مقاله بررسی انرژی باد (توربین های بادی) در 32 صفحه ورد قابل ویرایش

مقدمه

زندگی انسان در تمام ادوار تاریخ به انرژی وابسته بوده است . زمانی که در غار زندگی می‌کرد فقط از نیروی بازوی خویش کمک می‌گرفت در آن دوران انرژی او محدود بود نیاز او را برطرف می‌کرد ولی امروزه در دورانی زندگی می‌کنیم که در آن به مقدار زیادی انرژی نیاز داریم. انسان برای حرکت ،ماشینها و دستگاهها ووسایل مختلف که در خدمت اوست به انرژی زیادی احتیاج دارد.

انرژی لازم وسایل و دستگاههای مورد نیاز زندگی انسان از مواد فسیلی نظیر زغالسنگ- نفت وگاز طبیعی تهیه می‎شود. از این رومواد فسیلی را بایستی رکن اساسی گردش چرخ صنعت در این دوران دانست دنیای امروز با بحرانهای اقتصادی که ناشی از وابستگی به انرژی فسیلی و همچنین غیر اقتصادی بودن استفاده از این گونه انرژی‌هاست، روبروست. از همین رو ضروری به نظر می‌رسد که انسان به دنبال منابع جدید برای تأمین انرژی ارزان می‌باشد که از آن قبیل می‎توان استفاده از انرژی خورشید باد زمین گرمایی و آبی را نام برد.

استفاده از انرژی باد وزمین گرمایی در عصر حاضر مورد توجه کشورهای مختلفی قرار گرفته زیرا تقریباً هم ارزان است و هم بدون آلودگی که در این جا به نحوه تولید برق از طریق این دو انرژی می‌پردازیم.


انرژی باد

از انرژی‌های بادی جهت تولید الکتریسته و نیز پمپاژ آب از چاهها و رودخانه‌ها، آرد کردن غلات، کوبیدن گندم، گرمایش خانه و مواردی نظیر اینها می‌توان استفاده نمود.لکن هزینه غیراقتصادی استفاده از این انرژی بخصوص در ماشینهای بادی بکارگیری از این انرژی را محدود ساخته است.

استفاده از انرژی بادی در توربین‌های بادی که به منظور تولید الکتریسته بکار گرفته می‌شوند از نوع توربین‌های سریع محور افقی می‌باشند. هزینه ساخت یک توربین بادی با قطر مشخص، در صورت افزایش تعداد پره‌ها زیاد می‌شود. در مکانهائی که شبکه برق رسانی ضعیف و بارهای محلی در نزدیکی ژنراتورهای بادی موجود می‌باشد استفاده از این حامل انرژی کاربرد بیشتری خواهد داشت.

نطق بادخیز

ایران کشوری با باد متوسط است ولی برخی از مناطق آن باد مناسب و مداومی برای تولید برق دارد. تاکنون در راستای اهداف استفاده از انرژی‌های نو، مجموعاً بیش از 4 مگاوات نیروگاههای بادی در منطقه منجیل و رودبار نصب شده است. 11 واحد در منطقه منجیل و رودبار نصب شده است که قدرت سه واحد آن هر کدام 550 کیلووات و مابقی هر کدام 300 کیلووات قدرت دارد.

در جدول زیر توان قابل بهره برداری باد در چند منطقه بادخیز نشان داده شده است.

جدول : توان قابل بهره برداری باد در مناطق مختلف

طرحهای در دست اجراء جهت اسفتاده از انرژی‌های بادی به شرح زیر می‌باشند:

پروژه : 250 مگاواتی

پروژه : 60 مگاواتی ، انتقال تکنولوژی از ژاپن

انتخاب محل منابس ساخت مزرعه توربین‌های بادی به ظرفیت 60 مگاوات ثبت آمار لحظه‌ای باد در منطقه رودبار و منجیل

امکانات موجود

انرژی باد از جمله انرژیهای تجدید نظر است که به علت گستردگی، قدرت بازدهی بالا، اقتصادی بودن و اینکه در مقایسه با دیگر انرژیهای تجدید پذیر در ابعاد وسیع‌تری مورد بهره‌برداری قرار گرفته عملا از جایگاهی ویژه برخودار است.

در حال حاضر نیروگاه بادی منجیل با تعداد 24 واحد جمعا به ظرفیت 9400 کیلوودات و نیروگاه بادی رودبار با تعداد 4 واحد جمعا به ظرفیت 2150 کیلووات نصب و راه اندازی گردیده است. تولید انرژی این نیروگاه‌ها مجموعا حدود 36 میلیون کیلووات ساعت بود که در مقایسه با سال پیش 7/2 درصد کاهش را نشان می‌دهد. نیروگاه‌های فوق تحت نظارت سازمان انرژی اتمی قرار دارند.

در ضمن طرز کار توربین‌های بادی موتور استفاده به شرح زیر می‌باشد:

توربینهای بادی انرژی باد را توسط دو یا سه تیغه به شکل پروانه‌ای می‌گیرند این تیغه‌ها روی یک روتور نصب می‌شوند و تولید انرژی می‌کنند. این توربینها در بالای برجهایی در ارتفاع 100 فوت بالای سطح زمین قرار می‌گیرند و از بادهای نیرومند و دارای توربالانت پایین انرژی خویش را تأمین می‌کنند.

رفتار یک تیغه بسیار شبیه بال هواپیما می‌باشد. هنگامی که باد می‌وزد، یک بسته هوای کم فشار، بر روی لبه پائینی تیغه تشکیل می‌شود. سپس بسته هوای کم فشار مذکور تیغه را بسوی آن می‌کشد، و باعث چرخیدن روتور می‌شود.

به عمل برا می‌گویند . در حقیقت نیروی برا بسیار نیرومندتر از نیروی بار مقابل لبه جلویی تیغه می‌باشد، که بدان پسا می‌گویند. برآیند دو نیروی برا و پسا باعی می‌شود که روتور مانند یک پروانه بگردد و چرخش شفت سبب تولید الکتریسیته توسط ژنراتور می‌شود.

می‌توان از توربینهای بادی با کارکردهای مستقل استفاده نمود؛ و یا می‌توان آنها را به یک شبکه قدرت تسهیلاتی وصل کرد یا حتی می‌توان با یک سیستم سلول خورشیدی یا فتوولتانیک ترکیب کرد.

عموماً از توربینهای مستقل برای پمپاژ آب یا ارتبطات استفاده می‌کنند، هر چند که در مناطق بادخیز مالکین خانه‌ها و کشاورزان نیز می‌توانند از توربینها برای تولید برق استفاده نمایند.

برای منابع مقیاس کاربردی انرژی باد، معمولاً تعداد زیادی توربین را نزدیک به یکدیگر می‌سازند که بدین ترتیب یک مزرعه بادگیر را تشکیل می‌دهند. که امروزه دارای پتانسیل بسیار بالایی می‌باشد و تا سال 1998، 25 واحد تولید را مطابق ذیل راه‌اندازی کرده است.

هشت توربین با تولید کل 4/2 مگاوات

دو توربین با تولید کل یک مگاوات

پانزده توربین با تولید کل 5/4 مگاوات

کاربرد انرژی باد

بخش عمده بادها از ارتفاع 12 کیلومتری از سطح زمین می‌وزد که موجب جریانهای فوق العاده سریع می‌شود محاسبات آماری نشان می‌دهد که بیش از 1% انرژی جنبشی فوق الذکر در لایه‌های پایین جو وجود دارد که میزان توان آنها تقریبا ‏T.W می‌باشد در سال 1981 میلادی انستیو بین المللی سیستم ‌های کاربردی (IIASA) میزان پتانسیل انرژی باد که از نظر تکنیکی در دسترس وقابل استهمال می‌باشد در معادل STW برآورد نمود که در این برآورد بخش عمده مناطق قابل استهسال انرژی باد در سطح قاره‌ها می‌باشد.

برای به دست آوردن نیروی الکتریکی از انرژی باد بهترین راه ساخت نیروگاه‌ها با توربین بادی است در بررسی ساده اولیه هزینه انرژی باد را می‌توان با سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه تولید برق محاسبه کرد. اما در دیدگاهی وسیع‌تر استفاده از نیروگاه بادی امتیازات زیر را نیز در پی خواهد داشت عدم استفاده دائم از منابع سوختی پایان پذیر مانند نفت، زغال سنگ و .. و ذخیره این منابع برای آیندگان بطور مثال اگر یک توربین بادی یک مقاومی که 4000 ساعت در طول سال کارکرد داشت باشد می‌تواند باعث ذخیره 1000 تن نفت بشود.

عدم وجود زباله و پسماند در نیروگها بادی کمک شایانی به حفظ محیط زیست خواهد کرد.

ساخت نیروگاه بادی در قدرتهای مختلف این کلان را فراهم می‎کند که برای مصرف کننده های دور افتاده از شبکه توزیع ها مانند وسعتهای کم جمعیت منابع تأمین انرژی مطلوب فراهم شود.

استفاده از توربین‌های بادی به جای نیروگاه‌های سوخت باعث می‌شود که از تولید گازهای گلخانه‌ای جلوگیری شده و از تخریب لایه ازن جلوگیری به عمل آید.

در حال حاضر توسعه نیروگاه‌های برق بادی با موانعی نیز مواجه‌اند که مهخمترین آنها عوامل اقتصادی می‎باشد این موانع در کشورها با تلاش مسئولین در دست پیگیری می‎باشد که از موفقیت های بزرگ می‌توان به جلب نظر سرمایه‌گذاران خارجی و کارشناسان برای ساخت و توسعه مزارع برق بادی اشاره نمود.

- سیکل توربین جدا کننده چرخشی

دراین سیکل، سیال پساز خروج از چاه وارد جدا کننده می‎شود (شکل 4) بخار خروجی ازجدا کننده به یک نازل، هدایت شده و توربین را به حرکت در می‌آورد. از سوی دیگر آب داغ خروجی از جدا کننده به توربین جدا کننده چرخشی وارد می‎شود که در آن علاوه بر چرخش توربین ، به دلیل افت فشار، بخشی از آب داغ تبخیر شده، بخار حاصل به سمت توربین مجاور هدایت می‌شود که البته فشار این بخار از فشار بخار خروجی جدا کننده اول کمتر است. سرانجام آب خروجی از توربین چرخشی به سمت چاههای تزریقی هدایت می‎شود کندانسور مورد استفاده در این سیکل از نوع لوله پوسته‌ای است. این سیکل که مراحل تکمیلی خود را سپری می‌کند برای نخستین بار در نیروگاهی 9 مگاواتی در صحرای پیک (Peak) در ایالت نوادای آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.

3- سیکل دو مداره

از این سیکل برای تولید برق از مخازن زمین گرمایی حرارت پایین استفاده می‎شود. به طور کلی حدود 50 درصد مخازن زمین گرمایی دارای درجه حرارتی بین 150 تا 200 درجه سانتی گراد هستند که اگر برای تولید برق از آنها از سیکل تبخیر آنی استفاده شود این سیکل بازده بسیار پایینی خواهد داشت. بنابراین به منظور رفع این مشکل از سیکل دو مداره استفاده می‌شود.

در این سیکل از سیال زمین گرمایی به عنوان منبع حرارت در یک سیکل بسته استفاده می‌شود که این حرارت باعث تبخیر سیال عامل می‌شود. مهمترین ویژگی سیال عامل، پایین بودن نقطه جوش آن است.

سیالهای عاملی که عمدتاً در نیروگاههای زمین گرمایی بکار می‌روند عبارتد از ایزوبوتان ( با نقطه جوش 10 تا 14 درجه سانتی گراد در فشار اتمسفر) ، فرئون 12 ( با نقطه جوش 6/21 تا 8/29 درجه سانتی گراد در فشار اتمسفر)، آمونیاک و پروپان. شکل (5)‌طرح شماتیک یک سیکل دو مداره را نشان می‎دهد. در این سیکل ، آب داغ خروجی از چاه پس از گرم کردن سیال عامل در میدان حرارتی به سمت چاههای تزریقی هدایت می‌شود. در مبدل حرارتی ،سیال عامل به بخار مافوق اشباع، تبدیل می‌شود که در یک سیکل بسته گردش می‌کند. بخار حاصل، توربین را به گردش درآورده و پس از تقطیر در کندانسور سطحی به سوی مبدل حرارتی پمپاژ می‌شود. از جمله مهمترین مزایای این سیکل نبود خوردگی یا رسوب گذاری توسط سیال عامل است. بنابراین در نیروگاههای دو مداره، تجهیزات مهمی مانند توربین و کندانسور از آسیبهای ناشی از خوردگی در رسوبگذاری مصون می‌مانند. مبدل حرارتی این سیکل از نوع «لوله- پوسته‌ای» است که در آن هیچ ارتباطی بین آب داغ وسیال عامل وجود ندارد.نخستین نیروگاه دو مداره در جهان در سال 1967 در کامچاتکا واقع در روسیه نصب و راه اندازی شد که قدرت خروجی آن معادل 670 کیلووات بود و در آن از گاز فرئون 12 به عنوان سیال عامل استفاده می شد.

4- سیکل تمام جریان

علی رغم افزایش تعداد مراحل جدایش آب داغ وبخار در سیکلهای تبخیر آنی، باز هم در این دسته از سیکلها، بخشی از انرژی مفید سیال زمین گرمایی به هدر می‌رود. از نظر اصول ترمودینامیکی، انبساط مستقیم سیال از سر چاه به شرایط کندانسور موجب تبدیل قسمت اعظم انرژی پتانسیل به کار مکانیکی می‌شود. بنابراین به هر سیکلی که در آن تمام جریانی که از چاه می‌آید تا فشار کندانسور منبسط شود، «سیکل تمام جریان» می‌گویند. درشکل (6) طرح شماتیک سیکل تمام جریان نمایش داده شده است. در این سیکل سیال داغ خروجی از چاه مستقیم به درون توربین هدایت می‌شود. سیال مربوط پس از انجام کار در تورین به سمت کندانسور هدایت شده و پس از تقطیر از طریق چاههای تزریقی به درون مخزن تزریق می‌شود.

سیستم هیبرید فسیلی سوپرهیتر

این سیکل درحقیقت شبیه یک سیکل تبخیر آنی دو مرحله‌ای است که به آن دو قسمت بازیاب و سوپرهیتر سوخت فسیلی نیز اضافه شده است(شکل7) در این سیکل ، بخار خروجی از جدا کننده اول وارد یک بازیاب شده و توسط یک بخار خروجی از توربین فشار قوی گرم می‎شود خروجی بازیاب وارد یک سوپرهیتر با سوخت فسیلی می‌شود خروجی توربین فشار قوی پس از گرم شدن در بازیابی با بخار خروجی از جدا کننده دوم مخلوط شده ووارد توربین فشار ضعیف می‎شود.درنهایت ، بخار وارد کندانسور شده و پس از تقطیر به زمین تزریق می‌شود.

سیستم هیبرید پیش گرمکن زمین گرمائی

این سیکل ترکیبی از سیکلهای متعارف تولید برق و انرژی زمین گرمایی است. به این ترتیب که در این سیکل حررات حاصل از مخزن زمین گرمایی برای گرم کردن آب تغذیه در یک نیروگاه سوخت فسیلی بکار می‌رود. در این حالت انرژی زمین گرمایی برحسب درجه حرارت سیال می‌تواند جایگزین تعدادی یا حتی تمامی هیترهای فشار ضعیف شود. در این سیکل ،سیال زمین گرمایی وارد یک هیتر بسته شده ، آب تغذیه را گرم کرده و پس از خروج به چاه تزریق می‌شود ، بنابراین در این سیکل نیازی به زیرکش (Extraction) توربین فشار ضعیف نیست. استفاده از مخزن زمین گرمایی به عنوان زیرکش توربین فشار ضعیف، باعث کاهش مصرف سوخت فسیلی می‎شود.