انرژی بادی

انرژی بادی

منبع انرژی بادی جهانی واقعاً عظیم است، اما بیشتر انرژی بادی نسبتاً غیرقابل دسترس است، زیرا در دریا یا حتی در ارتفاعات زیاد، جایی که بادهای شدید به طور مداوم می وزد، قابل دسترس نیست. با این حال، مقدار قابل دسترسی فنی حدود 300 میلیون گیگاوات ساعت در سال تخمین زده شده است که حدود 20 برابر تقاضای برق فعلی است.

باد یکی از قدیمی ترین اشکال انرژی است که توسط انسان ها مهار شده است.اولین کاربرد انرژی بادی در زمان های قدیم شامل کشتی های بادبانی، آسیاب های بادی برای آسیاب غلات و پمپ ها برای اهداف آبیاری یا جلوگیری از سیل است. تاریخچه بادی حداقل به 5500 سال پیش باز می گردد و کاربردهای کشاورزی آن را می توان به قرن هفتم در خاورمیانه و آسیا جستجو کرد.

شکوفایی انرژی بادی با توربین های بادی

ظهور نیروی باد برای تولید برق به اواخر قرن نوزدهم باز می گردد. پیشگامان اولیه عبارتند از جیمز بلیت از اسکاتلند و چارلز براش از آمریکا، که هر دو از نیروی باد برای این منظور در سال 1887 استفاده کردندتوربین بادی براش هیچ شباهتی به نسخه‌های سه پره امروزی نداشت. مقیاس توربین 40 تنی او با قطر 17 متر را می توان از شکل ریز مردی که در سمت راست ایستاده در شکل 7.1 به دست آورد. دستگاه ساخته شده در حیاط خانه براش 12 کیلو وات برق را تامین می کرد و برای شارژ باتری ها به منظور تامین برق خانه و آزمایشگاه او استفاده می شد.

پیشرفت های در زمینه ساخت توربین های بادی در مقیاس بزرگتر به دهه های اخیر باز می گردد، تا جایی که تا سال 2010 ظرفیت بادی به 175 گیگاوات رسید و انرژی بادی در حال حاضر حدود 2 درصد از برق جهان را تولید می کند. در دانمارک این رقم اکنون به 20 درصد رسیده است که بالاترین رقم در جهان است. دانمارک کشور بزرگی نیست و تنها مقدار کمی از ظرفیت بادی نصب شده جهان را در اختیار دارد. پنج کشور پیشرو برای ظرفیت نصب شده بادی عبارتند از: چین، ایالات متحده، آلمان، اسپانیا و هند که مجموعاً 82 درصد از کل جهان را تشکیل می دهند.

چین یکی از کشور های پیشرو در این زمینه است، زیرا مجموع ظرفیت نیروگاه بادی نصب شده آن از سال 2005 هر سال دو برابر شده است .در آمریکا و بسیاری از کشورهای صنعتی دیگر، انرژی بادی بزرگترین جزء از ظرفیت تولید برق جدید در سال های اخیر است که تا حدی به ترکیبی از ملاحظات هزینه و محیطی نسبت داده می شود. در واقع، وزارت انرژی آمریکا، هزینه ظرفیت تولید جدید با استفاده از باد را با زغال سنگ یا گاز طبیعی تخمین زده است .

ویژگی های انرژی بادی

انرژی باد شکل غیرمستقیم انرژی خورشیدی است، زیرا تفاوت در گرمایش نواحی همراه با چرخش سیاره عاملی است که بادها را به حرکت در می آورد. میانگین سرعت باد از مکانی به مکان دیگر به طور قابل توجهی متفاوت است و قدرت بادها هم از نظر مکانی و هم زمانی به میزان بیشتری تغییر می کند. البته منبع بادی جهان در دریا بیشترین میزان را دارد، جایی که سطح اقیانوس نسبت به خشکی مقاومت لزج کمتری در برابر جریان باد دارد.اگرچه قرار دادن توربین های بادی در وسط اقیانوس ممکن است عملی نباشد اما مناطق ساحلی خشکی و مناطق نزدیک ساحل با میانگین سرعت باد بالا هستند.

برای مناطقی که سرعت باد بیش از 6.4 متر بر ثانیه در ارتفاع 50 متری دارند، یعنی کلاس توان باد 3 و بالاتر استفاده می شود. به طور کلی، اگر منبع زیر کلاس 3 باشد، نصب یک توربین بادی مقرون به صرفه نیست، این میزان، مربوط به چگالی توان متوسط باد از 300 تا 400 وات بر متر مربع است. کلاس 7، بالاترین کلاس نشان داده شده، مربوط به چگالی توان 800-1600 W/m2 است. بهترین پتانسیل باد برای مناطق ساحلی و فراساحلی است.

مقایسه پتانسیل انرژی بادی در مقابل انرژی خورشیدی

سایر اشکال انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی از نظر پتانسیل دارای تغییرات فضایی قابل توجهی هستند، اما این تغییرات برای باد بسیار بیشتر است. بنابراین، در مورد انرژی خورشیدی، حتی کشوری مثل  آلمان که از تابش خورشید کمتری بهره می برد، هنوز هم می تواند انرژی خورشیدی را از نظر اقتصادی برداشت کند، اگرچه تعهد سیاسی کشور و حمایت مالی از نظر یارانه ها نیز مهم است.

با این وجود، منصفانه است که بگوییم وقتی پتانسیل خورشیدی چندان خوب نیست، باز هم بد نیست، اما برای انرژی بادی زمانی که سرعت وزش باد پایین است ،استفاده از آن غیرقابل توجیه پذیری است. بنابراین، در مکان هایی که پتانسیل بادی ضعیف است، داشتن یارانه های هنگفت به اندازه کافی برای ترغیب افراد یا شرکت های برق برای نصب نیروگاه های بادی احمقانه است. تفاوت مهم دیگر در مقایسه باد و خورشید این است که در حالی که پتانسیل در هر دو مورد با واحدهای مشابه W/m2 بیان می شود، باید به خاطر داشته باشیم که مساحت مربوطه برای خورشید یک متر مربع از سطح زمین است،در حالی که برای باد یک متر مربع عمود بر جریان باد می باشد.

سوپر توربین های بادی

حد بالایی تولید برای توربین‌های بادی معمولی در مجاورت 5 تا 6 مگاوات است. توربین هایی  که توان 8 تا 10 مگاوات دارند اغلب از ژنراتورهای فوق کارآمدی استفاده می کنند که به سیم ابررسانا متکی هستند. این امر اندازه و وزن توربین را تا حد زیادی کاهش می دهد که یک مزیت عمده به ویژه برای توربین های دریایی است.

مشکل اصلی توربین های بادی محور عمودی

یکی از معایب اصلی محور عمودی ها نیاز به سیستم پیچیده ای از سیم ها است که برج را تثبیت می کند. بدون این سیم‌ها، رزونانس‌هایی که توسط چرخش دوره ای تیغه ها ایجاد می شود، احتمالاً در طول زمان باعث فرسودگی می شوند.

بدون این سیم ها، رزونانس هایی که توسط چرخش دوره ای تیغه ها ایجاد می شود، احتمالاً در طول زمان باعث فرسودگی و در نهایت فروریختن برج در بادهای شدید می شود. نیاز به بسیاری از سیم ها، تصور استقرار بسیاری از این VAWT ها را در یک محیط فرهنگی کشاورزی که اکثریت زمین برای کشت محصولات کشاورزی استفاده می شود، و جایی که اغلب مزارع بادی اغلب در آن قرار دارند، دشوار می سازد.

یکی دیگر از معایب محور عمودی ها این است که گشتاوری که روتور را می چرخاند به طور متناوب در هر چرخش تغییر می کند و نتیجه ممکن است تناوب های ناخواسته در خروجی الکتریکی باشد. در نهایت، راندمان محور عمودی ها کمتر از محور افقی ها است، که به راحتی می توان آن را برای دستگاه کششی مانند بادسنج فنجانی، که در آن باد نزدیک به یک فنجان که به چرخش کمک می کند، و دیگری که آن را به تعویق می اندازد، درک کرد.

توربین های محورعمودی با کیفیت

محور افقی ها بیش از 95 درصد از تمام توربین های کاربردی موجود در بازار را تشکیل می دهند. تا حدی نشان دهنده کارایی پایین تر محور افقی ها است تحقیقات انجام شد که به این نتیجه رسیدند که حداکثر ضریب عملکرد برای محور عمودی ها لزوماً کمتر از ضریب محور افقی ها در هر شرایطی بود. با این حال، برخی از توربین های محورعمودی جدید طراحی شده دارای ضریب عملکرد  0.38 هستند، تقریباً مشابه بهترین CP = 0.40 که تا به امروز برای محورافقی ها یافت شده است.

مخصوصاً برای کاربردهای دور از ساحل مناسب است، جایی که محور افقی ها به دلیل وزش باد بسیار شدید گاه به گاه بیشتر مستعد شکست هستند، و جاهایی که محور عمودی های بسیار بزرگ می توانند بهتر با بادهایی که می توانند در مقیاس زمانی کوتاه تغییر جهت دهند، مقابله کنند. در نهایت، محورعمودی ها به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارند، و اگر شناور باشند، نیازی به سیم هایی که در خشکی مشکل بزرگی ایجاد می کنند، ندارند.

تعداد پره های توربین

در بین توربین های یک، دو یا سه پره، توربین های سه پره متداول تر هستند، زیرا دارای بالاترین راندمان، لرزش کمتر و حتی خنک تر به نظر می رسند! ممکن است ساده لوحانه فکر کند که هرچه تعداد تیغه ها بیشتر باشد از نظر کارایی بهتر است، زیرا باد عبوری از بین تیغه ها در تولید گشتاور روی تیغه ها "هدر می رود"، اما اینطور نیست. تیغه ها بر کل جریان هوایی که از روتور می گذرد تأثیر می گذارد و کل جریان هوا به نوبه خود بر روی پره ها واکنش نشان می دهد و باعث چرخش آنها می شود.

معمولا برای پمپاژ آب از توربین های چند پره ای که البته استحکام بالایی دارند استفاده می شود. سازه هایی مانند پمپ باد و مخزن آب در بسیاری از مزارع و مزارع در مناطق جنوب غربی آمریکا و کشورهای دیگر مانند استرالیا و کشورهای آفریقای جنوبی که کمبود آب سطحی دارند، منظره ای آشنا هستند. در اوج خود در سال 1930، 600000 پمپ باد تنها در آمریکا وجود داشت. چنین توربین های پره ای به آرامی می چرخند، اما گشتاور زیادی دارند و با سرعت باد کم شروع به کار می کنند و برای پمپاژ آب مناسب هستند.

داشتن تعداد پره زوج در توربین ها غیرمعمول است، زیرا این امر منجر به مشکلات بیشتر ارتعاش می شود. ماهیت مشکل این است که در آن لحظه تیغه بالایی دقیقاً عمودی است، تیغه پایینی در یک راستا با برج و در "سایه باد" خود قرار می گیرد، در جایی که در همان لحظه نیروی کمی را تجربه می کند، تیغه بالایی توسط باد به عقب رانده می شود.نتیجه یک گشتاور قابل توجه در این لحظه است که دوره ای برابر با دوره چرخش تقسیم بر تعداد پره ها دارد. توربین هایی که دارای تعداد پره های فرد هستند این مشکل را تجربه نمی کنند.

توربین های با نرخ چرخش متغیر و ثابت

اگرچه برخی از توربین ها با سرعت ثابتی می چرخند، اما توربین های جدید نرخ چرخش متغیری دارند که به سرعت باد بستگی دارد.نرخ چرخش ثابت ساده تر است،حداقل برای تولید برق AC که در آن لازم است ژنراتور رانده شده توسط توربین با فرکانسی مطابق با فرکانس شبکه بچرخد ،معمولاً 50 یا 60 سیکل در ثانیه (3000 یا 3600 دور در دقیقه). توربین های بادی بسیار آهسته تر از آن می چرخند، اما اگر چرخش یک دوره ثابت داشته باشد، یک سیستم چرخ دنده و یک ژنراتور چند قطبی می توانند این رابط را با تلفات اجتناب ناپذیر در قدرت انجام دهند.

تا حدی با استفاده از ژنراتور موتور القایی که به روتور با سرعت متغیر اجازه می دهد تا ولتاژ فرکانس ثابت را القا کند.این یکی از فناوری های کلیدی بود که به توربین ها اجازه می داد تا کاربردهای الکتریکی فراتر از شارژ باتری ها داشته باشند. یکی دیگر از مزایای توربین با سرعت متغیر این است که امکان بهره وری بیشتر را فراهم می کند، زیرا برای هر سرعت باد نرخ چرخش بهینه یا نسبت نوک به سرعت بهینه وجود دارد.

بهینه سازی عملکرد توربین بادی

اجزای اصلی یک توربین محور افقی معمولی در شکل زیر نشان داده شده است، اما همه آنها برای هر توربین وجود ندارند، ما قبلاً بادسنج را که سرعت باد را حس می کند و پره ای که جهت باد را تعیین می کند ذکر کرده ایم. این داده ها توسط سیستم کنترل برای جهت دهی توربین به سمت مقابل باد با استفاده از موتور انحرافی و درایو ، که هر دو در داخل "ناسل" قرار دارند؛محفظه ساده ای که در بالای برج می چرخد، استفاده می شود.

ناسل همچنین حاوی یک شفت کم سرعت است که توسط روتور توربین هدایت می شود، که از طریق یک جعبه دنده به یک شفت با سرعت بالا متصل می شود که ژنراتور را برای تولید برق می چرخاند که نیاز به چرخش با سرعت بسیار بیشتری دارد. در نهایت، دو کنترل مهم دیگر عبارتند از ترمزی که می تواند چرخش تیغه ها را متوقف کند، و کنترل گامی که می تواند زاویه گام آنها را تغییر دهد.

اساساً سه سرعت باد خاص وجود دارد که برای کنترل صحیح و بهینه سازی عملکرد توربین باید در نظر گرفته شود، یعنی سرعت قطعی که در آن شروع به چرخش می کند، معمولاً حدود 3 متر بر ثانیه است. سرعت نامی باد، معمولاً 11-14 متر بر ثانیه، که در آن توربین توان نامی کامل خود را تولید می کند. و سرعت باد، به طور معمول  25 متر بر ثانیه است  که در آن توربین برای جلوگیری از آسیب باید خاموش شود.

توربین های بادی کوچک

توربین های بادی کوچک به توربین های بادی برای صاحبان خانه، دامداران یا مشاغل کوچک اطلاق می شود و آنها می توانند توان نامی تا 50 وات یا 50 کیلووات داشته باشند. در بسیاری از سال های اولیه قرن بیستم، توربین های بادی کوچک تنها منبع برق را در مناطق روستایی آمریکا تامین می کردند. امروزه آنها به دلایل مختلفی از جمله شارژ باتری، کاهش وابستگی فرد به شبکه یا ردپای کربن خریداری می شوند.

امکان سنجی اقتصادی و نصب یک توربین بادی کوچک می تواند بسیار مشکل سازتر از پنل های خورشیدی باشد، با توجه به تنوع زیاد پتانسیل باد با موقعیت مکانی، حتی در یک ملک خاص، که در آن باید توجه دقیق به زمین، پوشش گیاهی داشت، ارتفاع و محل قرارگیری موانع مناطق پرجمعیت، به ویژه، یکی از فقیرترین مکان ها هستند.

برای برخی از مکان ها، میانگین سرعت باد بسیار کمتر از مقدار مورد نیاز برای تولید توان نامی بیش از درصد بسیار کمی از مواقع خواهد بود. هیچ چیز نمی تواند برای خریدار ساده لوح آزاردهنده تر از خرید یک توربین با توان 3 کیلووات باشد که فقط متوجه شود که 1٪ از مواقع این نیرو را تولید می کند! علاوه بر این، تا همین اواخر، سازندگان مختلف می توانستند توربین های خود را در سرعت های باد متفاوت رتبه بندی کنند، که مقایسه مستقیم را بسیار دشوار می کند.