مقاله بررسی انرژي باد (توربين هاي بادي)
دسته بندي :
فنی و مهندسی »
صنایع
مقاله بررسي انرژي باد (توربين هاي بادي) در 32 صفحه ورد قابل ويرايش
مقدمه
زندگي انسان در تمام ادوار تاريخ به انرژي وابسته بوده است . زماني كه در غار زندگي مي‌كرد فقط از نيروي بازوي خويش كمك مي‌گرفت در آن دوران انرژي او محدود بود نياز او را برطرف مي‌كرد ولي امروزه در دوراني زندگي مي‌كنيم كه در آن به مقدار زيادي انرژي نياز داريم. انسان براي حركت ،ماشينها و دستگاهها ووسايل مختلف كه در خدمت اوست به انرژي زيادي احتياج دارد.
انرژي لازم وسايل و دستگاههاي مورد نياز زندگي انسان از مواد فسيلي نظير زغالسنگ- نفت وگاز طبيعي تهيه مي‌شود. از اين رومواد فسيلي را بايستي ركن اساسي گردش چرخ صنعت در اين دوران دانست دنياي امروز با بحرانهاي اقتصادي كه ناشي از وابستگي به انرژي فسيلي و همچنين غير اقتصادي بودن استفاده از اين گونه انرژي‌هاست، روبروست. از همين رو ضروري به نظر مي‌رسد كه انسان به دنبال منابع جديد براي تأمين انرژي ارزان مي‌باشد كه از آن قبيل مي‌توان استفاده از انرژي خورشيد باد زمين گرمايي و آبي را نام برد.
استفاده از انرژي باد وزمين گرمايي در عصر حاضر مورد توجه كشورهاي مختلفي قرار گرفته زيرا تقريباً هم ارزان است و هم بدون آلودگي كه در اين جا به نحوه توليد برق از طريق اين دو انرژي مي‌پردازيم.
انرژي باد
از انرژيهاي بادي جهت توليد الكتريسته و نيز پمپاژ آب از چاهها و رودخانه‌ها، آرد كردن غلات، كوبيدن گندم، گرمايش خانه و مواردي نظير اينها مي‌توان استفاده نمود.لكن هزينه غيراقتصادي استفاده از اين انرژي بخصوص در ماشينهاي بادي بكارگيري از اين انرژي را محدود ساخته است.
استفاده از انرژي بادي در توربينهاي بادي كه به منظور توليد الكتريسته بكار گرفته مي‌شوند از نوع توربينهاي سريع محور افقي مي‌باشند. هزينه ساخت يك توربين بادي با قطر مشخص، در صورت افزايش تعداد پره‌ها زياد مي‌شود. در مكانهائي كه شبكه برق رساني ضعيف و بارهاي محلي در نزديكي ژنراتورهاي بادي موجود مي‌باشد استفاده از اين حامل انرژي كاربرد بيشتري خواهد داشت.
نطق بادخيز
ايران كشوري با باد متوسط است ولي برخي از مناطق آن باد مناسب و مداومي براي توليد برق دارد. تاكنون در راستاي اهداف استفاده از انرژيهاي نو، مجموعاً بيش از 4 مگاوات نيروگاههاي بادي در منطقه منجيل و رودبار نصب شده است. 11 واحد در منطقه منجيل و رودبار نصب شده است كه قدرت سه واحد آن هر كدام 550 كيلووات و مابقي هر كدام 300 كيلووات قدرت دارد.
در جدول زير توان قابل بهره برداري باد در چند منطقه بادخيز نشان داده شده است.
جدول : توان قابل بهره برداري باد در مناطق مختلف
طرحهاي در دست اجراء جهت اسفتاده از انرژيهاي بادي به شرح زير مي‌باشند:
پروژه : 250 مگاواتي
پروژه : 60 مگاواتي ، انتقال تكنولوژي از ژاپن
انتخاب محل منابس ساخت مزرعه توربينهاي بادي به ظرفيت 60 مگاوات ثبت آمار لحظه‌اي باد در منطقه رودبار و منجيل
امكانات موجود
انرژي باد از جمله انرژيهاي تجديد نظر است كه به علت گستردگي، قدرت بازدهي بالا، اقتصادي بودن و اينكه در مقايسه با ديگر انرژيهاي تجديد پذير در ابعاد وسيع‌تري مورد بهره‌برداري قرار گرفته عملا از جايگاهي ويژه برخودار است.
در حال حاضر نيروگاه بادي منجيل با تعداد 24 واحد جمعا به ظرفيت 9400 كيلوودات و نيروگاه بادي رودبار با تعداد 4 واحد جمعا به ظرفيت 2150 كيلووات نصب و راه اندازي گرديده است. توليد انرژي اين نيروگاه‌ها مجموعا حدود 36 ميليون كيلووات ساعت بود كه در مقايسه با سال پيش 7/2 درصد كاهش را نشان مي‌دهد. نيروگاههاي فوق تحت نظارت سازمان انرژي اتمي قرار دارند.
در ضمن طرز كار توربينهاي بادي موتور استفاده به شرح زير مي‌باشد:
توربينهاي بادي انرژي باد را توسط دو يا سه تيغه به شكل پروانه‌اي مي‌گيرند اين تيغه‌ها روي يك روتور نصب مي‌شوند و توليد انرژي مي‌كنند. اين توربينها در بالاي برجهايي در ارتفاع 100 فوت بالاي سطح زمين قرار مي‌گيرند و از بادهاي نيرومند و داراي توربالانت پايين انرژي خويش را تأمين مي‌كنند.
رفتار يك تيغه بسيار شبيه بال هواپيما مي‌باشد. هنگامي كه باد مي‌وزد، يك بسته هواي كم فشار، بر روي لبه پائيني تيغه تشكيل مي‌شود. سپس بسته هواي كم فشار مذكور تيغه را بسوي آن مي‌كشد، و باعث چرخيدن روتور مي‌شود.
به عمل برا مي‌گويند . در حقيقت نيروي برا بسيار نيرومندتر از نيروي بار مقابل لبه جلويي تيغه مي‌باشد، كه بدان پسا مي‌گويند. برآيند دو نيروي برا و پسا باعي مي‌شود كه روتور مانند يك پروانه بگردد و چرخش شفت سبب توليد الكتريسيته توسط ژنراتور مي‌شود.
مي‌توان از توربينهاي بادي با كاركردهاي مستقل استفاده نمود؛ و يا مي‌توان آنها را به يك شبكه قدرت تسهيلاتي وصل كرد يا حتي مي‌توان با يك سيستم سلول خورشيدي يا فتوولتانيك تركيب كرد.
عموماً از توربينهاي مستقل براي پمپاژ آب يا ارتبطات استفاده مي‌كنند، هر چند كه در مناطق بادخيز مالكين خانه‌ها و كشاورزان نيز مي‌توانند از توربينها براي توليد برق استفاده نمايند.
براي منابع مقياس كاربردي انرژي باد، معمولاً تعداد زيادي توربين را نزديك به يكديگر مي‌سازند كه بدين ترتيب يك مزرعه بادگير را تشكيل مي‌دهند. كه امروزه داراي پتانسيل بسيار بالايي مي‌باشد و تا سال 1998، 25 واحد توليد را مطابق ذيل راه‌اندازي كرده است.
هشت توربين با توليد كل 4/2 مگاوات
دو توربين با توليد كل يك مگاوات
پانزده توربين با توليد كل 5/4 مگاوات
كاربرد انرژي باد
بخش عمده بادها از ارتفاع 12 كيلومتري از سطح زمين مي‌وزد كه موجب جريانهاي فوق العاده سريع مي‌شود محاسبات آماري نشان مي‌دهد كه بيش از 1% انرژي جنبشي فوق الذكر در لايه‌هاي پايين جو وجود دارد كه ميزان توان آنها تقريبا T.W مي‌باشد در سال 1981 ميلادي انستيو بين المللي سيستم هاي كاربردي (IIASA) ميزان پتانسيل انرژي باد كه از نظر تكنيكي در دسترس وقابل استهمال مي‌باشد در معادل STW برآورد نمود كه در اين برآورد بخش عمده مناطق قابل استهسال انرژي باد در سطح قاره‌ها مي‌باشد.
براي به دست آوردن نيروي الكتريكي از انرژي باد بهترين راه ساخت نيروگاه‌ها با توربين بادي است در بررسي ساده اوليه هزينه انرژي باد را مي‌توان با سرمايه‌گذاري اوليه و هزينه توليد برق محاسبه كرد. اما در ديدگاهي وسيع‌تر استفاده از نيروگاه بادي امتيازات زير را نيز در پي خواهد داشت عدم استفاده دائم از منابع سوختي پايان پذير مانند نفت، زغال سنگ و .. و ذخيره اين منابع براي آيندگان بطور مثال اگر يك توربين بادي يك مقاومي كه 4000 ساعت در طول سال كاركرد داشت باشد مي‌تواند باعث ذخيره 1000 تن نفت بشود.
عدم وجود زباله و پسماند در نيروگها بادي كمك شاياني به حفظ محيط زيست خواهد كرد.
ساخت نيروگاه بادي در قدرتهاي مختلف اين كلان را فراهم مي‌كند كه براي مصرف كننده هاي دور افتاده از شبكه توزيع ها مانند وسعتهاي كم جمعيت منابع تأمين انرژي مطلوب فراهم شود.
استفاده از توربينهاي بادي به جاي نيروگاههاي سوخت باعث مي‌شود كه از توليد گازهاي گلخانه‌اي جلوگيري شده و از تخريب لايه ازن جلوگيري به عمل آيد.
در حال حاضر توسعه نيروگاههاي برق بادي با موانعي نيز مواجه‌اند كه مهخمترين آنها عوامل اقتصادي مي‌باشد اين موانع در كشورها با تلاش مسئولين در دست پيگيري مي‌باشد كه از موفقيت هاي بزرگ مي‌توان به جلب نظر سرمايه‌گذاران خارجي و كارشناسان براي ساخت و توسعه مزارع برق بادي اشاره نمود.
- سيكل توربين جدا كننده چرخشي
دراين سيكل، سيال پساز خروج از چاه وارد جدا كننده مي‌شود (شكل 4) بخار خروجي ازجدا كننده به يك نازل، هدايت شده و توربين را به حركت در مي‌آورد. از سوي ديگر آب داغ خروجي از جدا كننده به توربين جدا كننده چرخشي وارد مي‌شود كه در آن علاوه بر چرخش توربين ، به دليل افت فشار، بخشي از آب داغ تبخير شده، بخار حاصل به سمت توربين مجاور هدايت مي‌شود كه البته فشار اين بخار از فشار بخار خروجي جدا كننده اول كمتر است. سرانجام آب خروجي از توربين چرخشي به سمت چاههاي تزريقي هدايت مي‌شود كندانسور مورد استفاده در اين سيكل از نوع لوله پوسته‌اي است. اين سيكل كه مراحل تكميلي خود را سپري مي‌كند براي نخستين بار در نيروگاهي 9 مگاواتي در صحراي پيك (Peak) در ايالت نواداي آمريكا مورد استفاده قرار گرفت.
3- سيكل دو مداره
از اين سيكل براي توليد برق از مخازن زمين گرمايي حرارت پايين استفاده مي‌شود. به طور كلي حدود 50 درصد مخازن زمين گرمايي داراي درجه حرارتي بين 150 تا 200 درجه سانتي گراد هستند كه اگر براي توليد برق از آنها از سيكل تبخير آني استفاده شود اين سيكل بازده بسيار پاييني خواهد داشت. بنابراين به منظور رفع اين مشكل از سيكل دو مداره استفاده مي‌شود.
در اين سيكل از سيال زمين گرمايي به عنوان منبع حرارت در يك سيكل بسته استفاده مي‌شود كه اين حرارت باعث تبخير سيال عامل مي‌شود. مهمترين ويژگي سيال عامل، پايين بودن نقطه جوش آن است.
سيالهاي عاملي كه عمدتاً در نيروگاههاي زمين گرمايي بكار مي‌روند عبارتد از ايزوبوتان ( با نقطه جوش 10 تا 14 درجه سانتي گراد در فشار اتمسفر) ، فرئون 12 ( با نقطه جوش 6/21 تا 8/29 درجه سانتي گراد در فشار اتمسفر)، آمونياك و پروپان. شكل (5)طرح شماتيك يك سيكل دو مداره را نشان مي‌دهد. در اين سيكل ، آب داغ خروجي از چاه پس از گرم كردن سيال عامل در ميدان حرارتي به سمت چاههاي تزريقي هدايت مي‌شود. در مبدل حرارتي ،سيال عامل به بخار مافوق اشباع، تبديل مي‌شود كه در يك سيكل بسته گردش مي‌كند. بخار حاصل، توربين را به گردش درآورده و پس از تقطير در كندانسور سطحي به سوي مبدل حرارتي پمپاژ مي‌شود. از جمله مهمترين مزاياي اين سيكل نبود خوردگي يا رسوب گذاري توسط سيال عامل است. بنابراين در نيروگاههاي دو مداره، تجهيزات مهمي مانند توربين و كندانسور از آسيبهاي ناشي از خوردگي در رسوبگذاري مصون مي‌مانند. مبدل حرارتي اين سيكل از نوع «لوله- پوسته‌اي» است كه در آن هيچ ارتباطي بين آب داغ وسيال عامل وجود ندارد.نخستين نيروگاه دو مداره در جهان در سال 1967 در كامچاتكا واقع در روسيه نصب و راه اندازي شد كه قدرت خروجي آن معادل 670 كيلووات بود و در آن از گاز فرئون 12 به عنوان سيال عامل استفاده مي شد.
4- سيكل تمام جريان
علي رغم افزايش تعداد مراحل جدايش آب داغ وبخار در سيكلهاي تبخير آني، باز هم در اين دسته از سيكلها، بخشي از انرژي مفيد سيال زمين گرمايي به هدر مي‌رود. از نظر اصول ترموديناميكي، انبساط مستقيم سيال از سر چاه به شرايط كندانسور موجب تبديل قسمت اعظم انرژي پتانسيل به كار مكانيكي مي‌شود. بنابراين به هر سيكلي كه در آن تمام جرياني كه از چاه مي‌آيد تا فشار كندانسور منبسط شود، «سيكل تمام جريان» مي‌گويند. درشكل (6) طرح شماتيك سيكل تمام جريان نمايش داده شده است. در اين سيكل سيال داغ خروجي از چاه مستقيم به درون توربين هدايت مي‌شود. سيال مربوط پس از انجام كار در تورين به سمت كندانسور هدايت شده و پس از تقطير از طريق چاههاي تزريقي به درون مخزن تزريق مي‌شود.
سيستم هيبريد فسيلي سوپرهيتر
اين سيكل درحقيقت شبيه يك سيكل تبخير آني دو مرحله‌اي است كه به آن دو قسمت بازياب و سوپرهيتر سوخت فسيلي نيز اضافه شده است(شكل7) در اين سيكل ، بخار خروجي از جدا كننده اول وارد يك بازياب شده و توسط يك بخار خروجي از توربين فشار قوي گرم مي‌شود خروجي بازياب وارد يك سوپرهيتر با سوخت فسيلي مي‌شود خروجي توربين فشار قوي پس از گرم شدن در بازيابي با بخار خروجي از جدا كننده دوم مخلوط شده ووارد توربين فشار ضعيف مي‌شود.درنهايت ، بخار وارد كندانسور شده و پس از تقطير به زمين تزريق مي‌شود.
سيستم هيبريد پيش گرمكن زمين گرمائي
اين سيكل تركيبي از سيكلهاي متعارف توليد برق و انرژي زمين گرمايي است. به اين ترتيب كه در اين سيكل حررات حاصل از مخزن زمين گرمايي براي گرم كردن آب تغذيه در يك نيروگاه سوخت فسيلي بكار مي‌رود. در اين حالت انرژي زمين گرمايي برحسب درجه حرارت سيال مي‌تواند جايگزين تعدادي يا حتي تمامي هيترهاي فشار ضعيف شود. در اين سيكل ،سيال زمين گرمايي وارد يك هيتر بسته شده ، آب تغذيه را گرم كرده و پس از خروج به چاه تزريق مي‌شود ، بنابراين در اين سيكل نيازي به زيركش (Extraction) توربين فشار ضعيف نيست. استفاده از مخزن زمين گرمايي به عنوان زيركش توربين فشار ضعيف، باعث كاهش مصرف سوخت فسيلي مي‌شود.