طراحی خلاقانه و کاربردی هفت مدل توربین بادی

طبق اعلام انجمن بین المللی انرژی در هفته گذشته، برای اولین بار در جهان تولید منابع انرژی تجدیدپذیر تحت الشعاع منابع فسیلی قرارگرفت. در این میان انرژی بادی درصد زیادی از منابع انرژی های تجدیدپذیر را به خود اختصاص داد و همینطور با وجود  نوآوری‌های فناورانه اخیر در طراحی توربین بادی، این حوزه سریع ترین رشد را در زمینه انرژی پاک دارد. با تکنولوژی تصحیح شده امروزی، مهندسان دستگاه های جدیدی را ایجادکردند که کارآمد و برای پرندگان امن هستند. بعضی از توربین های انرژی بادی در شرایط عدم وزش باد انرژی تولید می کنند. 

اولین توربین بادی گردبادی در جهان

اولین توربین بادی در جهان توسط آتسوشی شیمیزو به منظور استفاده بهینه از انرژی موجود، در طوفان های معمول، در ژاپن اختراع شد. او انرژی ذخیره شده در هر طوفان را معادل تولید توان برای 50 سال تخمین زد. توربین بادی اختراع شده توسط شیمیزو (توربین بادی محور عمودی با ژنراتور) به اندازه کافی قوی است که در مقابل طوفان تحمل داشته باشد. آزمون‌های زیادی با استفاده از مدل های مشابه نمونه اصلی، برای ژنراتور توربین باد در نظرگرفته شد و شیمیزو به منظور کمک به ساخت نمونه  های عملی بزرگتر و امید به این که روزی انرژی حاصل از طوفان به شبکه برق برسد، با سرمایه گذارها ارتباط برقرار کرد. 

توربین بادی-آبی هیبریدی

چگونه توربین بادی هنگامی که بادی وجود ندارد برق تولید می‌کند؟ توربین های معمول این قابلیت را ندارند، اما در یک پروژه  جدید از مکس بوگل ، توربین های بادی پره¬ای، با تکنولوژی محرکه آبی، به عنوان اولین توربین آبی بادی هیبریدی جهانی بدل شد. پروژه در جزیره آلمانی سوابین-فرانکونین در ابتدا به صورت ترکیبی از چهار توربین با ظرفیت 13.6 مگاوات شروع به کار کرد. فاز اول وصل شدن به شبکه سراسری و فاز دوم رساندن نیروگاه هیدروالکتریک به ظرفیت 16 مگاوات خواهد بود که انتظار می رود این پروژه در سال 2018 تکمیل شود. 

توربین های انرژی بادی شناور آکنده از هلیوم

اگرچه بسیاری از پروژه های بادی در زمین و در دریا نصب می شوند، برخی نوآوری ها، توربین های انرژی بادی را در ارتفاع بلند در آسمان، جایی که سرعت باد زیاد است، قرار می دهند. اولین توربین بادی هوابرد در سال 2014 در منطقه ای درآلاسکا به هوا فرستاده شد. شبیه به یک بالون هوایی بزرگ که با هلیوم در هوا نگه داشته شده است. توربین هوابرد شناور توسط شرکت MIT در ارتفاع 1000 فوت طراحی و ساخته شد که جریان باد را با قدرت حدود 5 تا 8 برابر توربین در سطح زمین می گیرد. تجربه 18 ماهه منجر به تولید انرژی برای 12 خانوار شد. به دلیل قرارگیری در ارتفاع بلند، این سیستم ها قابلیت ارسال سیگنال های وای فای را دارد.

توربین بادی گردابی بدون پره

در هر برج دسته ای از دیسک های سرامیکی حاوی پیزوالکتریک وجوددارد. بین دیسک های سرامیکی الکترودها هستند. الکترودها با یکدیگر در ارتباطند. کابلی الکترودهای زوج و کابلی دیگر الکترودهای فرد را به هم مرتبط می سازد. زمانی که باد قطب ها را به نوسان در می آورد، دسته دیسک های پیزوالکتریک در هم فشرده شده و باعث تولید انرژی میشوند. 

توربین های بادی ذره بینی

محققان ژاپنی راهی ساده به منظور تولید توربین های بادی کشف کردند که سه برابر توربین های عادی کارآمد هستند. با قرار دادن تجهیزاتی عدسی شکل در اطراف پره های توربین، ادعا کردند که انرژی بادی نسبت به نوع هسته ای ارزان تر می شود. 

توربین های محور عمودی

این توربین ها دارای ارتفاع30 فوت و پهنای4 فوت هستند که برای محدودیت های شهری با این ارتفاع طراحی شده اند. به سبب طراحی توربین با محور عمودی، سطوح صدا 6 دسی بل بالاتر از محدوده مجاز مورد آزمایش قرارگرفت. همچنین این توربین‌ها قابلیت تولید 2000 کیلووات ساعت در سال با سرعت باد میانگین 11 مایل بر ساعت را دارند. 

ابزاری برای سنجش عملکرد نیروگاه بادی و نیروگاه خورشیدی

اخیرا محققان موفق به ساخت ابزاری توانمند شدند که قادر است بصورت آنلاین انرژی تولیدی در مزرعه انرژی بادی و انرژی خورشیدی را تخمین بزند. هدف از ساخت این ابزار، پیش‌بینی راحت خروجی منابع انرژی های تجدیدپذیر  در دو حوزه‌ی  آکادمیک و صنعت است. از این تکنولوژی قبلا در دانشگاه‌های زوریخ سوئیس و امپریال کالج لندن و دیگر دانشگاه های معتبر سراسر دنیا، به منظور تخمین انرژی بادی و خورشیدی کمک گرفته شده است. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که میانگین معیار ظرفیت در قاره‌ی اروپا حدود 24% است که معادل حدود 4/1 برابر تولید انرژی بادی سالانه در صورت وزش بی‌وقفه‌ی باد در طول روز است. 
مطالعات نشان می‌دهد که به دلیل ظهور مزارع بادی جدید با بهره‌گیری از توربین با طول هاب بلند نسبت به سطح زمین، جایی که سرعت باد زیاد است این ظرفیت تا حدود 31% افزایش می یابد. انرژی‌ بادی و انرژی خورشیدی شدیدا به وضعیت هوا  وابسته‌اند و این مسئله به دلیل سازگاری سیستم‌های قدرت با یکدیگر سخت خواهد بود. چنانچه توان اضافی با تمام منابع انرژی تولید شود، می بایستی برخی از تجهیزات کنار گذاشته‌ شوند. این ابزار، از اطلاعات آب و هوایی شبیه سازی شده ظرف مدت 30 سال از شرکت هایی همچون ناسا استفاده کرد تا سرعت جریان باد را پیش بینی کند. این قابلیت توان محاسبه و تخمین قدرت خروجی توربین را در هر نقطه نشان می‌دهد اما مدل کردن توان‌های خورشیدی و بادی به دلیل وابستگی به سیستم‌های پیچیده‌ی هوایی سخت است، به این دلیل که گرفتن اطلاعات، ساخت مدل ابزار شبیه سازی شده و کنترل راه‌اندازی سیستم وقت و تلاش زیادی می‌برد. در حالت کلی این ابزار به ما اجازه می دهد تا به سوال‌های مهم در مورد ساختار انرژی تجدیدپذیر در آینده پاسخ دهیم و امید می رود دیگران به منظور امتحان فرصت ها و چالش‌های انرژی در آینده از این ابزار به درستی استفاده کنند. 

بهره گیری از انرژی های تجدیدپذیر در بخش ساختمان

میزان بزرگی از انرژی تولیدی در کشور در ساختمان‌ها و به منظور تولید شرایط آسایش دمایی هزینه می‌شود. این امر نه تنها هزینه زیادی را به اقتصاد برای تولید این انرژی تحمیل می‌کند، بلکه از قدرت صادرات کشور در زمینه انرژی نیز می‌کاهد، چراکه بخش زیادی از تولید در داخل مصرف می‌شود. این درحالیست که بخش قابل توجهی از این سرمایه، در اثر کم‌توجهی به بحث بهینه‌سازی سیستم‌های تاسیسات مکانیکی به هدر می‌رود. 
ایران به دلیل  قرار داشتن در منطقه جغرافیایی با طول و عرض تقریباً برابر، بدون تردید یکی از منحصربه‌فردترین کشورهای جهان برای استفاده از انواع انرژی های نو و انرژی های تجدیدپذیر به شمار می‌رود. 
امروزه انرژی های نو در سراسر جهان به‌سرعت در حال گسترش هستند. پاک بودن و ارزانی را می‌توان دو ویژگی اصلی تولید انرژی های نو برشمرد به‌طوری‌که این انرژی‌ها به دلیل بهره‌وری بالا به‌خوبی توانسته‌اند در بسیاری نقاط جای خالی انرژی‌های فسیلی را پر کنند. در این میان ایران قابلیت‌های فراوانی برای استفاده از انرژی  باد و  انرژی خورشید دارد و در کنار دیگر انرژی های تجدیدپذیر می‌توان با اتکا به انرژی حاصل از باد و خورشید مقادیر قابل‌ملاحظه‌ای برق را تولید کرد. کارشناسان انرژی بر این باورند که انرژی‌های نو در ادامه قرن بیست‌و یکم باید جایگزین منابع معمول انرژی مانند نفت و گاز شوند تا از مصرف بی‌رویه فرآورده‌های هیدروکربوری کاسته شده و استفاده از انرژی‌ در آینده متکی به ساختاری باشد که در آن منابع انرژی بدون کربن نظیر انرژی خورشید یا باد مورد استفاده قرار گیرند. 
علاوه بر این با درنظر داشتن برنامه حذف یارانه‌ی پرداختی دولت در بخش انرژی و سوخت، از این پس این هزینه به مصرف‌کنندگان تحمیل خواهد شد و بخش بزرگی از سبد هزینه خانوار را تشکیل خواهد داد. بدین ترتیب، کاهش مصرف سوختاز طریق بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان علاوه بر رشد اقتصاد ملی باعث کاهش هزینه‌های خانوار و بهبود استاندارد زندگی افراد نیز خواهد شد. هم‌چنین بهره‌گیری از این انرژی ضمن کاهش هزینه‌های پرداختی بابت انرژی مصرف شده، با کاهش ظرفیت سیستم‌های موجود در ساختمان‌ها، هزینه‌ی اولیه مربوط به سرمایه‌گذاری جهت خرید این تجهیزات را کاهش می‌دهد. کاهش هزینه‌ها علاوه بر خرید شامل هزینه‌های تامین و نگهداری این تجهیزات نیز می‌گردد. 
از نقطه‌نظر زیست‌محیطی نیز استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر باعث کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی می‌گردد. امروزه انواع گازهای گل‌خانه‌ای حاصل از احتراق سوخت‌های فسیلی، از جمله علل اصلی آلودگی هوا و گرم‌شدن کره زمین هستند. 
بررسی‌های صورت‌گرفته در زمینه میزان مصرف انرژی در ساختمان‌ها بیانگر این واقعیت است که بخش ساختمان با مصرف بیش از 40% از کل انرژی مصرفی کشور، بالاترین سهم را در میان سایر بخش‌های مصرف‌کننده‌ی انرژی شامل صنعت، کشاورزی و حمل و نقل، به خود اختصاص داده که بسیار بالاتر از میزان استاندارد جهانی است. از این رو، ضروری است تا راهکارهایی جهت کاهش و استانداردسازی مصرف انرژی در ساختمان‌ها مطالعه، بررسی و اجرایی شود. از میان راهکارهای موجود، استفاده از انرژی های تجدیدپذیر به عنوان منابع پاک و ارزان انرژی، بسیار با اهمیت هستند. 
از جمله مهم‌ترین راهکارهای قابل اجرا در زمینه‌ انرژی های تجدیدپذیر، می‌توان به بهره‌گیری از انرژی خورشیدی، بادی و زمین‌گرمایی اشاره‌کرد. انرژی خورشیدی به روش های مختلف از جمله آب‌گرمکن خورشیدی، سیستم‌های فتوولتائیک، یخچال و پمپ حرارتی خورشیدی، سرمایش و گرمایش غیرفعال خورشیدی و .... مورد استفاده قرار می‌گیرد. انرژی باد عمدتاً در توربین‌های بادی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. انرژی زمین‌گرمایی نیز به صورت نیروگاه‌های زمین‎‌گرمایی و پمپ حرارتی زمین‌گرمایی مهار و استخراج می‌گردد. 
بهره‌گیر‌ی از این راهکارها درصد بالایی از هزینه مصرف انرژی ساختمان را می‌کاهد. از سوی دیگر، هزینه‌های این گونه اقدامات، در مقایسه با سایر هزینه‌های ساختمان مقدار قابل توجهی نیست. ضمن این که بخشی از هزینه‌ها با توجه به کاهش حجم تاسیسات ساختمانی جبران می‌گردد. 

روند رشد و پیشرفت فناوری توربین های بادی در سال های اخیر

ظرفیت نامی توربین بادی ، ارتفاع‌هاب و قطر روتور همگی در یک بازه بلند مدت به طرز قابل توجهی افزایش یافته است. 

ظرفیت نامی توربین بادی در ایالات متحده آمریکا در سال 2015، بطورمیانگین با بیش از 180% رشد نسبت به سال 1998-1999، حدود 2 مگاوات بود. میانگین ارتفاع هاب توربین‌های نصب شده در سال 2015 با رشد 47% نسبت به سال 1998-1999، 82 متر بوده است. میانگین قطر روتور به سرعت بیشتری نسبت به ارتفاع هاب، به عنوان دو فاکتور تاثیرگذار، در سال‌های اخیر در آمریکا افزایش یافته است. میانگین قطر روتور توربین‌ های نصب شده در سال 2015 با رشد 113% نسبت به سال 1998-1999، 102 متر بود که منجر به افزایشی معادل 335% در سطح جاروب شده روتور می‌ شود. این توسعه تکنولوژی در ارتفاع هاب و قطر روتور دو مورد از چندین فاکتور تاثیرگذار روی ظرفیت توربین بادی هستند که در ادامه مورد توجه قرار می‌گیرد. 

رشد قطر روتور موجب رشد چشمگیری در ظرفیت نامی و ارتفاع هاب در سال‌های اخیر شده است. 
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است و بطور دقیق در شکل های 2 و 3 نشان داده می‌ شود، افزایش قطر روتور در شش سال گذشته، نسبت به افزایش در ظرفیت نامی و ارتفاع هاب که هر دو یک تثبیت طولانی مدت را در سال های اخیر داشته اند، چشمگیر بوده است. 
شکل 2، نه تنها ظرفیت نامی را بطور میانگین ارائه می کند، بلکه چگونگی تغییر در نرخ ظرفیت توربین های انرژی بادی مختلف را نیز در گذر زمان نشان می‌ دهد. از سال 20111، ظرفیت نامی میانگین توربین‌ ها ثابت نگه داشته شده‌ است و سرعت این رشد بعد از سال 2006، کاهش یافته است. حال آنکه مدت شش سال‌(2000تا 2005) زمان برده ‌است تا توربین‌های کلاس مگاوات جایگزین توربین‌های کلاس زیر مگاواتی شوند. هفت سال زمان برده است(2006 تا 20012)تا توربین‌ های باد با کلاس چند مگاواتی، بازاری مشابه با توربین های کلاس مگاواتی داشته باشند. سال‌های 2013 و 2014 شاهد افت این مهم بوده ایم اما سال 2015 اولین سالی بود که توربین‌های با کلاس چند مگاوات بیشترین سهم نصب، را به خود اختصاص دادند. 

از سال 2011، ارتفاع هاب(به طور میانگین) ثابت نگه داشته شد(شکل 3). بطور کلی با کاهش رشد ارتفاع میانگین از سال 2005، توربین های بادی با برج‌های 80 متری، بازار را تسخیر کردند. برج‌های 90 متری و بالاتر شروع به نفوذ در بازار در سال 2011 کردند اگر چه این تمایل تا سال 2015 ثابت باقی ماند (معادل 15% بازار). در نتیجه شاهد برج‌هایی با ارتفاع بیشتر از 100 متر در سال 2007 بوده ایم، که این بخش، 16% از بازار در سال 2012 را به خود اختصاص داد. از سال 2012، تنها 1% (بلکه کمتر) توربین‌ های بادی دارای برج‌هایی بلند هستند که این امر شامل سال 2015 نیز می شود. 

اولین مزرعه انرژی بادی فراساحلی دارای توربین بادی با طول 73 متر

آمریکا مصرف‌کننده‌ی مقدار زیادی انرژی است. بر اساس مستندات، این مقدار به 18درصد انرژی مصرفی کل جهان می‌رسد و با توجه به افزایش میزان تقاضا به طور پیوسته بیشتر نیز می‌شود. همان‌طور که می‌دانیم بخش وسیعی از انرژی مصرفی در کشورهای مختلف از سوخت‌های فسیلی تامین می‌شود؛ منبع غیر‌قابل بازگشتی که سالانه مقادیر بسیار زیادی از گاز کربن‌دی‌اکسید را وارد هوا می‌کند. از همین‌رو مزرعه‌های انرژی بادی، به عنوان جایگزینی مناسب و امیدبخش برای تولید انرژی(به ویژه تولید برق) مورد توجه صنعتگران و تولیدکنندگان کشورهای مختلف قرار می‌گیرند. 
در این میان، توربین‌های بادی فراساحلی به دلایل مختلفی از قبیل قدرت و پیوستگی بیشتر جریان باد اقیانوسی و نیز وجود امکان نصب توربین‌هایی با اندازه‌های بزرگتر، دارای توان خروجی بالاتری هستند. برق تولیدی این نیروگاه‌ها توسط کابل‌های دفن شده در کف اقیانوس به ایستگاه‌های ساحلی و سپس به شبکه‌های توزیع برق منتقل می‌شود. 
آمریکا به عنوان کشوری پیشتاز در عرصه‌ی انرژی‌های تجدیدپذیر، از آخرین پروژه‌ی بادی خود که بزرگترین پروژه‌ در زمینه‌‌ مزرعه توربین‌های بادی فراساحلی محسوب می‌شود رونمایی کرد. 
در این پروژه، جنرال الکتریک و دیپ واتر ویند با همکاری یکدیگر، از 5 توربین بادی غول‌آسا در اولین مزرعه‌ انرژی بادی فراساحلی آمریکا با نام بلاک آیلند واقع در اقیانوس اطلس بهره‌برداری می‌کنند. 
این نیروگاه از 12دسامبر با 5 توربین با ارتفاع هر برج حدود 100 متر شروع به تولید برق در شبکه‌ی نیوانگلند کرده‌است. هر توربین شامل3 پره به طول 73 متر(معادل 2برابر طول مجسمه‌ی آزادی!) با وزن کلی 24 تن، در ماه آگوست در 48 کیلومتری جزایر رود نصب شده‌است. ظرفیت نامی این نیروگاه 30 مگاوات می‌باشد که انتظار می‌رود بتواند سالیانه میزان 125.000 مگاوات ساعت انرژی الکتریکی(معادل برق مورد نیاز تمام خانه‌های بلاک آیلند) را تولید کند که باعث حذف 40.000 تن گاز گلخانه‌ای در هر سال می‌شود. پره‌های به کار برده شده در این توربین‌ها توسط تریلرهای غول‌آسا از دانمارک تا آمریکا حمل می‌شوند. 
ناسل‌های فرانسوی طی فرسنگ‌ها راه دریایی با کشتی به محل نصب و راه‌اندازی می‌رسند. 
پتانسیل بهره‌برداری از نیروگاه‌های فراساحلی در آمریکا بسیار وسیع است، به طوری‌که اگر از تمام فضای موجود اقیانوسی آمریکا برای ساخت توربین‌ بادی استفاده شود، امکانات لازم برای تولید حدود 40000 گیگاوات انرژی در سال فراهم خواهد شد که معادل 4برابر تولید سالانه‌ی انرژی جهان خواهد بود. 
هر توربین در طول عمر خود می‌تواند 6 مگاوات انرژی(معادل برق مصرفی 5000 خانه) تولید کند و به ازای تولید انرژی برابر با سوخت‌های فسیلی، میزان 21.000 تن دی‌اکسیدکربن کمتری را وارد چرخه‌ زیست محیطی می‌کند.