از توربین بادی چه می دانید؟

از توربین بادی چه می دانید؟

از توربین بادی چه می دانید؟ | انرژی بادی در حال حاضر بیشترین میزان رشد منبع انرژی در جهان را دارد. در طول ۱۰ سال گذشته، ظرفیت استفاده از انرژی بادی در سراسر جهان، به بیش از ۲۸ درصد در سال افزایش یافته و منجر به تولید ظرفیت چیزی حدود ۴۸۰۰۰ مگاوات شده است، که برای حدود میانگین ۱۶ میلیون خانه آمریکایی کافی بود.

در ژانویه سال ۲۰۰۵، آلمان با نصب ۱۶۶۰۰ مگاوات تاسیسات بادی در این حوزه به رهبر جهان تبدیل شد، پس از آن اسپانیا با ۸۳۰۰، ایالات متحده با ۶۷۰۰، دانمارک با ۳۱۰۰، هند ۳۰۰۰، ایتالیا با ۱۱۰۰، هلند با ۱۱۰۰، انگلیس با ۹۰۰، ژاپن با ۹۰۰، و چین با ۸۰۰ در رده های بعدی قرار می گیرند. گرچه انرژی بادی تنها ۰٫۶ درصد از تقاضای جهانی برق امروزه را تامین می کند، اما این سهم به سرعت در حال افزایش است.

هزینه تولید انرژی بادی به طور چشمگیری از اوایل دهه ۸۰ به بیش از ۳۰ سنت بر کیلووات ساعت (به ازای هر کیلووات ساعت) کاهش یافته است. با وجود پیشرفت های تکنولوژیکی، هزینه تمام شده انرژی بادی به علت افزایش قیمت فولاد، بتن و حمل و نقل در سراسر جهان، که به تدریج در گذشته به افزایش قیمت توربین های بادی منجر شده، افزایش یافته است. افزایش زیاد هزینه های گاز طبیعی و دیگر سوخت های فسیلی، برق تولید شده از باد را با سوختی ارزان تر نسبت به آنها تبدیل کرده است.

چند نوع توربین بادی وجود دارد؟

شواهد قابل توجهی وجود دارد که نشان می دهد ، قدمت ماشین های بادی اولیه به بیش از ۲۰۰۰ سال پیش در چین می رسد، اما هیچ مدرکی برای اثبات این حدس و گمان وجود ندارد. با این حال شواهد کتبی قابل توجهی وجود دارد که نشان می دهد، آسیاب بادی در ایران در ۹۰۰ سال بعد از میلاد و شاید در اوایل سال ۶۴۰ میلادی مورد استفاده قرار گرفته است.

در این نوع آسیاب ها شفت عمودی مرکز به یک سنگ آسیاب وصل شده و تیرهای یا بازوها افقی به شفت بالای سنگ آسیاب متصل شدند. دسته های نی به صورت عمودی در انتهای بیرونی بازوها به عنوان بادبان عمل می کنند، که شفت را هنگام وزیدن باد می چرخاند. شکل دور آن جهت دار است به طوری که باد از بخش باز آن وارد شده و بادبان را در جهت باد به چرخش در می آورد.

بخش بسته این ساختار بادبان ها را از باد بر روی مسیر خلاف جهت باد محافظت می کند. کاربردهای اصلی این ماشین ها آسیاب کردن غلات یا پمپ کردن آب بوده و به آسیاب های بادی معروف اند. توربین های بادی امروز شاید بسیار متفاوت از نمونه های اولیه باشند، اما ایده اصلی همان استفاده از انرژی باد برای تولید انرژی است. ماشین های بادی مدرن، که به نام توربین های بادی شناخته می شوند، در مقایسه با آسیاب های بادی قدیمی تر که معمولا چند پره تخت یا کمی منحنی شکل دارند تعداد کمی از پره های هوابر(airfoil) دارند.

اگر چه پیکربندی های مختلفی از توربین های بادی وجود دارد، بیشتر آنها را می توان به عنوان توربین های بادی با محور افقی (HAWTs) که پره هایی در اطراف محور افقی موازی با باد دارند، یا توربین های بادی با محور عمودی (VAWTs) که پره هایی که در محور عمودی چرخانده می شوند طبقه بندی کرد. ویژگی های اصلی این پیکربندی ها این است که هر دو آنها شامل اجزای اصلی مشابه اند، اما جزئیات این اجزاء به طور قابل توجهی متفاوت هستند.

بنا به نظر متخصصین استفاده از اصطلاحات “افقی” و “عمودی” برای طبقه بندی توربین های بادی فقط باعث سردرگمی می شود. اگرچه در حال حاضر به شفت پیش برنده که روی آن نصب شده است اشاره می کنند، در گذشته این اصطلاحات به سطحی اشاره داشت که در آن روتور چرخانده می شد.

بدین ترتیب، آسیاب بادی پمپ کننده آب چند پره ای اکنون به عنوان یک ماشین با محور افقی شناخته می شود، که یک روتور داشته که در یک صفحه ی عمودی می چرخیده و در نتیجه به یک نقطه به عنوان آسیاب عمودی شناخته می شده است. به همین ترتیب، نخستین آسیاب های بادی، روتورهایی دارند که در یک صفحه افقی قرار گرفته اند و به عنوان آسیاب های بادی افقی شناخته می شوند.

همانطور که در بالا اشاره شد توربین های بادی پیکربندی های بسیار متفاوتی دارند. هر پیکربندی مجموعه ای از نقاط قوت و ضعف خود را دارد. توربین های بادی افقی معمولا تمام تجهیزات رشته ای پیش بردن خود را (انتقال، ژنراتور و هر ترمز شفت) در یک محفظه موتور یا محفظه نصب شده در برج دارد. پره های آنها به علت جاذبه تحت فشارهای چرخه ای قرار می گیرند و روتورهای آنها باید جهت دار شوند(از مسیر خود منحرف شوند) تا پره ها با توجه به باد هماهنگ شوند.

توربین بادی عمودی چه تفاوتی با توربین بادی افقی دارد؟

توربین های بادی عمودی به راحتی در برج های بلند قرار بگیرند تا به باد قوی تر که معمولا در ارتفاع های بالاتر یافت می شود دسترسی پیدا کنند. رایج ترین نوع توربین های بادی افقی مدرن ماشین نوع پروانه ای است این ماشین ها به طور کلی بر اساس جهت روتور (خلاف جهت باد یا در مسیر باد برج)، اتصال پره ها به شفت اصلی (ثابت یا لولادار)، روش کنترل حداکثر قدرت (طول یا پره کامل یا جزئی) و تعداد پره ها (به طور کلی دو یا سه پره).

از طرف دیگر، توربین های بادی عمودی اغلب بیشترین پیشرانه خود را بر روی زمین انجام می دهند؛ پره های آنها تنش های گرانشی چرخه ای را تجربه نمی کنند و نیازی به جهت گیری با باد ندارند. با این حال، پره های آنها به علت چرخش به دلیل بارگیری آیرودینامیکی متناوب شدید هستند و نمی توانند به راحتی در برج های بلند قرار بگیرند تا بتوانند از بادهای قوی تر در ارتفاع استفاده کنند.

رایج ترین نوع توربین های بادی عمودی مدرن توربین های داریوس( Darrieus) با پره های منحنی، ثابت و توربین های “H” یا “جعبه” با پره های ثابت مستقیم است. تمام این توربین ها برای کنترل حداکثر قدرت، بر پایه پره (از دست دادن بالابردن و افزایش کشیدن با افزایش زاویه پره) متکی هستند. اگر چه هنوز تعداد کمی از تولیدکنندگان توربین های بادی عمودی وجود دارد، اکثریت قریب به اتفاق تولید کنندگان توربین بادی تلاش خود را برای توسعه توربین های بادی افقی (و معمولا بزرگتر) انجام می دهند.

با وجود آنکه سوخت برای توربین های بادی آزاد است، هزینه اولیه توربین بادی از هزینه انرژی آن توربین بسیار بیشتر است. برای به حداقل رساندن این هزینه، طرح های توربین بادی باید برای سایت ها یا محیط بادی خاص که در آن کار می کنند بهینه سازی شود. روش های آزمایشی و خطا هنگامی که برای طراحی و یا بهینه سازی توربین ها، به ویژه آنهایی که بزرگتر هستند، بسیار گران و وقت گیر هستند.

توربین بادی بزرگ بهینه سازی شده را می توان با هزینه معقول توسعه داد تنها در صورتی که طراحان بتوانند عملکرد ماشین های مفهومی را با دقت پیش بینی و مدل سازی را برای بررسی اثرات جایگزین های طراحی استفاده کنند. در طول دو دهه گذشته، تکنیک های متعددی برای پیش بینی دقیق عملکرد دینامیکی و ساختاری دینامیکی توربین های بادی طراحی شده است. این مدل های تحلیلی به طور کلی تابع تقریب های ساده نیستند، اما باید با استفاده از کدهای کامپیوتری با پیچیدگی های مختلف حل شوند. تعدادی از این مدل ها در زیر خلاصه شده است.

مشکلات توربین های بادی

یکی از بزرگترین مسائل زیست محیطی که صنعت باد با آن مواجه بوده است، مسئله مرگ و میر پرندگان در اثر برخورد با توربین های بادی است. نگرانی ها در مورد این مسئله، عمدتا به دلیل مرگ و میر نسبتا زیاد پرندگان در مزارع باد آلتامونت شرق سان فرانسیسکو، کالیفرنیا است که در دوره زمانی ۱۹۸۰تا۱۹۸۵ رخ داد.

ده ها مطالعه برای بررسی این موضوع در طول ۲۰ سال گذشته انجام شده است. سینکلر و موریسون مطالعات اخیر آمریکا را مرور کلی کرده اند. یک نتیجه از مطالعات پاس آلتامونت این است که وضعیت این ناحیه بدترین سناریو است، به دلیل بخشی از موقعیت بد و همچنین وجود خطوط برق اضطراری که منجر به کشته شدن تعداد زیادی از پرندگان با وسایل الکتریکی شده است. کلسن و ولف خلاصه ای از راه هایی را برای به حداقل رساندن تاثیر مزارع باد بر روی پرندگان ارائه می کنند. از جمله توصیه های ویژه آنها عبارتند از:

• اجتناب از راهروهای مهاجرت پرندگان و مناطقی با تراکم یاد سکونت پرندگان (زیستگاه های کوچک و یا مناطق پرواز)
• استفاده کمتر از توربین های بزرگتر
• به حداقل رساندن تعداد سایت های ایمن در برج های توربین
• عبور دادن خطوط برق از زیر زمین
• انجام مطالعات برای کاهش نگرانی نسبت به سایت های خاص

با وجود مشکلات پیش رو در مورد با پرندگان در پس آلتامونت( Altamont Pass)، تاثیر انرژی باد بر روی پرندگان نسبت به دیگر منابع مرتبط با انسان در مرگ و میر پرندگان بسیار پایین است. به نظر کمیته ملی هماهنگی باد (NWCC)، برخورد پرندگان با توربین های بادی باعث مرگ تنها ۰٫۰۱ تا ۰٫۰۲ درصد از تعداد همه پرنده های کشته شده در برخورد با سازه های ساختمانی در سراسر آمریکا در سال ۲۰۰۱ بوده است.

با مقایسه کردن برآورد آنها تقریبا هر توربین در سال باعث مرگ دو پرنده می شود که در مقایسه با سناریویی که در آن ۱۰۰ درصد برق آمریکا توسط باد فراهم می شود (و با در نظر گرفتن یک توربین با اندازه ۱٫۵ MW)، برآورد مرگ و میر ناشی از برخورد با توربین های بادی ۰٫۵تا۱ درصد از تمام مرگ و میر پرندگان ناشی از برخورد با سازه ها است. در مقابل، برخورد پرنده با ساختمان ها و پنجره ها حدود ۵۵ درصد از علت مرگ پرنده را تشکیل می دهند، و برخورد با وسایل نقلیه، خطوط برق و برج های ارتباطی حدود ۱۷ درصد در آمار مرگ پرندگان سهم دارند.

به طور غیر مترقبه ای تعداد زیادی خفاش توسط بعضی از مزارع باد در شرق آمریکا کشته شدند. صنعت باد به حفاظت بین المللی از خفاش ها، سرویس ماهی و حیات وحش آمریکا و آزمایشگاه ملی انرژی های تجدید پذیر پیوسته است تا این مشکل را شناسایی کرده و راه های کاهش این مرگ ها را پیدا کند. چندین شرکت انرژی بادی بخشی از کمک های مالی را برای تلاش مشترک ارائه می دهند که شامل استخدام یک متخصص زیست شناسی تمام وقت برای سه سال تلاش های تحقیقاتی است. تلاش برای حل این مسئله همچنان در حال انجام است.