاز کشور خود را تامین کنیم و با ایجاد تنوع در منابع انرژی، پایداری بیشتری به سیستم انرژی کشور ببخشیم اگرچه ایران در زمره کشورهایی که متعهد به کاهش انتشار گازهای آلاینده و گلخانه‌ای هستند، محسوب نمی‌شود ولی از هم اکنون براساس سیاست‌های مصوب، خود را متعهد به حفاظت از کره زمین، اتمسفر ومحیط زیست می داند و تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر از جمله انرژی بادی را مورد تاکید قرار می‌دهد. به طور کلی با جایگزینی هر یک درصد از انرژی برق بادی با انرژی برق تولیدی از نیروگاه‌های سوخت فسیلی می‌توان حدود سه درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای کاست.

مساله دیگر اینکه، اشتغالزایی و تحول اجتماعی در مناطق محروم از مباحث مورد توجه برای توسعه انرژی‌های نو در کشور است. از آنجا که غالبا نقاط بادخیز ایران در مناطقی واقعند که از نظر توسعه اجتماعی محروم به شمار می‌روند بنابراین توسعه نیروگاه‌های بادی مستقیما در شرایط اجتماعی این مناطق تحول ایجاد خواهد کرد. آمارها نشان می‌دهد تنها در سال 2010 میلادی 630 هزار شغل در حوزه باد به ازای 39 گیگاوات ظرفیت نصب شده جدید بادی، در کشورهای پیشرو و در حال توسعه ایجاد شده است. نکته مهم دیگر اینکه، باتوجه به مشکلات بهره برداری و حفظ پایداری شبکه‌های گسترده، به وسیله تولید پراکنده برق از میزان اتکا به شبکه‌های طولانی کاسته شده و این یکی از راهکارهای صورت گرفته در صنعت برق است. این کار نه تنها به لحاظ اقتصادی هزینه ‌بر نیست بلکه به واسطه تقلیل تلفات شبکه انتقال و توزیع و همچنین کاهش نیاز به ظرفیت ذخیره شده تولید وافزایش پایداری در شبکه، هزینه تمام شده برق به صورت قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد داد. بهترین نوع تولید پراکنده، نیروگاه‌های بادی، آبی کوچک، زیست توده، زمین گرمایی و خورشیدی است که نه تنها به لحاظ مکان تولید برق بلکه به لحاظ منابع اولیه هم پراکنده‌اند و نیازمند استفاده از شبکه گاز و یا شبکه‌های انتقال نفت نیستند. این فعالیت به عنوان یکی از مهمترین تدابیر پدافند غیر عامل محسوب می‌شود. تحقق هدف مذکور بدین معناست که کشور از امکاناتی برخوردار خواهد شد که در صورت بروز حوادث و سوانح مختلف می‌تواند ضروری‌ترین نیازهای برق بخش‌های مختلف را صرفا با اتکا به منابع و امکانات محلی تامین کند.

بازار نیروگاه‌های بادی در ایران رو به شکوفایی است و ورود به این بازار می‌تواند آینده خوبی را در دراز مدت برای سرمایه گذاران تضمین کند. بنابراین اگر به ایران به صورت پایگاهی برای تولید تجهیزات و تامین نیروی انسانی متخصص نگریسته شود بازارهای کشورهای منطقه می‌توانند مورد توجه قرار گیرند

پتانسیل انرژی بادی در ایران

پتانسیل انرژی بادی در ایران 

جمهوری اسلامی ایران در بخش غربی فلات و در جنوب غرب آسیا واقع شده است. ایران با مساحت 1648195 کیلومتر مربع بین طول جغرافیایی شرقی 44 تا 99/63 درجه و عرض شمالی 25 تا 99/39 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 60 ایستگاه و در مناطق مختلف کشور، میزان ظرفیت اسمی سایتها در حدود 60000 مگاوات می باشد. بر پایه پیش بینی های صورت گرفته، میزان انرژی قابل استحصال بادی کشور از لحاظ اقتصادی بالغ بر 18000 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 100 هزار مگاوات برآورد گردیده است.

 

2016_orig

هزینه های سرمایه گذاری سیستمهای بادی در جهان

تفکیک هزینه های سرمایه گذاری برای سیستمهای انرژی بادی خشکی و offshore در کشورهای توسعه یافته در سال 2011 (USD/kW)

 

  خشکی offshore
هزینه های سرمایه گذاری

(USD/kW)

2450-1700 5000-3300
سهم هزینه توربین بادی (%)[i] 84-65 50-30
سهم هزینه اتصال به شبکه[ii] 14-9 30-15
سهم هزینه ساخت و ساز(%)[iii] 16-4 25-15
سهم هزینه های دیگر(%)[iv] 10-4 30-8

 

تفکیک هزینه های سرمایه گذاری برای سیستمهای انرژی بادی خشکی وoffshore نمونه

 

 

[i]  هزینه های توربین بادی شامل: تولید توربین، حمل و نقل و نصب و راه اندازی توربین می باشد.

[ii] هزینه اتصال به شبکه شامل: کابل کشی، پستها و ساختمانها می باشد.

[iii] هزینه ساخت و ساز عبارتست از: حمل و نقل و نصب توربین بادی و برج آن و ساخت و ساز فونداسیون توربین بادی

[iv] دیگر هزینه ها شامل: هزینه های توسعه و مهندسی، هزینه های مراحل صدور مجوز، مشاوره ها و اجازه نامه ها، سیستم های کنترل و نظارت و کنترل و دیتا برداری می باشد

 

Source: Blanco, 2009; EWEA, 2009; Douglas-Westwood, 2010; and Make Consulting, 2011c

ظرفیت نیروگاههای بادی نصب شده در ایران

ظرفیت نیروگاه های بادی نصب شده در ایران تا انتهای سال 1391
ردیف نوع توربین تعداد و ظرفیت نصب شده مکان
1 300 کیلووات 27 (8100 کیلووات) سایت نیروگاهی منجیل
2 500 کیلووات 2 (1000 کیلووات) سایت نیروگاهی منجیل
3 550 کیلووات 18 (9900 کیلووات) سایت نیروگاهی منجیل
4 600 کیلووات 1 (600 کیلووات) سایت نیروگاهی منجیل
5 660 کیلووات  70 (46200 کیلووات) سایت نیروگاهی منجیل
6 660 کیلووات 9 (5940 کیلووات) سایت نیروگاهی منجیل
7 660 کیلووات 43 (28380 کیلووات) سایت نیروگاهی بینالود
8 660 کیلووات 1 (660 کیلووات)  زابل سیستان
9 660 کیلووات 1 (660 کیلووات) باباکوهی شیراز
10 660 کیلووات 3 (1980 کیلووات) عون ابن علی تبریز
11 660 کیلووات 1 (660 کیلووات) سرعین(اردبیل)
12 660 کیلووات 1 (660 کیلووات) اصفهان
13 660 کیلووات 1 (660 کیلووات) ماهشهر
14 1.5 مگاوات 1 (1.5 مگاووات) خواف (خراسان رضوی)
15 2.5 مگاوات 1 (2.5 مگاووات) خواف (خراسان رضوی)
109.4 جمع کل ظرفیت به مگاوات

 

آمار تولید برق توربینهای بادی 660 کیلووات سایتهای مختلف از زمان بهره برداری تا پایان بهمن 1391 (کیلووات ساعت)
ردیف سایت میزان تولید
1 عون ابن علی تبریز واحد 1 3،030،520
واحد 2 2،136،849
واحد 3 2،648،464
2 ماهشهر 534،778
3 باباکوهی شیراز 1،122،320
4 زابل 2،223،243
5 صفه اصفهان 573،387
6 سرعین اردبیل 666،261
آمار تولید برق نیروگاههای بادی از ابتدا تا انتهای مهر 1391 (کیلووات ساعت)
1 نیروگاه بادی منجیل 583،268،338
2 نیروگاه بادی بینالود 104,194,241

مکانیزم پیدایش باد و انواع کاربردهای انرژی بادی

تشعشعات دریافتی خورشید توسط زمین، موجب گرم شدن هوای اتمسفر شده و به همین دلیل هوا به سمت بالا حرکت می کند. شدت این گرمایش در استوا؛ جایی که خورشید عمود می تابد؛ بیشتر از هوای اطراف قطبین؛ جایی که زاویه تابش خورشید تند می باشد؛ خواهد بود و هوای اطراف قطبین نسبت به هوای استوا کمتر گرم می گردد .دانسیته هوا با افزایش دما کاهش پیدا کرده و بنابراین هوای سبکتر استوا به سمت بالا حرکت کرده و در اطراف پخش می گردد. این عمل موجب افت فشار در این ناحیه گردیده و موجب می گردد هوای سرد از قطبین به سمت استوا جذب گردند.

 

انرژی بادی 1
همچنین وقتی خورشید در طول روز می‌تابد، هوای روی سرزمین‌های خشک سریعتر از هوای روی دریا ها و آب ها گرم می‌شود. هوای گرم روی خشکی بالا رفته و هوای خنک تر و سنگین تر روی آب جای آنرا می‌گیرد که این فرآیند بادهای محلی را می‌سازد این به آن معناست که روز از سمت دریا به سمت ساحل باد می وزد. در شب، از آنجا که هوا روی خشکی سریعتر از هوای روی آب خنک می‌شود، جهت باد برعکس می‌شود. بنابراین باد به علت گرادیان فشار به وجود آمده از تابش غیر یکنواخت خورشید به سطح زمین به وجود می آید.

انرژی بادی 2
انرژی بادی 3 

امروزه از انرژی بادی جهت تولید الکتریسیته، پمپاژ آب از چاهها و رودخانه ها، آرد کردن غلات، کوبیدن گندم، گرمایش خانه و مواردی نظیر اینها می توان استفاده نمود. استفاده رایج از انرژی بادی در توربین های بادی و به منظور تولید الکتریسته بکار گرفته می شوند.

 

کاربردهای توربین بادی 

  • کاربردهای منفصل از شبکه
  1. شارژ باتری
  2. تولید توان در نواحی دور افتاده
  3. تامین انرژی مورد نیاز پایگاههای موقتی
  4.  تامین برق موردنیاز برای قایقهای تفریحی

 

 

  • کاربردهای متصل به شبکه
  1. توربین های بادی منفرد
  2. مزارع باد

منبع:سازمان انرژی های تجدیدپذیر و بهره وری انرژی برق

تاریخچه انرژی بادی

تاریخچه انرژی بادی

 آغاز استفاده از انرژی باد(1000 سال قبل از میلاد مسیح تا 1300 سال بعد از میلاد مسیح) 

تاریخچه انرژی بادی یک سیر تکاملی را به استفاده از قطعات سبک و ساده برای به حرکت درآوردن پره ها بوسیله نیروی درگ، به جای قطعات سنگین پیش گرفته است تا استفاده از قطعات سبک و مواد ایرودینامیکی پر بازده در دوران مدرن امروزی رواج پیدا کند.اما نباید اینگونه پنداشت که نیروی لیفت(نیرویی که باعث پرواز هواپیما می گردد) یک مفهوم جدید می باشد و برای باستانیان ناشناخته بوده است. اولین استفاده شناخته شده از انرژی باد مربوط به کاربرد در قایقهای بادی است و این تکنولوژی نقش بسیار مهمی در توسعه آسیابهای بادی دارد. ملوانان باستانی نیروی لیفت را می شناختند و روزانه از آن استفاده می کردند ولو اینکه هیچ توضیحی علمی برای آن نداشتند.اولین آسیابهای بادی برای آسیاب کردن غلات و پمپاژ آب به کار گرفته شده بودند و قدیمیترین مدل طراحی شده آن از نوع محور عمودی بوده که در طی سالهای 900-500 میلادی در ایران توسعه یافته است. ظاهرا اولین استفاده از این آسیابها برای پمپاژ آب بوده است ولی نحوه دقیق کار آن معلوم نیست زیرا هیچ گونه طراحی و یا نقاشی از این آسیابها موجود نیست.نخستین مستندات مربوط به طراحی این آسیابهای بادی نیز مربوط به ایرانیان می باشد. که پره های آن یا اصطلاحا بادبانهای آنها از جنس چوب و یا نی بوده که با تیرهای افقی به یک محور عمودی متصل می شدند مطابق شکل زیر:

آسیاب نمودن غلات اولین استفاده مستند شده و بسیار ساده آسیابهای بادی می باشد. به طوری که سنگ آسیاب به همان محور عمودی متصل می شده است. کلیه قسمتهای آسیاب بادی معمولا در داخل یک ساختمان محصور می شده اند و ورودی ساختمان در جهت وزش باد فضای بازی داشته تا باد بتواند به سمت داخل هدایت شود.

آسیابهای بادی محور عمودی در چین هم مورد استفاده قرار می گرفتند و چینیان ادعای تخصیص این نوع آسیابها را به زادگاه خود دارند. این در حالی است که به طور دقیق می توان گفت اولین مستندات آنها مربوط به سال 1219 میلادی می باشد که توسط یک سیاستمدار چینی با نام Yehlu Chhu-Tshai اختراع شده است. در این کشور هم اولین کاربردهای آسیاب بادی برای آرد نمودن غلات و پمپاژ آب بوده است. یکی از خوش منظره ترین و موفق ترین کاربردهای انرژی بادی که در حال حاضر هم موجود می باشد، استفاده گسترده برای پمپاژ آب در جزیره کرت می باشد. به معنای واقعی کلمه صدها آسیاب بادی برای پمپاژ آب برای محصولات کشاورزی و استفاده دام فعال هستند.

آسیابهای بادی در غرب جهان(1875-1300 بعد از میلاد مسیح)

اولین آسیابهای بادی در غرب اروپا از نوع محور افقی بوده اند. دلیل تکامل طراحی آسیابهای بادی محور عمودی ایرانیان به محور افقی در دست نیست. اما این واقعیت هم وجود دارد که چرخآب اروپائیان پیکربندی با محور افقی داشته است و ظاهرا آنها این تکنولوژی را برای آسیابهای بادی اولیه خود نیز به خدمت گرفته اند. و یکی دیگر از دلایل شاید این باشد که راندمان نیروی درگ در سیستمهای با محور افقی بسیار بالاتر از سیستمهای با محور عمودی است. برجهای آسیابهای بادی در قرن 13 طراحی جدیدی به خود گرفت. آسیابهای بادی بر بالای برجهای بزرگ سنگی که به صورت کلاهکی دوار بوده نصب می شدند بادنما نیز در پشت پره ها نصب می گردید. در اوایل سال 1390 میلادی هلندی ها برج های جدیدی را طراحی کردند که پیش از آن در سواحل دریا مدیترانه روئیت شده بودند. برجی که هلندی ها ساختند از چند طبقه مختلف تشکیل شده بود که شامل طبقاتی از جمله طبقه ذخیره غلات، طبقه مخصوص از بین بردن کاه، طبقه سنگ آسیاب و طبقه پائین که محلی برای زندگی آسیاببان بوده است. این آسیابهای بادی طوری طراحی شده بودند که می بایست به صورت دستی و با فشاردادن اهرمی که در پشت پره های آنها بوده به سمت باد می چرخیدند.

برای صدها سال مهمترین کاربرد آسیابهای بادی برای پمپاژ آب بوده است که برای این کار از سیستمهای کوچک با روتورهایی به طول یک تا چند متر استفاده می کردند. این سیستمها در طول قرن 19 تکمیل شدند و کار خود را با آسیاب بادی Halladay در سال 1854 آغاز کردند و به کار خود با طرحهای موتور بادی و Dempster که هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرند، ادامه دادند. اولین آسیابها 4 پره چوبی داشتند که بیشتر آنها اهرمی در پشت خود داشتند تا پره ها را به سمت جهت باد بچرخانند ولی برخی از آنها برجهایشان را در مسیر باد برپا می کردند. مهمترین رویداد در آسیابهای بادی استفاده از پره های فولادی در سال 1870 در آمریکا بوده است، چراکه پره های فولادی سبکتر و به شکل کارآمدتری ساخته می شدند. بین سالهای 1850 تا 1970 در حدود 6 میلیون سیستم بادی کوچک (در حدود 1 اسب بخار و یا کمتر) تنها در آمریکا نصب گردید. استفاده اولیه آنها برای پمپاژ آب برای تهیه آب مورد نیاز آبیاری مزارع و خانه ها بوده است.

 

آسیابهای بادی از سال 1888 تا کنون در اواخر قرن 19 میلادی اولین آسیاب بادی برای تولید برق طراحی گردید. این آسیاب بادی در سال 1888 میلادی در کلیولند اوهایو توسط Charles F. Brush ساخته شد. روتورهای این آسیاب بادی به قطر 17 متر بوده که یک اهرم جانبی برای چرخاندن آن به سمت باد داشته است. و اولین آسیاب بادی بوده که گیربکسی با نسبت 50:1 و ژنراتور جریان مستقیم با RPM 500 داشته است. با وجود موفقیت نسبی این آسیاب بادی در مدت 20 سال ولی محدودیتهایی در سرعت کم و استحکام بالای روتور برای تولید برق وجود داشت. میزان برق تولیدی این آسیاب بادی 12 کیلوواتی با روتور 17 متری در مقابل توربینهای بادی مدرن با این قطر روتور و ظرفیت 70 تا 100 کیلوواتی بسیار ناچیز می باشد. از این زمان بود که نام توربینهای بادی جایگزین آسیاب های بادی شدند.

در سال 1891 میلادی فردی دانمارکی اولین سیستم بادی با پره های آیرودینامیکی را طراحی نمود و در بهترین برج آسیاب بادی به کار گرفت. سرعت بالاتر حرکت پره ها باعث تولید برق بیشتری گردید. با پایان جنگ جهانی دوم استفاده از سیستمهای بادی 25 کیلوواتی در سرتاسر دانمارک رواج پیدا کرد ولی قیمت ارزان تر سوختهای فسیلی در نیروگاههای بخاری باعث شد تا استفاده از این آسیابهای بادی از رونق بیفتد. اولین توربینهای بادی کوچک برای تولید برق جریان مستقیم مورد استفاده قرار می گرفتند. این توربینها توسط دو شرکت Parris-Dunn و Jacobs Wind-electric برای استفاده در مناطق روستایی ساخته می شدند. کاربرد اولیه این سیستمها برای روشنائی مزارع و شارژ باتری ها برای استفاده در رادیو به کار می رفته است. در سال 1922 توربینهای محور عمودی savonius توسط مهندس فنلاندی اختراع گردید. این توربینها با نیروی درگ کار می کردند و راندمانهای آنها پایین بوده است. در سال 1927 میلادی توربینهای محور عمودی Darrieus طراحی گردید. در این توربینها از نیروی لیفت به جای درگ استفاده می گردید و دو یا سه پره آیرودینامیکی به محور مرکزی متصل می شده است. راندمان این توربینها نیز پایین است چرا که نیاز به سرعت بالای باد برای شروع به چرخش دارد. توربینهای بادی با ظرفیت بیشتر برای اولین بار در سال 1931 در روسیه توسعه یافتند. به طوری که توربینی 100 کیلوواتی در سواحل دریای خزر در طول 2 سال در حدود 200 هزار کیلووات ساعت برق تولید نمود. پس از آن نیروگاههای بادی در آمریکا، دانمارک، فرانسه، آلمان و انگلستان در طول سالهای 1935 تا 1970 با توربینهای بادی در مقیاس بزرگ راه اندازی شدند. در سال 1931 توربینهای بادی Darrieus معروف به egg beate توسط مهندسی فرانسوی اختراع گردید.   بزرگترین توربین بادی به ظرفیت 1.25 مگاوات در سال 1941 در ورمونت نصب گردید. این توربین از نوع محور افقی و با 2 پره با قطر 175 فوت رو به باد ساخته شده بود. روتور آن از جنس فولاد ضد زنگ و به وزن 16 تن بوده و سیستم کنترل آن روی 28 دور در دقیقه تنظیم شده بود. در سال 1945 تنها بعد از چند صد ساعت کار مداوم یکی از پره ها شکست و علت آن فقط به خاطر فرسودگی و خوردگی فلز آن بوده است.

و اما توربینهای مدرن امروزی بیشتر از نوع محور افقی و با سه پره می باشند. پره های این توربینها بسیار شبیه به بال هواپیما طراحی گردیده و از نیروی لیفت استفاده میکنند. میزان برق تولیدی آنها به ظرفیت توربین و محل قرار گیری آن مربوط می باشد. اکثر توربینهای تجاری بین 1 تا 2.5 مگاوات می باشند. با توجه به شرایط وزش باد و میزان برق مصرفی خانوارها توربینهای 1 مگاواتی برق مورد نیاز تقریبا 500 خانه را تامین می کنند.

اگرچه طراحی های مختلفی برای توربین بادی موجود می باشد ولی به طور عمده به دو دسته کلی بر اساس جهت محور چرخش تقسیم بندی می شوند:

محور افقی:  (Horizontal Axis Wind Turbines(HAWTS که نوع رایج آن می باشد.

محور عمودی: (Vertical Axis Wind Turbines(VAWTS

 

جریان هوا بر روی هر سطحی دو نوع نیروی ایرودینامیکی با نام های درگ و لیفت به وجود می آورد که نیروی درگ در جهت جریان باد است و نیروی لیفت عمود بر جریان باد می باشد. یکی از این نیروها یا هر دو می توانند نیروی مورد نیاز برای چرخش پره های توربینهای بادی را تامین نمایند.

 

 

 

توربینهای محور افقی  

ویژگی روتورهای توربینهای محور افقی جدید بسیار شبیه ملخ هواپیما می باشد. جریان هوا روی مقطع ایرودینامیکی شکل پره هاحرکت می کند و نیروی لیفت را به وجود آورده که باعث چرخش روتور می گردد. ناسل توربینهای محور افقی محلی برای گیربکس و ژنراتور می باشد. مساحتی که هر کدام از پره ها جاروب می کنند از این فرمول بدست می آید:

که در آن D قطر روتور می باشد. این مساحت جاروب شده باید مستقیما روبروی وزش باد باشد تا ماکزیمم برق تولیدی را داشته باشیم. پس توربینهای محور افقی باید سیستمی برای تنظیم در مقابل باد قرار گرفتن داشته باشند که به آن مکانیزم yawing می گویند. به طوری که کل ناسل می تواند به سمت باد بچرخد.  در توربینهای کوچک دنباله بادنما این کنترل را بر عهده دارد. ولی در سیستمهای متصل به شبکه سیستم کنترل یاو فعال می باشد که به وسیله سنسورهای تعیین کننده جهت باد و موتورها، ناسل به سمت باد می چرخد.

 

توربینهای محور عمودی

این توربینها به دو نوع اصلی تقسیم بندی می شوند: Savnoius و Darrieus.

Savnoius مانند یک چرخ آب با نیروی درگ کار می کند در حالی که Darrieus از تیغه هایی مشابه توربینهای محور افقی استفاده می کند. توربینهای محور عمودی بسیار نزدیک به زمین قرار می گیرند که از مزیتهای آن قرار دادن تجهیزات سنگین آن از جمله گیربکس و ژنراتور نزدیک به سطح زمین می باشد، هرچند که شدت باد در سطح زمین کمتر است و در نتیجه برق کمتری تولید خواهد نمود. از دیگر مزایای این نوع توربینها می توان به نیاز نداشتن سیستم یاو اشاره کرد چراکه این نوع توربینها، باد را از هر جهت مهار می کنند و این مزیت برتری بسیاری نسبت به کمبودهای آن دارد. از کمبودهای آن می توان به این مورد اشاره نمود که این نوع توربینها به طور خودکار مانند توربینهای محور افقی شروع به کار نمی کنند.

 

 

توربین کلاسیک Darrieus از نوع تخم مرغی شکل

 

 

توربین 5 پره ای از نوع H-type از انواع توربینهای Darrieus

 

 

 

انواع روتورهای Darrieus

 

 

توربین از نوع Savnoius

 

این نوع توربین در سال 1922 میلادی توسط مهندسی فنلاندی اختراع گردید و در سال 1929 این اختراع به ثبت رسید. این توربین از حداقل 2 نیم استوانه تشکیل شده است.

 

 

 

 

چرخش توربینهای بادی برپایه نیروی درگ

 

 

توربینهای بادی برپایه نیروی درگ مانند یک بادبان باز عمل می کنند و نیروی باد سطح مورد نظر را جلو می برد. اولین توربینهای بادی که در ایران باستان مورد استفاده قرار می گرفت با این رویکرد کار می کردند. روتور Savonius یک نمونه بسیار ساده از آسیابهای بادی بر پایه نیروی درگ می باشد. این توربینها به چرخش در می آیند چراکه نیروی درگ در ناحیه باز و مقعر این روتورها بسیار بزرگتر و بیشتر از قسمت بسته و محدب آنها می باشد.

چرخش توربینهای بادی بر پایه نیروی لیفت

با استفاده از نیروی لیفت انرژی بیشتری نسبت به نیروی درگ بدست می آید. ولی تنها نیاز آن سطحی ایرودینامیکی شکل می باشد شبیه چیزی که در بالهای هواپیما استفاده می شود. این مقطع ایرودینامیکی برای ایجاد اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین و ایجاد یک نیروی خالص عمود بر جهت باد می باشد.

 

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 ( 1 الی 5 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.

منبع : سازمان انرژی های نو ایران