پایان نامه بهره برداری از انرژی باد و نیروگاه های بادی
مقدمه
گستردگي نياز انسان به منابع انرژي همواره از مسائل اساسي مهم در زندگي بشر بوده و تلاش براي دستيابي به يك منبع تمام نشدني انرژي از آرزوهاي ديرينه انسان بوده است ، از نقوش حك شده برديوار غارها مي توان دريافت كه بشر اوليه توانسته بود نيروي ماهيچه اي را به عنوان يك منبع انرژي مكانيكي به خوبي شناخته و از آن استفاده كند. ولي از آنجايي كه اين نيرو بسيار محدود و ضعيف است انسان همواره درتصورات خود نيرويي تمام نشدني را جستجو مي كرد كه همواره درهر زمان و مكان دردسترس باشد. اين موضوع را مي توان در داستان هاي مختلف كه ساخته تخيل و ذهن بشر نخستين بوده ، به خوبي دريافت، كم كم با پيشرفت تمدن بشري، چوب و پس از آن ذغال سنگ ، نفت و گاز وارد بازار انرژي گرديده اند. اما بدليل افزايش روزافزون نياز به انرژي و محدوديت منابع فسيلي ازيك سو افزايش آلودگي محيط زيست ناشي از سوزاندن اين منابع از سوي ديگر استفاده از انرژي هاي تجديدپذير را روزبه روز با اهميت تر و گسترده تر نموده است.
انرژي باد يكي از انواع اصلي انرژي هاي تجديدپذير مي باشد كه ازديرباز ذهن بشر را به خود معطوف كرده بود به طوري كه وي همواره به فكر كاربرد اين انرژي در صنعت بوده است. بشر ازانرژي باد براي به حركت درآوردن قايق ها و كشتي بادبادني و آسياب هاي بادي استفاده مي كرده است. در شرايط كنوني نيز با توجه به موارد ذكر شده و توجيه پذيري اقتصادي انرژي باد درمقايسه با ساير منابع انرژي هاي نو، پرداختن به انرژي باد امري حياتي و ضروري به نظر مي رسد. دركشور ما ايران، قابليت ها و پتانسيل هاي مناسبي جهت نصب و راه اندازي توربين هاي برق بادي وجود دارد، كه با توجه به توجيه پذيري آن و تحقيقات، مطالعات و سرمايه گذاري كه دراين زمينه صورت گرفته ، توسعه و كاربرد اين تكنولوژي چشم انداز روشني را فرا روي سياست گذاران بخش انرژي كشور دراين زمينه قرار داده است.
1-1- انرژي باد
انرژي باد نظير ساير منابع انرژي تجديدپذير از نظر جغرافيايي گسترده و درعين حال به صورت پراكنده و غيرمتمركز و تقريباً هميشه دردسترس مي باشد، انرژي باد طبيعتي نوساني و متناوب داشته و وزش دائمي ندارد. هزاران سال است كه انسان با استفاده از آسياب هاي بادي ، تنها جزء بسيار كوچكي از آن را استفاده مي كند. اين انرژي تا پيش از انقلاب صنعتي بعنوان يك منبع انرژي ، به طور گسترده اي مورد بهره برداري قرار مي گرفت، ولي در دوران انقلاب صنعتي ، استفاده از سوخت هاي فسيلي بدليل ارزاني و قابليت اطمينان بالا، جايگزين انرژي بادشد. دراين دوره ، توربين هاي بادي قديمي ديگر ازنظر اقتصادي قابل رقابت با بازار انرژي هاي نفت و گاز نبودند. تا اينكه در سال هاي 1973 و 1978 دو شركت بزرگ نفتي ، ضربه بزرگي به اقتصاد انرژي هاي حاصل از نفت و گاز وارد آورد. به اين ترتيب هزينه انرژي توليد شده بوسيله توربين هاي بادي ، درمقايسه با نرخ جهاني قيمت انرژي بهبود يافت. پس از آن مراكز و مؤسسات تحقيقاتي و آزمايشگاهي متعددي در سراسر دنيا به بررسي تكنولوژي هاي مختلف جهت استفاده از انرژي باد به عنوان يك منبع بزرگ انرژي پرداختند. به علاوه اين بحران باعث ايجد تمايلات جديدي در زمينه كاربرد تكنولوژي انرژي باد جهت توليد برق متصل به شبكه ، پمپاژ آب و تامين انرژي الكتريكي نواحي دورافتاده شد.
همچنين درسال هاي اخير، مشكلات زيست محيطي و مسائل مربوط به تغيير آب و هواي كره زمين به علت استفاده از منابع انرژي فسيلي بر شدت اين تمايلات افزوده است . از سال 1975 پيشرفت هاي شگرفي درزمينه توربين هاي بادي درجهت توليد برق به عمل آمده است . درسال 1980 اولين توربين برق بادي متصل به شبكه سراسري نصب گرديد. بعد از مدت كوتاهي اولين مزرعه برق بادي چند مگاواتي در آمريكا نصب و به بهره برداري رسيد. درپايان سال 1990 ظرفيت توربين هاي برق بادي متصل به شبكه در جهان به MW200 رسيد كه توانايي توليد سالانه Gwh 3200 برق را داشته كه تقريباً تمام اين توليد مربوط به ايالت كاليفرنيا آمريكا و كشور دانمارك بود. امروزه كشورهاي ديگر نظير هلند ،آلمان ، بريتانيا ، و هندوستان برنامه هاي ملي ويژه اي را در جهت توسعه و عرضه تجاري انرژي باد آغاز كرده اند.
در طي دهه گذشته ، هزينه توليد انرژي به كمك توربين هاي بادي بطور قابل ملاحظه اي كاهش يافته است. درحال حاضر توربين هاي بادي از كارآيي و قابليت اطمينان بيشتري درمقايسه با 15 سال پيش برخوردارند. با اين همه استفاده وسيع از سيستم هاي مبدل انرژي باد (WECS) هنوز آغاز نگرديده است. در مباحث مربوط به انرژي باد، بيشتر تاكيدات بر توربين هاي بادي مولد برق جهت اتصال به شبكه است زيرا اين نوع از كاربرد انرژي باد مي تواند سهم مهمي در تامين برق مصرفي جهان داشته باشد. براساس برنامه سياست هاي جاري (CP) ، تخمين زده مي شود كه سهم انرژي باد درتامين انرژي جهان در سال 2020 تقريباً برابر با Twh 375 در سال خواهد بود. اين ميزان انرژي با استفاده از توربين هاي بادي ، به ظرفيت مجموع Gwh 180 توليد خواهد گرديد. اما درقالب برنامه ضرورت هاي زيست محيطي (ED) سهم اين انرژي در سال 2020 بالغ بر Twh 970 درسال خواهد بود، كه با استفاده از توربين هاي بادي به ظرفيت مجموع GW 470 توليد خواهد شد. بطور كلي با استفاده ازانرژي باد ، به عنوان يك منبع انرژي دردرازمدت مي توان دو برابر مصرف انرژي الكتريكي فعلي جهان را تامين كرد.
1-2- تاريخچه استفاده ازانرژي باد
بشر از زمان هاي بسيار دور به نيروي لايزال باد پي برده و سال ها بود كه از اين انرژي براي به حركت درآوردن كشتي ها و آسياب هاي بادي بهره مي گرفت. طي ساليان دراز ثابت شده است كه مي توان انرژي باد را به انرژي مكانيكي و يا انرژي الكتريكي تبديل كرد و مورد استفاده قرار داد. منابع تاريخي نشان مي دهند كه ساخت آسياب ها در ايران ، عراق ، مصر و چين قدمت باستاني داشته و در اين تمدن ها، از آسياب هاي بادي براي خرد كردن دانه ها وپمپاژ آب استفاده مي شده است. چنانچه از شواهد تاريخي بر مي آيد، درقرن 17 قبل از ميلاد، هامورابي پادشاه بابل طراحي ارائه داده بود تا بتوان به كمك آن دشت حاصلخيز بين النهرين را توسط انرژي حاصل از باد آبياري نمود. آسياب هايي كه در آن زمان شناخته مي شدند ازنوع ماشين هاي محور قائم و شبيه به آنهايي هستن كه امروزه آثار آنها درنواحي خواف و تايباد ايران به چشم مي خورد. ايرانيان اولين كساني بودند كه در حدود 200 سال قبل از ميلاد مسيح براي آرد كردن غلات از آسياب هاي بادي با محور قائم استفاده كردند.
1-3- منشاء باد
هنگامي كه تابش خورشيد به طور نامساوي به سطوح ناهموار زمين مي رسد سبب ايجاد تغييرات در دما و فشار مي گردد و در اثر اين تغييرات باد به وجود مي آيد. همچنين اتمسفر كره زمين به دليل حركت وضعي زمين ، گرما را از مناطق گرمسيري به مناطق قطبي انتقال مي دهد كه اين امر باعث بوجود آمدن باد مي گردد. جريانات اقيانوسي نيز به صورت مشابه عمل نموده و عامل 30% انتقال حرارت كلي در جهان مي باشند. در مقياس جهاني این جريانات اتمسفري به صورت يك عامل قوي جهت انتقال حرارت و گرما عمل مي نمايند. دوران كره زمين نيز مي تواند دربرقراري الگوهاي نيمه دائم جريانات سياره اي در اتمسفر ، انرژي مضاعف ايجاد نمايد. پس همانطور كه عنوان شد باد يكي از صورت هاي مختلف انرژي حرارت خورشيدي مي باشد كه داراي يك الگوي جهاني نيمه پيوسته مي باشد. تغييرات سرعت باد، ساعتي، روزانه و فصلي بوده و متاثر از هوا و توپوگرافي سطح زمين مي باشد. بيشتر منابع انرژي باد در نواحي ساحلي و كوهستاني واقع شده اند.
1-4- توزيع جهاني باد
بطور كلي جريان باد در جهان داراي دو نوع توزيع مي باشد :
1-4-1- جريان چرخشي هادلي (Hadly)
بين عرض هاي جغرافيايي 30 درجه شمالي و 30 درجه جنوبي ، هواي گرم شده دراستوا به بالا صعود كرده و هواي سردتري كه از شمال و جنوب مي آيد جايگزين آن مي شود. اين جريان را چرخش هادلي مي نامند. درسطح زمين اين جريان بدين معني است كه بادهاي سرد به اطراف استوا مي وزند و ازطرف ديگر هوايي كه در 30 درجه شمالي و 30 درجه جنوبي به پائين مي آيد خيلي خشك است و به دليل آنكه سرعت دوران زمين دراين عرض هاي جغرافيايي به مراتب كمتر از سرعت دوران زمين دراستوا است ، به سمت شرق حركت مي كند. معمولاً دراين عرض هاي جغرافيايي نواحي بياباني مانند صحرا قرار دارند .
1-4-2- جريان چرخشي راسبي (Rossby)
بين عرض هاي جغرافيايي 30 درجه شمالي (جنوبي) و 70 درجه شمالي (جنوبي) عمدتاً بادهاي غربي در جريان هستند. اين بادها تشكيل يك چرخش موجي را مي دهند و هواي گرم سرد را به جنوب و هواي گرم را به شمال انتقال مي دهند. اين الگو را جريان راسبي مي نامند.
1-5- اندازه گيري پتانسيل انرژي باد
پتانسيل انرژي باد به عنوان يك منبع قدرت در مناطق مختلف و بر اساس اطلاعات موجود درمورد منابع باد قابل دسترس درهر منطقه مورد مطالعه قرار گرفته است. پتانسيل مربوط به منابع باد به طور كلي به پنج دسته تقسيم مي شوند:
- پتانسيل هواشناسي
اين پتانسيل بيانگر منبع انرژي باد در دسترس مي باشد.
- پتانسيل محلي
اين پتانسيل بر مبناي پتانسيل هواشناسي بنا شده ولي محدود به محل هايي است كه از نظر جغرافيايي براي توليد انرژي در دسترس هستند.
- پتانسيل فني
اين پتانسيل با درنظر گرفتن نوع تكنولوژي دردسترس (كارايي، اندازه توربين و…) از پتانسيل محلي محاسبه مي شود.
- پتانسيل اقتصادي
اين پتانسيل ، استعداد بالقوه فني است كه به صورت اقتصادي و برپايه سياستهاي اقتصادي قابل تحقيق و اجراست.
- پتانسيل اجرایی
اين پتانسيل با درنظر گرفتن محدوديت ها وعوامل تشويقي براي تعيين ظرفيت توربين هاي بادي قابل اجرا در يك محدوذه زماني خاص تعيين مي شود.مانند تعرفه هاي تشويقي كه طبق سياست هاي دولت ها به توليد كنندگان انرژي برق بادي حاصل از توربين هاي بادي تخصيص داده مي شود.
1-6- قدرت باد
انرژي جنبشي بادهمواره متناسب با توان دوم سرعت باد است هنگامي كه باد به يك سطح برخورد مي كند انرژي جنبشي از آن به فشار (نيرو) روي سطح تبديل مي شود. حاصلضرب نيروي باد در سرعت باد مساوي قدرت باد مي شود نيروي باد متناسب با مربع سرعت باد است پس قدرت باد متناسب با مكعب سرعت باد خواهد بود. بنابراين هرچه سرعت باد بيشتر باشد قدرت آن نيز بيشتر خواهد شد. مثلاً اگر سرعت باد دو برابر شود قدرت آن هشت برابر و اگر سرعت باد سه برابر گردد قدرت باد بيست و هفت برابرخواهد شد.
1-7- روند تحولات تكنولوژي
انرژي باد درسال هاي اخير بزرگترين شركت هاي سازنده توربين هاي بادي درجهان درحال حاضر شركت وستايش، شركت انركون و شركت NEG مايكون هستند كه به ترتيب 3/23 و 6/14 و 4/12 درصد از بازار جهان را دراختيار دارند. اطلاعاتي كه از بررسي بازار تكنولوژي باد در آلمان به عنوان كشوري پيشتاز در صنعت باد جهان بدست آمده ، بيانگر روند تحولات اين صنعت درسال هاي اخير مي باشد و لذت و توجه به داده ها در پيش بيني هاي مربوط به آينده اين انرژي سودمند خواهد بود. ميانگين ظرفيت هرتوربين بادي نصب شده در آلمان تقريباً 900 كيلو وات است ، اما اگر فقط توربين هاي نصب شده در نيمه اول سال 2003 را درنظر بگيريم ، ميانگين ظرفيت توربين هاي جديد 1560 كيلووات . لذا روند آشكاري از افزايش سايز توربين هاي بادي مدرن قابل مشاهده است. دربازار توربين هاي بادي 58 مدل توربين وجود دارد كه از اين 58 مدل فقط 4 مدل آن بدون گيربكس هستند كه روي سايزهاي متوسط و بزرگ آزمايش شده اند. اما 54 مدل ديگر (شامل سايزهاي متوسط، بزرگ و خيلي بزرگ) هنوز از گيربكس استفاده مي كنند. بنابراين توربين هاي بدون گيربكس هنوز در ابتداي راه هستند و وضعيت آنها پس از سال ها تجربه و بهره برداري روشن خواهد شد. درگذشته توربين هاي بادي با يك سرعت دوراني ثابت (دور روتور) كار مي كردند ، اما مدل هاي امروزي تقريباً سيستم يك ساعته را كنار گذاشته و به سيستم هاي دو سرعت يا سرعت متغير روي آورده اند.
1-8- مزاياي بهره برداري از انرژي باد
انرژي باد نيز مانند ساير منابع انرژي تجديد پذير از ويژگي ها و مزاياي بالاتري نسبت به ساير منابع انرژي برخوردار است كه اهم اين مزايا عبارتند از:
- عدم نياز به توربين هاي بادي به سوخت، كه درنتيجه از ميان مصرف سوخت هاي فسيلي مي كاهد.
- رايگان بودن انرژي باد .
- توانايي تامين بخشي از تقاضاي انرژي برق.
- كمتر بودن نسبي قيمت انرژي حاصل از باد نسبت به انرژي هاي فسيلي.
- كمتر بودن هزينه هاي جاري و هزينه سرمايه گذاري انرژي باد دربلند مدت.
- تنوع بخشيدن به منابع انرژي و ايجاد سيستم پايدار انرژي.
- قدرت مانور زياد، جهت بهره برداري در هرظرفيت و اندازه (از چند وات تا چندين مگاوات).
- عدم نياز به آب.
- عدم نياز به زمين زياد براي نصب.
- نداشتن آلودگي محيط زيست نسبت به سوخت هاي فسيلي.
- افزايش قابليت اطمينان درتوليد انرژي برق.
- ايجاد اشتغال.
1-9- آينده انرژي باد درايران
بازارتامين كننده انرژي يك بازار رقابتي است كه در آن توليد برق از نيروگاه هاي بادي درمقايسه با نيروگاه هاي سوخت فسيلي برتري هاي جديدي پيش روي دست اندركاران بخش انرژي قرار داده است. همچنين فعاليت گسترده تعدادي از كشورهاي جهان براي توليد الكتريسيته از انرژي باد ، سرمشقي براي ديگر كشورهايي است كه دراين زمينه راه درازي در پيش دارند. بسياري از منابع اقتصادي در حال رشد ، درمنطقه آسيا واقع شده اند. افزون براين موارد ، نبود شبكه برق سراسري در بسياري از بخش هاي روستايي در كشورهاي آسيايي، مهر تائيدي بر سيستم هاي توليد الكتريسيته از انرژي باد زده است. درخصوص دورنماي آينده اقتصادي استفاده از انرژي باد درايران مي بايست گفت استفاده ازاين انرژي موجب صرفه جويي فرآورده هاي نفتي به عنوان سوخت مي شود. صرفه جويي حاصله دردرجه اول موجب حفظ فرآورده هاي نفتي گشته كه امكان صادرات و مهمتر اينكه تبديل آن را به مشتقات بسيار زياد پتروشيمي با ارزش افزوده بالا فراهم مي سازد. دردرجه دوم توليد الكتريسيته ازاين انرژي فاقد هرگونه آلودگي زيست محيطي بوده كه همين عامل كمك شاياني به حفظ طبيعت زيست بشري نموده و درنتيجه مسير براي نيل به توسعه پايدار اقتصادي اجتماعي فراهم مي گردد.
1-10- انرژي باد و محيط زيست
گسترش روز افزون نياز به انرژي و محدوديت منابع فسيلي ، افزايش آلودگي محيط زيست ناشي از سوزاندن اين منابع ، بحث گرم شدن هوا و اثرات پديده گلخانه اي ، ريزش باران هاي اسيدي و ضرورت متعادل نمودن نشر CO2 همگي لزوم صرفه جويي در مصرف سوخت هاي فسيلي و توجه مضاعف به استفاده از منابع انرژي تجديدپذير را ايجاب مي كند. دربين انرژي هاي تجديدپذير، انرژي باديكي از اقتصادي ترين روش هاي توليد برق است كه آلودگي محيط زيست را در پي نداشته و پايان ناپذير نيز مي باشد. طبق آمار موجودتوليد هر كيلووات ساعت انرژي الكتريكي ازباد مي تواند از انتشار حدود يك كيلوگرم CO2 در مقايسه با نيروگاه هاي سوخت فسيلي جلوگيري نمايد. بطوركلي با جايگزيني انرژي برق بادي بجاي انرژي برق توليدي از نيروگاه هاي سوخت فسيلي مي توان ازانتشار گازهاي گلخانه اي كاست. بعنوان نمونه درمنطقه منجيل هرتوربين 500 كيلووات درسال حداقل 00/500/1 كيلووات ساعت انرژي برق توليد مي نمايد كه باعث كاهش آلاينده هاي محيط زيست به مقدار زير خواهد گرديد :
150= خاك
82500 = خاكستر
درزماني كه برق مورد نياز شبكه توسط توربين هاي برق بادي تزريق مي شود برق توليدي ساير نيروگاه ها كاهش يافته و ازاين رو درمصرف سوخت فسيلي اين نيروگاه ها صرفه جويي مي گردد. كه با توجه به ميزان تزريق برق بادي به شبكه ، ازانتشار آلاينده هاي محيط زيست كاسته خواهد شد. از طرف ديگر مي توان به جاذبه هاي طبيعي و چشم انداز سيستم هاي انرژي بادي كه درمعرض ديد افراد قرار مي گيرند اشاره كرد كه نمادي از انرژي پاك براي مردم تلقي مي گردند. درضمن از سطح زميني كه براي احداث مزرعه برق بادي اختصاص مي يابد 99% آن قابل استفاده مي باشد. گرچه پره هاي توربين هاي بادي نوعاً بيشتراز 10 مترقطر دارند اما از آنجا كه درارتفاع بالاتر از 20 متري قرار مي گيرند ، اجازه فعاليت هاي كشاورزي ودامپروري تا كنار برج توربين ها همچنان فراهم است و شواهد مؤيد اين است كه حيوانات اهلي و وحشي اطراف مزارع بادي نيز متحمل اثر سوئي ازجانب اين مزارع نمي گردند. همچنين مطالعات دركشورهاي پيشرو اين تكنولوژي نشان مي دهد كه تنها حدود يك درصد از كل سطح مزارع بادي توسط خود اين توربين ها اشتغال مي شوند. درنتيجه با توجه به موارد فوق الذكر انرژي بادي دركاهش هزينه هاي اجتماعي درمقايسه با نيروگاه هاي سوخت فسيلي كه دربرگيرنده اثرات برونزايي منفي مي باشند توجيه پذير بوده و برق حاصل از آن مي توان بعنوان يك انرژي پايدار درتوسعه اقتصادي ، اجتماعي و فرهنگي كشور مورد استفاده قرار گيرد.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.