بهره برداری از سیستم های قدرت

بحران نفتي سال 1937 ميلادي سبب گرديد تا دوباره به انرژي بادي روي آورند و از برق حاصل از آن براي اتصال به شبكه برق ، پمپ كردن آب و سرانجام تامين برق نواحي دور افتاده استفاده كنند .

در سالهاي اخير مشكلات زيست محيطي و مسئله تغيير آب و هواي كره زمين به سبب استفاده زياد از حد انرژي هاي فسيلي ،‌استفاده از انرژي بادي را افزايش داده است .

 

باد هوايي است كه حركت دارد و جا به جا مي شود . باد از نسيم ملايم گرفته تا توفان ،‌بر اثر اختلاف فشار هوا بين دو منطقه به وجود مي آيد . اين اختلاف فشار در نتيجه اختلاف دماست .

چون فشار گرم حركت مي كند و باد به وجود مي آيد . گردش زمين به دور خود نيز بر جهت باد تاثير مي گذارد .

سطح زمين مقداري از انرژي گرمايي تابش خورشيد را جذب مي كند و مقداري را به جو مبر مي گرداند . هر اندازه پرتوهاي خورشيد نسبت به سطح زمين عمودي تر باشد ، ميزان جذب انرژي زمين بيشتر خواهد بود . بنابراين مقدار انرژي اي كه در منطقه استوايي جذب مي وشد نسبت به قطب ها بيشتر است . اين انرژي هواي منطقه استوايي را گرم و سبك و فشار آن را كم مي كند بنابراين هواي گرم و سبك بالا مي رود و در سطح زمين منطقه اي كم فشار ايجاد مي كند .

در مناطق قطبي پرتوهاي خورشيد نسبت به سطح زمين مايل و ميزان جذب انرژي كمتر است بنابراين هواي اين مناطق سرد ، متراكم و پرفشار است .

 

1- تقسيم بندي توربين هاي بادي

موضوع استفاده از نيروي باد به قرنها پيش بر مي گردد كشتي ها و آسيابهاي بادي هلندي ها و اسپانيايي ها گوياي اين امر است اگر چه تاكنون تغييرات زيادي در طرح توربين هاي بادي داده شده است ، ولي به طور كلي مي توان آنها را به دو دسته مهم زير تقسيم كرد :

الف : توربين هاي كه داراي روتوري با محور قائم هستند.

ب: توربين هايي كه روتوري با محور افقي دارند .

مدارك و شواهد نشان مي دهند ايرانيان اولين كساني بوده اند كه در حدود 200 سال قبل از ميلاد مسيح براي آرد كردن غلات از آسياب هاي بادي با محور قائم استفاده مي‌كردند .

آسياب بادي با محور افقي حدود قرن دوازدهم ميلادي در اروپا ساخته شد و مورد استفاده قرار گرفت .

اگر منظور ،‌تبديل انرژي مكانيكي باد به انرژي الكتريكي باشد ، در توربين هاي با محور قائم مي توان ژنراتور برق را همراه جعبه دنده داخل محفظه اي در قسمت پايين توربين نصب كرد .

در مورد توربين هاي بادي با محور افقي ، جعبه دنده و ژنراتور برق در محفظه اي بلافاصله بعد از توربين نصب مي شوند .

توربين هاي بادي با محور افقي ، جعبه دنده و ژنراتور برق در محفظه اي بلافاصله بعد از توربين نصب مي شوند .

توربين هاي بادي با محور افقي بازده بهتري دارند و نصب ژنراتور برق اين توربين ها در بالاي برج آسانتر از توربين هاي با محور قائم است .

2- توربين بادي چگونه كار مي كند .

به طور كلي يك مولد انرژي بادي وقتي به وسيله نيروي باد به حركت در آيد قدرت به وسيله روتور آن به خارج داده مي شود .

يكي از كاربردهاي انرژي باد پمپ كردن آب است در دهه 60-1950 كه پمپ هاي موتوري به بازار عرضه شده ، به سبب قيمت انرژي هاي فسيلي كاهش ناگهاني در مورد استفاده از پمپ هاي بادي به وجود آمد . در حال حاضر پمپ هاي بادي به طور عمده در چين ، افريقاي جنوبي ، آرژانتين و آمريكا به كار مشغولند .

پمپ هاي آب بادي به وسيله توربين هاي پرپره كلاسيك با دور كم و ترك بالا كار مي كنند .

به طور كلي در مورد استفاده از انرژي بادي ، تاكيد بر توربين هاي بادي مولد برق براي اتصال به شبكه خواهد بود ، زيرا اين كاربرد انرژي بادي مي تواند سهم مهمي در تامين برق مصرفي جهان داشته باشد .

تخمين زده مي شود در سال 2020 ميلادي سهم انرژي بادي در تامين انرژي جهان با قدرت مجموع توربين هاي بادي GW 180 حدود TWh 375 در سال باشد . در قالب ضرورت هاي زيست محيطي اين سهم ممكن است در سال 2020 به حدود Twh 900 با قدرت مجموع توربين هاي بادي GW 470 افزايش يابد .

استعداد نهايي انرژي بادي به عنوان يك منبع انرژي دراز مدت تقريبا دو برابر مصرف انرژي فعلي جهان تخمين زده مي شود .

 

تامين آب مورد نياز دام در مراتع كشور از عواملي است كه نقش مهمي در پراكندگي صحيح دام داشته و مي تواند از راه پيمايي احشام براي دستيابي به آب كه سبب كاهش وزن دام مي شود جلوگيري كند .

استفاده از تلمبه هاي بادي براي تهيه و ذخيره كردن آب يكي از روش هاي ساده و اقتصادي است به همين منظور سازمان جنگل ها و مراتع كشور در سال 1348 اقدام به خريد يك دستگاه تلمبه بادي از كارخانه «سورترن كراس » استراليا كرد كه در سال 1349 در منطقه زرند ساوه نصب گرديد .

اين سازمان در سال 1350 اقدام به نصب سه دستگاه ديگر از اين تلمبه ها در منطقه فارس نمود . براي نصب و بهره برداري از اين تلمبه هاي بادي تعدادي از كارشناسان و كمك كارشناسان سرجنگلداري ها آموزش عملي را فرا گرفتند و از آن تاريخ تعدادي از اين تلمبه ها در نقاط مختلف كشور توسط كادر دفتر فني مرتع نصب گرديده است .

بعد از انقلاب اسلامي به منظور قطع وابستگي و حمايت از صنعتگران ايراني ، با پيگيري دفتر فني مرتع ، تلمبه هاي بادي 8 فوتي ( قطره دايره گردش 8 فوت معادل 4/2 متر ) كه قادر است آب را از عمق 30 متري بالا بكشد ، در ايران ساخته شده و مورد بهره برداري قرار گرفته است .

 

يكي از انواع تلمبه هايي كه مستقيما با نيروي باد در مزارع كار مي كند ، در شكل 99 نشان داده شده است . چنانكه ملاحظه مي شود يك توربين بادي پرپره روي برج مرتفعي نصب شده است و نيروي مكانيكي خود را به وسيله يك محور قائم به پيستون تلمبه براي كشيدن آب از چاه منتقل مي كند آب اين چاه به مصرف منازل روستايي و آبياري و نيز ذخيره كردن براي مواقع ضروري خواهد رسيد .

1- دم اين توربين به شكل باله است و براي در جهت باد قرار دادن توربين به كار مي رود در بادهاي شديد براي جلوگيري از خسارت ديدن توربين ،‌اين باله به طور خودكار كج شده و سطح آن موازي سطح چرخش پره ها قرار مي گيرد و سبب مي شود توربين اصلي در بالاي برج حول محور قائم چرخيده و سطح چرخش پره ها موازي جهت باد قرار گيرد . در اين حالت پره هاي توربين نيرويي از باد نگرفته و توربين در وضع OFF ، SHUT يعني توقف است .

الف : آبكشي از چاه – ضريب يكپارچگي

شكل 99 يك توربين بادي را كه بيشتر در مزارع براي آبكشي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

ديسك پره هاي توربين مزرعه اي تقريبا يكپارچه پوشيده از پره هاست (پرپره ) نسبت سطح پره هاي توربين بادي به سطحي كه توسط اين پره ها هنگام چرخش جارو مي‌شود ،‌ضريب يكپارچگي نام دارد . اين ضريب براي دو نوع توربيني كه ذكر شد نزديك به 1 است .

ضريب يكپارچگي =

سطح پره هاي توربين بادي تقسیم بر

سطح جارو شده توسط پره هاي توربين بادي

نيروي باد را مي توان به نيروي برق تبديل كرد . ژنراتورهاي برق به اين ترتيب كار مي كنند كه مغناطيسي را مقابل سيم پيچي به حركت در مي آورند . در حال حاضر دو روش براي توليد الكتريسيته وجود دارد .

-        حركت دادن يك مغناطيس قوي با سرعت كم از مقابل يك سيم پيچ بزرگ.

-        حركت دادن يك مغناطيس با سرعت زياد از مقابل يك سيم پيچ كوچك .

بيشتر ژنراتورهاي امروزي با اين دو روش تواماً كار مي كنند . براي اينكه ژنراتوري كه مغناطيس آن حدود 300 پوند (136 كيلوگرم ) وزن داشته باشد . همين مقدار برق را مي توان با ژنراتور كوچكي كه حدود 50 پوند (5/22 كيلوگرم ) وزن دارد ، با 2000 دور در دقيقه ( سرعت زياد ) توليد نمود . روي اين اصل مي بينيم يك توربين بادي كم پره با وزن كم و در نتيجه قيمت ارزان ، با ضريب يكپارچگي كوچك و سرعت زياد مقدار قابل توجهي برق توليد مي كند .

در توربين هاي بادي نسبت سرعت محيطي نوك پروانه گردان ( سرعت خطي ) به سرعت باد ، « ضريب سرعت نوك » نام دارد . اگر سرعت باد 20 مايل در ساعت (32 كيلومتر درساعت ) و سرعت خطي نوك پروانه گردان توربين نيز 20 مايل در ساعت باشد «          ريب سرعت نوك » برابر 1 خواهد بود .

فرض كنيم سرعت محيطي نوك پروانه توربين بادي 200 مايل در ساعت (320 كيلومتر در ساعت ) و سرعت بادي كه اين توربين را به حركت در مي آورد 20 مايل در ساعت باشد « ضريب سرعت نوك » در اين مورد برابر 10 خواهد شد . توربين هاي بادي با « ضريب يكپارچگي » كوچك داراي « ضريب سرعت نوك » بزرگتر از 1 هستند و اين ضريب براي آنها معمولا بين 5 تا 10 است .

اكنون ديده مي شود ارتباطي بين « ضريب سرعت نوك » كه معياري از سرعت توربين (R.P.M) است با « ضريب يكپارچگي» آن وجود دارد .

 

1- پمپ هاي بادي آبكشي جهت تامين آب آشاميدني حيوانات در مناطق دور افتاده

2- آبياري در مقياس كم

3- آبكشي از عمق كم جهت پرورش آزيان

4- تامين آب مصرفي خانگي

5- كاربرد توربين هاي بادي كوچك به عنوان توليد كننده برق

6- تامين برق جزيره هاي مصرف

7- شارژ باطري