مقدمه:

توان باد، تبدیل انرژی نهفته در باد به شکل قابل استفاده انرژی نظیر الکتریسیته با استفاده از توربین های بادی است. در آسیاب های بادی، انرژی باد به صورت مستقیم برای آسیاب کردن محصولات کشاورزی یا پمپاژ آب از چاه به سر زمین استفاده می شده است. در اواخر سال 2006، ظرفیت جهانی ژنراتور های بادی نصب شده در حدود 9، 73 گیگاوات بود. هر چند در حال حاضر کمی بیشتر از 1% کل انرژی الکتریکی جهانی توسط توربین های بادی تولید می شود، [1 ] اما در کشوری نظیر دانمارک، سهم انرژی باد در تولید الکتریسیته مصرفی به حدود 20 % ، در اسپانیا در حدود9% و در آلمان در حدود 7% است. [2] در حالت کلی می توان گفت که ظرفیت تولید الکتریسیته توسط انرژی باد در سال 2006، به 4 برابر مقدار آن در سال 2000 رسیده است. [3]

تولید الکتریسیته از محل انرژی بادی در مزارع بادی بزرگ متصل به شبکه سراسری تا توربین های منفرد موجود در نقاط دور افتاده از شبکه صورت می گیرد. انرژی باد به مقدار فراوان، با قابلیت تجدید پذیری، با توزیع بالا در نقاط مختلف، پاک و هنگامی که جانشین انرژی الکتریکی تولیدی از منابع سوخت فسیلی شوند، توام با کاهش گازهای گلخانه ای متصاعد شده است. در اغلب موارد، خاصیت غیر دائمی و متناوب باد مشکلات غیر قابل تصور و بر طرف نشدنی را ایجاد می کند، به ویژه هنگامی که استفاده از توربین های بادی برای تامین بیش از 10% توان تقاضا شده مد نظر باشد( ضریب نفوذ کم تا متوسط )، اما چنانچه از انرژی باد برای تامین بیش از 10% تقاضای بار استفاده شود، ( ضریب نفوذ متوسط به بالا ) چالش هایی را پیش رو قرار می دهد که هنوز به طور کامل حل نشده اند. [4] در ایران، بررسی های نسبتا محدودی در جهت شناسایی انرژی بالقوه باد، با نگرش به تولید انرژی انجام شده است. از جمله می توان به بررسی های انجام یافته در مورد بادهای دشت قزوین در سال 1349 و بادهای منجیل در سال 1359 اشاره کرد. در طی سالیان اخیر نیز توسط دفتر انرژی های نو امور وزارت نیرو، 26 منطقه کشور شامل 45 سایت مورد مطالعه و پتانسیل سنجی قرار گرفته اند. براساس نتایج این مطالعه، ایران به طور کلی کشوری با باد متوسط است ولی برخی مناطق آن باد مناسب و مداومی برای تولید برق را دارا هستند. براساس بررسی های انجام شده، توان بالقوه انرژی باد در سایت های مطالعه شده حدود 6500 مگاوات برآورد شده است.

در این مقاله پیدایش، ظرفیت و نحوه بهره برداری از انرژی باد را تشریح خواهیم کرد و در مقاله بعد میزان استفاده از این انرژی در دنیا، بررسی های اقتصادی و محیط زیستی این انرژی را خواهیم آورد.

انرژی باد:

منشا پیدایش و تولید باد فرآیندی پیچیده است. زمین به صورت متغیر به وسیله ی خورشید گرم می شود، به طوری که در نواحی قطبی، انرژی خورشیدی کمتر و در نواحی استوایی این مقدار به حداکثر خود می رسد. همچنین، زمین های خشک سریعتر از دریاها و سایر آبها گرم و سرد می شوند. این گر ادیان گرمایشی در نقاط مختلف زمین منجر به حرکت توده های هوا در قالب یک سیستم هم رفتی اتمسفری جهانی می شود که خود را از پوسته زمین به سطح استراتسفر می رساند. استراتسفر نقش یک سقف مجازی را برای زمین بازی می کند. بیشتر انرژی ذخیره شده در جابجایی بادها را میتوان در ارتفاعات بالا پیدا کرد، جایی که باد پیوسته با سرعت های بیش از 160 کیلو متر در ساعت رخ می دهد. نهایتا، انرژی باد تبدیل از طریق اصطکاک، حرارت را در سطوح میان زمین و اتمسفر پخش می کند. به طور تقریبی می توان گفت که 72 تراوات انرژی بادی بر روی زمین به صورت بالقوه در دسترس است که میتوان تمام آن را به الکتریسیته تبدیل کرد که این انرژی کاملا از لحاظ اقتصادی ماندنی و پایدار است. [5]

توان بالقوه توربین بادی:

توان موجود در باد را می توان به وسیله ی عبور آن از میان پره های توربین استخراج کرد که گشتاوری را به روتور تحمیل می کند. حجم توان انتقال یافته به صورت مستقیم با چگالی هوا، سطح مقطعی که توسط توربین جارو می شود و توان سوم سرعت باد ارتباط دارد. توان قابل استفاده موجود در باد، با رابطه ی زیر به دست می آید:

که در این رابطه، توان برحسب وات، ضریب راند مان تعیین شده توسط طراحان توربین بادی،ρ برابر چگالی جرمی هوا بر حسب کیلوگرم بر متر مربع، برابر شعاع پره توربین بر حسب متر و سرعت هوا بر حسب متر بر ثانیه است.[6] همانطور که توربین بادی انرژی را از هوای در حال حرکت استخراج می کند، سرعت هوا کاهش می یابد که این امر موجب انبساط و کاهش فشار هوا می شود. آلبرت بتز، فیزیکدان آلمانی، در سال 1919 اثبات کرد که یک توربین بادی حداکثر می تواند 59% از انرژی باد عبوری از سطح مقطع آن را استخراج کند، لذا مقدار ضریب راندمان هیچ توربین بادی از 59% تجاوز نخواهد کرد. محدودیت بتز صرفنظر از نوع طراحی توربین همواره صادق است.

این معادله دو اثر را در پی خواهد داشت:

جریان جرمی هوا که از سطح مقطع توربین بادی عبور می کند، سرعت هوا و چگالی آن تغییر می کند و ثابت نیست. به عنوان مثال، در دمای 15 درجه سلسیوس در سطح دریا و در طول روز، چگالی هوا برابر 255، 1 کیلو گرم بر متر مکعب است. در این شرایط و در باد با سرعت 8 متر بر ثانیه ( 8، 28 کیلو متر بر ساعت ) در حال عبور از تور بینی با قطر 100 متر، در هر ثانیه 77000 کیلو گرم هوا را از سطح مقطع توربین عبور می کند.

انرژی جنبشی یک جرم مشخص از باد با سرعت باد به توان دو تغییر می کند. از آنجا که جریان جرمی هوا به صورت خطی با سرعت باد افزایش می یابد، لذا توان باد برای یک توربین بادی با توان سوم سرعت باد افزایش می یابد. توان کل باد در شرایط مثال بالا برای یک توربین با روتوری به قطر 100 متر در حدود 5، 2 مگاوات خواهد بود. با توجه به تئوری بتز، حداکثر توانی که در این شرایط می توان استخراج کرد در حدود 5، 1مگاوات است.

توزیع سرعت باد :

سرعت باد در یک نقطه ثابت نیست و مقدار متوسط برای یک ناحیه ی خاص به تنهایی میزان انرژی تولیدی توربین بادی را در آن ناحیه مشخص نمی کند. برای دسترسی به فرکانس سرعت های باد در یک منطقه ی مشخص، یک تابع توزیع احتمال را می توان برای داده های ثبت شده به کار گرفت. مکان های مختلف دارای توزیع های سرعت باد مختلف خواهند بود. مدل ریلی (Raleigh) به مقدار زیادی به توزیع واقعی سرعت های ساعتی باد در مناطق مختلف نزدیک است.

از آنجا که در سرعت باد بالاتر، توان بیشتری نیز تولید می شود، بیشتر انرژی به شکل ناگهانی و در کوتاه مدت تولید می گردد. شکل (3) نشان می دهد که : نیمی از انرژی در دسترس تنها در 15% از زمان عملکرد سیستم حاصل می شود. نتیجه اینکه انرژی باد همانند نیروگاه های سوخت فسیلی دارای خروجی توان ثابت است: مصرف کننده هایی که از توان باد استفاده می کنند، باید تولید پشتیبان را برای زمان هایی که سرعت باد کم است، فراهم کنند.

مدیریت شبکه:

ژنراتورهای القایی که معمولا برای اتصال به توربین بادی استفاده می شوند، نیاز به تامین توان راکتیو برای تحریک ژنراتور دارند. لذا به طور معمول از بانک های خا زنی در نیروگاه های بادی برای اصلاح ضریب قدرت استفاده می شود. گروهی از ژنراتورهای القایی هنگام ایجاد اغتشاش در شبکه متصل به آن، رفتاری متفاوت از خود نشان می دهند. لذا مدل سازی دقیق و جامع از خصوصیات الکترومکانیکی و دینامیکی مزرعه بادی جدید توسط اپرا تورهای شبکه انتقال لازم است تا رفتار پایدار و قابل پیش بینی سیستم را در طی بروز خطاهای سیستم تضمین کند.به ویژه اینکه بر خلاف ژنراتورهای سنکرون نیروگاه های بخار یا آبی، ژنراتورهای القایی نمی توانند پایداری ولتاژ سیستم را در خلال بروز پشتیبانی کنند.

ضریب ظرفیت:

از آنجا که سرعت باد ثابت نیست، انرژی سالیانه ی تولیدی واقعی یک ژنراتور بادی برابر با مقداری نیست که از حاصل ضرب توان نامی ژنراتور در تعداد ساعات سالانه به دست می آید. نسبت تولید واقعی در یک سال به ماکزیمم تئوری آن را ضریب ظرفیت می نامند. یک ژنراتور مستقر در یک ناحیه ی بسیار مساعد، ضریب ظرفیت حدود 35% خواهد داشت. این مساله به خاطر طبیعت متغیر باد است. ضرایب ظرفیت انواع دیگر منابع تولید توان الکتریکی تنها به پارامترهایی نظیر بهای سوخت مصرفی و زمان کمی که برای نگهداری و تامین سیستم لازم است، وابسته است. نیروگاه های سوخت هسته ای دارای هزینه ی سوخت پایین هستند و لذا در اکثر مواقع در توان نامی خود کار می کنند و ضریب ظرفیت بالای 90% را دارا هستند. [7] نیروگاه های با هزینه ی سوخت بیشتر از طریق دریچه ی بخار کنترل می شوند تا بار مورد نیاز را تعقیب و بر آورده کنند. بر طبق گزارشی که در سال 2007 توسط دانشگاه استنفورد منتشر شد، اتصال 10 یا بیشتر مزرعه ی بادی در ناحیه ای با جغرافیای گسترده، به سختی اجازه می دهد تا بتوان بر روی 3/1 کل انرژی تولید شده به عنوان بار پایه حساب کرد. [4] استفاده از سیستم های ذخیره ساز نظیر pump storage یا سایر انواع ذخیره سازها منجر به افزایش 25% در هزینه های نیروگاه های بادی می شود که این امر برای تامین مطمئن بار ضروری به نظر می رسد. [8] ذخیره انرژی الکتریکی به طور موثری میان هزینه الکتریسیته در زمان های تولید زیاد و تقاضای کم، با هزینه ی بالاتر در زمان های تقاضای بالا و تولید کم، معامله به سود می کند. درآمد بالقوه از این مصالحه باید تعادل را میان هزینه های نصب و بهره برداری سیستم های ذخیره ساز بر قرار سازد. مصرف انرژی الکتریکی را می توان با به کارگیری ابزارهایی نظیر مدیریت انرژی مصرفی و ابزارهای اندازه گیری هوشمند، نسبت به تغییرات تولید هماهنگ ساخت که این امر باعث ایجاد سیستم قیمت گذاری متغیر انرژی الکتریکی در طول ساعات مختلف روز می شود. به عنوان مثال، پمپ های آب شهری که برج های ذخیره آب را تغذیه می کنند، نیازی به کار پیوسته و همیشگی ندارند و می توان ساعات کار آنها را محدود به ساعاتی کرد که انرژی الکتریکی به وفور و با هزینه کم در دسترس است. همچنین مصرف کنند گان می توانند زمان مناسب را برای کار با ابزارهای برقی انتخاب کنند.

ساختار غیر متناوب باد و محدودیتهای ناشی از آن :

انرژی الکتریکی تولید شده از محل انرژی باد، می تواند در بازده های زمانی مختلف ساعتی، روزانه و فصلی بسیار متغیر باشد. تغییرات سالیانه نیز در انرژی باد مشاهده می شود اما چندان قابل ملاحظه نیست. این ساختار متغیر می تواند چالش های جدی را برای مشارکت حجم زیاد انرژی باد در اتصال به شبکه سراسری به خاطر حفظ پایداری شبکه ایجاد کند. زمانی که اثرات منفی نا متناوب بودن باد باید در محاسبات اقتصادی تولید توان از انرژی باد در نظر گرفته شود، باید دانست که به دلیل حجم کمتر تولیدات توان از محل انرژی باد ، تحمل خطاهای آنی ناشی از توان تولیدی زیاد ساده تر و محتمل به نظر می رسد در حالی که این مساله می تواند یک نگرانی جدی برای نیروگاه های مرسوم باشد. به این معنی که، قابلیت اطمینان توربین های بادی با توجه به طبیعت تولید پراکنده آنها بیشتر است. همچنین، توربین های بادی اغلب در زمان های پیک مصرف نظیر اوج گرمای هوا، تولید کمتری خواهند داشت. [5و6]

سرعت باد عموما در زمان های پیک مصرف ( ماه های جون، جولای و آگوست ) کمترین مقدار خود را در آمریکای شمالی دارد. لذا ارتباطی معکوس میان سرعت باد و پیک تقاضای بار الکتریکی دیده می شود. بسیاری از برنامه ریزان شبکه هرگز محاسباتشان را به خاطر وجود این رابطه ی معکوس با در نظر گرفتن ظرفیت نصب شده ی توان باد تنظیم نمی کنند. اپرا تورهای شبکه به طور مشخص تولید انرژی الکتریکی را به وسیله ی خاموش یا روشن کردن نیروگاه ها در بازه های زمانی مختلف کنترل می کنند. همچنین بسیاری از شبکه های الکتریکی چند درجه آزادی برای کنترل اضافه تقاضا را از طریق مدیریت تقاضا و مصرف یا قطع بار دارند. مدیریت تولید یا تقاضا معانی اقتصادی مختلفی برای تولیدکنندگان، مصرف کنند گان و اوپراتورهای شبکه دارد ولی در تمامی این بخش ها به کار گرفته می شود.

خروجی متغیر باد چالشی را برای افزایش سهم توربین های بادی در تولید فعلی و اتصال آن به شبکه بر پایه ی روندهای بهره برداری موجود ایجاد می کند. منتقدان استفاده از انرژی باد بر این نکته پا فشاری می کنند که روش های مدیریت تغییرات تولید توان باد، باعث افزایش هزینه ی کل تولید انرژی بادی به ویژه در شبکه های با ضریب نفوذ بالا می شود در حالی که مدافعان استفاده از انرژی باد معتقدند که ابزارها برای مدیریت منابع انرژی متغیر همیشه وجود دارند و اقتصادی نیز هستند و سایر مزایای انرژی باد را مد نظر قرار می دهند همچنین خاطر نشان می کنند که ساختار متغیر شبکه به خاطر خطاهای احتمالی در نیروگاه های مرسوم یا تغییرات ناگهانی بار، نسبت به نرخ تغییرات باد حتی با ضریب نفوذ بالا در شبکه نیز بیشتر است. تاکنون اندازه ی مشخصی به عنوان ماکزیمم ضریب نفوذ انرژی بادی در شبکه ارائه نشده است و محدودیت های عملی موجود بستگی به پیکر بندی نیروگاه های فعلی، مکانیزم های قیمت گذاری، ظرفیت ذخیره سازی یا مدیریت تقاضای بار و فاکتور های این چنینی دیگر دارد. مطالعات انجام شده برای چندین منطقه ی مختلف نشان می دهد که حداقل20% کل مصرف انرژی الکتریکی را می توان از محل انرژی بادی تامین کرد. [9] این مطالعات عموما برای مناطقی با تنوع جغرافیایی منطقی انجام شده اند: پروفایل تولید مناسب ( نظیر چند نوع انرژی قابل توزیع و به ویژه نیروگاه آبی با ظرفیت ذخیره )، مدیریت بار فعلی و بار پیش بینی شده ی آینده و اتصال به یک شبکه ی بزرگتر برای ایجاد امکان واردات و صادرات الکتریسیته در مواقع مورد نیاز. علاوه بر این، چند دلیل فنی دیگر نیز وجود دارد که چرا توان بادی بیشتر نباید در شبکه سهیم شود اما دلایل اقتصادی قابل ملاحظه تر شده اند وراه حل های دیگر می تواند ترجیح داده شود. در حال حاضر، مکان های بسیار ناچیزی دارای ضریب نفوذ انرژی بادی بالای 5% هستند. آلمان، اسپانیا و پرتغال ضریب نفوذ انرژی باد کمتر از 10% دارند، هر چند در کشور دانمارک، این ضریب بیشتر از 20% است که نشان می دهد که ملاحظات فنی در سطوح بالا، قابل مدیریت است. ضریب نفوذ منابع توان غیر دائمی و متناوب در دانمارک بیشتر از 20% است چرا که 20% از توان الکتریکی مصرفی کشور دانمارک به وسیله ی نیروگاه های ترکیبی حرارتی غیر متمرکز تولید می شود که تنها هنگامی برق تولید می کنند که تقاضایی برای حرارت تولیدی نیز وجود داشته باشد. با این حال باید تاکید کرد که شبکه برق سراسری کشور دانمارک متصل به شبکه سراسری کشور آلمان و شبکه برق کشورهای اروپایی است و می تواند کار تامین توان الکتریکی و مصرف آن را در ناحیه ی بزرگتری از شبکه کشور خود انجام دهد. در عمل کشور دانمارک مشکلات مدیریت شبکه را به وسیله ی صادرات نیمی از تولیدات نیروگاه های بادی به کشور نروژ حل کرده است . ضریب همبستگی میان حجم صادرات برق و تولیدات نیروگاه های بادی در این کشور بسیار نزدیک است. [10]

غیر متناوب بودن یکی از مشکلات اصلی است که می تواند ضریب نفوذ انرژی بادی را در کل شبکه کاهش دهد. [7] گزارش شورای انرژی اسکاتلند در سال 2006 [8] حاوی نگرانی های عمیق در مورد استفاده از انرژی باد است:

« غیر متناوب بودن ذاتی انرژی بادی به این معنی است که نمی تواند برای توزیع در شبکه به شکل مطمئن در همه ساعات مورد اعتماد قرار بگیرد. هر چند توان خروجی آن را در ساعاتی که در دسترس باشد می توان به شبکه تزریق نمود. طیف گسترده ای از انواع منابع تولید الکتریسیته برای دستیابی به حداکثر امنیت و انعطاف پذیری برای تامین توان الکتریکی حتمی است.»

در مطالعه ای که از طرف دولت ایالتی مینه سوتا در آمریکا انجام شده[11]، ضریب نفوذ بیشتر از 25% مورد توجه قرار گرفته و نتیجه گیری شده است که مسائل مربوط به ترکیب میروی باد با سایر تولیدات شبکه قابل مدیریت است و هزینه های افزایشی کمتر از نیم سنت (0045 ، 0 دلار ) به ازای هر کیلو وات ساعت نیاز دارد، در حالی که گزارش مشابهی از کشور دانمارک خاطر نشان می کند که شبکه توان بادی این کشور برای 54 روز در سال 2002 هیچ تولیدی نداشته است. [9]

قابلیت پیش بینی:

قابلیت پیش بینی کوتاه مدت ( ساعتی یا روزانه ) توان خروجی نیروگاه بادی با خاصیت متغیر باد ارتباط دارد. نظیر سایر منابع تولید برق، انرژی بادی باید قابل برنامه ریزی باشد. این مساله چالش بزرگی را برای این صنعت ایجاد کرده است، چرا که طبیعت این منبع انرژی آن را به طور ذاتی متغیر با زمان ساخته است. برای غلبه بر این مشکل، روش های پیش بینی توان باد به وسیله ی شرکت های برق و اپرا تورهای سیستم بکار گرفته شده اند. علی رغم استفاده از پیش بینی، قابلیت پیش بینی تولیدات نیروگاه های بادی به خاطر دلایل مختلفی پایین مانده است.

جا یابی توربین:

به عنوان یک قاعده ی کلی، استفاده از ژنراتورهای بادی در جایی عملی هستند که متوسط سرعت باد 5،4 متر بر ثانیه ( 16 کیلو متر بر ساعت ) یا بیشتر باشد. معمولا سایت های نیروگاه های بادی از روی اطلس های باد از پیش انتخاب شده و با اندازه گیری های باد مورد تایید قرار می گیرند. علم هواشناسی نقش مهمی در تعیین مکان های ممکن برای نصب نیروگاه های بادی بر عهده دارد، اما داده های هواشناسی در مورد باد به تنهایی برای جا یابی دقیق مزارع بادی بزرگ مناسب نیستند. داده های هواشناسی یک مکان برای تعیین پتانسیل های منطقه بسیار مهم هستند. یک مکان ایده آل برای نصب توربین های بادی دارای جریان تقریبا ثابت و بی اغتشاش باد در تمام طول سال است و کمترین مقدار ممکن تغییرات شدید و ناگهانی باد را دارند. یک فاکتور بسیار مهم در جا یابی توربین بادی، دسترسی به بار محلی یا ظرفیت انتقال ( دسترسی به خطوط انتقال با ظرفیت خالی ) است.

یک مرحله ی بسیار حیاتی در توسعه ی یک مکان با پتانسیل بالا، جمع آوری اطلاعات دقیق و قابل تایید سرعت و جهت باد به همراه سایر پارامترهای سایت است. [12] برای جمع آوری داده های باد، یک برج هواشناسی در ناحیه ی مورد نظر با تمامی تجهیزات اندازه گیری که در ارتفاعات مختلف برج نصب شده است، قرار می گیرد. تمامی برج ها شامل باد سنج هایی برای تعیین سرعت باد و باد نماهایی جهت تعیین جهت وزش باد می باشند. ارتفاع برج ها عموما بین 30 تا 60 متر تغییر می کند. اصولا این برج ها به منظور امکان سنجی مکان برای نصب نیروگاه بادی و لوله ای شکل از جنس استیل هستند که برای مدت 1 تا 2 سال در محل باقی می مانند و سپس از محل جمع آوری می شوند. داده ها به وسیله ی ابزارهای داده گیری که کار ذخیره و انتقال اطلاعات را به یک سرور انجام می دهند، جمع آوری شده و برای آنالیز آنها در کامپیوتر مرکزی مورد استفاده قرار می گیرند.

می دانیم که سرعت باد در ارتفاعات بالاتر، به خاطر کاهش اثرات نیروی کشش سطحی و کاهش چسبندگی باد، بیشتر است، افزایش سرعت با افزایش ارتفاع در نزدیکی سطح بسیار بیشتر است و متاثر از توپو گرافی، سختی سطوح و موانع خلاف جهت باد نظیر درختان یا ساختمان ها است. بطور نمونه، افزایش سرعت باد با افزایش ارتفاع از یک روند لگاریتمی تبعیت می کند که می تواند به طور منطقی با استفاده از قانون توان پروفایل باد تخمین زده شود، ( با کمک توان نمایی 7/1 ) بطوری که سرعت باد متناسب با ریشه ی هفتم ارتفاع افزایش می یابد. دو برابر شدن ارتفاع توربین، سرعت باد مورد انتظار را تا 10% افزایش می دهد و لذا توان مورد انتظار توربین تا حدود 34% افزایش می یابد ( محاسبه ی افزایش توان%34=1-(2.0)=pincreased )

مزارع بادی شامل تعداد زیادی توربین نصب شده هستند. از آنجا که هر توربین بخشی از انرژی موجود در باد را استخراج می کند، بسیار مهم است که فضای کافی میان توربین ها برای پیشگیری از تلفات انرژی اضافی در نظر گرفته شود. جایی که فضای کافی برای نصب توربین ها باشد، توربین ها با فاصله ی 3 تا 5 برابر قطر روتور در جهت عمود بر جهت غالب باد و با فاصله ی 5 تا 10 برابر قطر روتور در جهت غالب باد نصب می شوند تا تلفات راند مان را حداقل کنند. تلفات« اثر مزرعه ی بادی » می تواند در حد کمتر از 2% ترکیب توان نامی توربین ها باشد. ژنراتورهای توربین بادی در مقیاس شبکه ( توان بزرگ ) محدودیت های عملکرد در دمای مینیمم دارند که کاربرد آنها را برای نواحی که بطور معمول دماهای کمتر از 20 – درجه سلسیوس را تجزبه می کنند، محدود می کند. توربین های بادی باید در مقابل تجمع و انباشتگی یخ محافظت شوند چرا که می تواند مقادیر خوانده شده توسط بادسنج را غیر دقیق کند و بار برج توربین را زیاد و آن را دچار آسیب نماید. برخی سازندگان توربین های بادی بسته های دمای پایین را با چند در صد هزینه ی بیشتر برای خرید توربین پیشنهاد می کنند که شامل گرم کننده های داخلی، روغن های مختلف و آلیاژهای مختلف برای عناصر ساختاریتوربین بوده تا امکان عملکرد توربین در دماهای پایین تر مقدور شود. اگر مدت زمان دمای پایین ترکیب شده با شرایط باد کم باشد، توربین بادی نیاز به توان سرویس نیروگاه دارد که برابر با چند در صد توان نامی آن است. یعنی توربین بادی با توانی برابر چند در صد توان نامی که از طرف نیروگاه تزریق می شود، شروع به گردش می کند تا دماهای داخلی آن در طول مدت یخبندان ثابت نگه داشته شود. به عنوان مثال، پروژه ی بادی Manitoba در کانادا دارای توان نامی 99 مگا وات است و تخمین زده شده است که نیاز به 3 مگاوات ( در حدود 3 % کل ظرفیت نیروگاه ) توان پشتیبان برای چند روز از سال که دمای هوا کمتر از 30- درجه سلسیوس می شود، دارد. این فاکتور بر مسائل اقتصادی عملکرد توربین بادی در آب و هوای سرد اثر نا مطلوبی خواهد داشت.

انواع نیروگاه های بادی:

1. واقع در ساحل (Onshore ):

توربین های بادی واقع در ساحل نزدیک به نواحی تپه ای یا کوهستانی، در دامنه نصب می شوند که عموما 3 کیلومتر یا بیشتر نسبت به نزدیک ترین خط ساحلی در داخل مناطق خشکی فاصله دارند. این امر به خاطر بهره برداری از شتاب توپو گرافی منطقه است. تپه یا دامنه ی کوه سبب می شوند که باد با اعمال نیرو به سطح آنها شتاب بگیرد. سرعت باد اضافی به دست آمده به این روش، مقدار انرژی تولید شده توسط توربین های بادی را به صورت قابل توجهی افزایش می دهد. جا یابی دقیق توربین های بادی از اهمیت بسیاری بر خوردار است ( فرایندی که به ریز- جا یابی معروف است ) چرا که اختلاف ارتفاع 30 متری در برخی مواقع به معنی دو برابر شدن توان خروجی است. بادهای محلی اغلب برای 1 سال یا بیشتر با استفاده از بادسنج ها مونیتور شده و نقشه های جزئی وزش باد قبل از نصب ژنراتور های بادی تهیه می شوند.

برای مزارع بادی کوچکتر و در جایی که جمع آوری داده ها بسیار کران است یا زمان زیادی را می طلبد، روش معمول داده کاوی، مشاهده ی مستقیم درختان و گیاهانی است که به طور دائمی به وسیله ی بادهای غالب خم شده یا دچار تغییر شکل شده اند. روش دیگر استفاده از نقشه ی مطالعات سرعت باد یا دادههای گذشته از یک ایستگاه هواشناسی نزدیک به ناحیه ی مورد نظر است. هر چند باید اذعان کرد که این روش ها کمتر قابل اطمینان هستند. جا یابی مزارع بادی در برخی اوقات می تواند بسیار بحث برانگیز باشد، به ویژه هنگامی که مکان های مورد نظر از لحاظ طبیعی خوش منظره بوده یا از لحاظ زیست محیطی حساس باشند. ( به عنوان مثال مکانی که زیست گاه پرندگان باشد )

2. نزدیک به ساحل (Near-shore ) :

توربین های نصب شده در نزدیکی ساحل دریا عموما در ناحیه ای در نظر گرفته می شوند که واقع در خشکی با فاصله ی کمتر از 3 کیلومتر از نوار ساحلی یا در داخل دریا با فاصله ی کمتر از 10 کیلو متر از خشکی باشند. این نواحی، مکانهای مناسبی برای نصب توربین بادی بوده، چرا که باد تولید شده توسط جریان های همرفتی ناشی از اختلاف دما میان دریا و خشکی در هر روز وجود دارند. سرعت باد در این نواحی، ویژگی های بادهای ساحلی و دور از ساحل را توامان دارا است که این مساله بستگی به جهت باد غالب دارد. مشکلات معمول برای این نیروگاه ها و توسعه ی آنها وجود پرندگان ( مهاجرت پرندگان و آشیانه سازی آنها )، زیست بوم های جانوران آبزی، حمل و نقل ( دریانوردی و قایق رانی ) و زیبایی شناسی بصری است. ساکنان محلی در برخی از مکان های با پتانسیل بالا، مخالفت های جدی با نصب مزارع بادی به خاطر وجود چنین نگرانی هایی انجام داده اند.

3. دور از ساحل ( Offshore ) :

توسعه انرژی بادی دور از ساحل عموما در مسافت 10 کیلومتر یا بیشتر دور از خشکی در داخل دریا مورد توجه است. توربین های بادی دور از ساحل مزاحمت کمتری نسبت به توربین های موجود در خشکی و ساحل دارند، چرا که اندازه ی واضح و نویزهای حاصل از آنها می تواند با ایجاد فاصله ی بیشتر از خشکی به مقدار قابل توجهی کاهش یابد.از آنجا که آب درجه ی سختی کمتری نسبت به خشکی دارد ( به ویژه در آبهای عمیق )، متوسط سرعت باد معمولا به طور قابل توجهی در آبهای آزاد بالاتر است. ضرایب ظرفیت ( نرخ های بهره برداری ) در این نیروگاه ها به میزان زیادی بالاتر از نیروگاه های ساحلی و نزدیک به ساحل است. لذا این امکان برای توربین های بادی فراهم می شود تا از برج های با ارتفاع کمتر استفاده کنند تا کمتر نمایان باشند. در نواحی طوفانی با فلات قاره های وسیع ( نظیر دانمارک )، نصب این توربین ها کاملا عملی است. تولید انرژی بادی در دانمارک حدود 20% کل تولید الکتریسیته این کشور را شامل می شود که این امر با توجه به تعداد زیاد مزارع بادی دور از ساحل در این کشور اتفاق افتاده است. [13] کشور دانمارک برای افزایش سهم انرژی بادی تا حد نیمی از تولیدات این کشور برنامه ریزی کرده است. کشور انگلستان نیز برای استفاده از انرژی باد دور از ساحل برای تولید توان مصرفی روشنایی تمامی واحدهای مسکونی تا سال 2020 برنامه ریزی کرده است. [14] برای این امر، توسعه ی مناطق مناسب با پتانسیل بالا نظیرGreat Lakes با پروژه ی نصب توربین ها در فاصله ی 20 کیلومتری از ساحل با توان 700 مگاوات، شروع شده است. ایالت اونتاریو در کانادا نیز چندین پروژه ی نصب مزارع بادی دور از ساحل را مورد توجه قرار داده است که در حال حاضر تنها توسعه ی یک نیروگاه در آبهای آرام و نیرو گاهی دیگر در ساحل غربی اقیانوس آرام انجام می گیرد. در مورد نصب بیشتر نیروگاه های دور از ساحل، بالاتر بودن هزینه ها نسبت به نیروگاه های ساحلی صدق می کند، اما این امر وابسته به ویژگی های مکان مورد نظر است. برج های توربین های دور از ساحل عموما بلند تر از برج های توربین های ساحلی هستند که این امر با توجه به ارتفاع آنها در زیر آب است. همچنین ساخت بنای زیر آبی در نیروگاه های دور از ساحل گرانتر است. انتقال توان تولید شده از توربین های دور از ساحل از طریق کابل های زیر دریایی انجام می گیرد. اگر مسافت میان ساحل تا نیروگاه زیاد باشد، برای انتقال توان از سیستم های جریان مستقیم با ولتاژ بالا (HVDC ) استفاده می شود. از طرفی محیط نمکی دریا می تواند هزینه های نگهداری ناشی از خوردگی برج ها را افزایش دهد ولی در مناطق با آبهای شیرین نظیر Great Lakes ، این مساله وجود ندارد. تعمیرات و نگهداری این تاسیسات در مقایسه با تاسیسات مستقر در ساحل و خشکی، عموما دشوار تر و کند تر است و توام با هزینه های بالاتر است. توربین های بادی در آبهای نمکی دور از ساحل مجهز به تجهیزات حفاظتی در مقابل خوردگی نظیر پوشش های ضد خوردگی و حفاظت کاتدی هستند.

در حالی که بازار بسیار قابل توجهی برای مزارع بادی کوچک مستقر در خشکی وجود دارد، توربین های بادی دور از ساحل اخیرا مورد توجه قرار گرفته اند و احتمالا در آینده، بیشترین مقدار تولید انرژی بادی را خواهند داشت، چرا که توربین های بادی بزرگتر در نیروگاه های دور از ساحل، هزینه های ثابت بیشتری را در طول زمان بهره برداری بیشتر و تولید بیشتر دارند که به معنی کاهش یافتن هزینه ی متوسط نصب این تجهیزات است. به دلایل مشابه، مزارع بادی دور از ساحل، تعداد زیادی توربین بادی را شامل می شوند ( اغلب بیش از 100 توربین را در بر می گیرد ) که در مقابل، مزارع بادی ساحلی که می توانند با تعداد کمتری توربین قابل رقابت با مزارع دور از ساحل باشند.

4. توربین بادی هوایی (airborne ):

توربین های بادی می توانند در ارتفاع بالاتر، با سرعت بیشتری چرخش کنند[15] هر چند چنین سیستمی در حال حاضر در بازار موجود نیست. شرکت برق ایالت اونتاریوی کانادا در تلاش است تا توربین های هوایی معلق شده با هلیوم را به مرحله تولید تجاری برساند. [16]

پروژه ای در کشور ایتالیا با نام Kitegen در حال انجام است که از یک توربین بادی محور عمودی نمونه استفاده می کند. این پروژه یک برنامه ابتکاری است ( پروژه در مرحله ی ساخت ) که شامل یک مزرعه بادی با توربین محور عمودی است که از کایت برای استخراج توان باد در ارتفاعات بسیار زیاد استفاده می شود. در این پروژه، ژنراتورهای محور عمودی توسط کایت در ارتفاع مشخصی از سطح زمین قرار می گیرند. ژنراتور بادی کایت ( KWG ) یا Kitegen برای از بین بردن مشکلات استاتیک و دینامیکی معرفی شده است. این مشکلات در توربین های محور افقی رایج، مانع از افزایش توان ( برحسب ابعاد ) قابل حصول می شود. طرح های دیگری برای توربین های محور عمودی در حال توسعه اند یا پیشنهاد شده اند که در حال حاضر به تولید تجاری در مقیاس کوچک رسیده اند و یا در حال ساخت نمونه ی آزمایشی هستند. به هر حال توربین های محور عمودی همچنان تکنولوژی اثبات شده ی اقتصادی به شمار نمی آیند.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: