تعداد صفحات : 78 صفحه -
قالب بندی : word
مقدمه........................................................................................................................................................................................... 5
فصل اول کلیاتی درباره انرژی باد.................................................................................................................................................... 6
1-1- انرژی باد:.......................................................................................................................................................................... 6
1-2 تاریخچه استفاده از انرژی باد:............................................................................................................................................... 7
1-3 منشاء باد:............................................................................................................................................................................ 9
الف- جریان چرخشی هادلی (Hadly)....................................................................................................................................... 10
ب- جریان چرخشی راسبی (Rossby):...................................................................................................................................... 10
1-5 اندازه‌گیری پتانسیل انرژی باد:............................................................................................................................................. 10
1-6 قدرت باد:......................................................................................................................................................................... 11
روند تحولات تکنولوژی................................................................................................................................................................ 12
1-7 مزایای بهره‌برداری از انرژی باد............................................................................................................................................ 13
آینده انرژی باد در ایران.............................................................................................................................................................. 13
1-8 پتانسیل‌سنجی سطحی انرژی باد:........................................................................................................................................ 14
پتانسیل‌سنجی چیست؟................................................................................................................................................................ 14
1-9 بادسنج‌ها و انواع آنها........................................................................................................................................................ 16
1-10- پتانسیل باد در ایران..................................................................................................................................................... 17
1-11 نقشه‌ها و اطلس‌های موجود باد........................................................................................................................................ 19
فصل دوم استحصال انرژی از باد توسط توربین‌های بادی............................................................................................................... 20
انرژی بادی و توربین‌های بادی...................................................................................................................................................... 20
2-1- تقسیم‌بندی مبدلهای بادی............................................................................................................................................... 20
2-2- دسته‌بندی با معیار هندسی.............................................................................................................................................. 21
2-3- دسته‌بندی با معیار نیرویی................................................................................................................................................. 22
2-4- دسته‌بندی با معیار توان خروجی....................................................................................................................................... 24
2-5- مبدلهای بادی محور قائم................................................................................................................................................. 25
2-5-1 مبدلهای محور قائم «پسایی»........................................................................................................................................ 25
2-5-2 مبدلهای محور قائم برآیی............................................................................................................................................. 26
2-5-3 مبدلهای محور قائم ترکیبی............................................................................................................................................ 28
2-6- مبدلهای محور قائم غیرمستقیم....................................................................................................................................... 30
2-7- مبدلهای بادی محور افقی................................................................................................................................................ 33
2-7-1 مبدلهای محور افقی پسایی........................................................................................................................................... 33
2-7-2 مبدلهای محور افقی برآیی............................................................................................................................................ 33
2-8- طرحهای مورد بررسی کشورهای مختلف........................................................................................................................... 37
2-9- مبدل بادی ملخی........................................................................................................................................................... 38
2-9-1 برج............................................................................................................................................................................. 39
2-9-2 کلاهک........................................................................................................................................................................ 40
2-9-3 پره‌ها............................................................................................................................................................................ 41
2-10- مبدل بادی داریوس....................................................................................................................................................... 42
2-10-1 بنای پایه.................................................................................................................................................................... 43
2-10-2 پره‌ها و دیرک............................................................................................................................................................. 44
2-11- مبدلهای چرخ آسیابی (جایرومیل)................................................................................................................................ 45
2-11-1 برج.......................................................................................................................................................................... 46
2-11-2 پره‌ها......................................................................................................................................................................... 46
2-12- به طور کلی اجزاء مختلف یک توربین به شرح زیر می‌باشد:............................................................................................ 47
2-13- انواع کاربرد توربین‌های بادی:........................................................................................................................................ 49
الف: کاربردهای غیر نیروگاهی..................................................................................................................................................... 49
الفه-1) پمپ‌های بادی آبکش.................................................................................................................................................... 49
الف-2) کاربرد توربین‌های کوچک به عنوان تولیدکننده برق........................................................................................................... 50
الف-3) شارژ باتری.................................................................................................................................................................... 50
ب: کاربردهای نیروگاهی.............................................................................................................................................................. 51
توربین‌های بادی و ذخیره انرژی:................................................................................................................................................... 52
فصل چهارم:............................................................................................................................................................................... 53
طراحی یک Vertical Axis Wind Turbine:..................................................................................................................... 53
مقدمه ای بر فصل چهار:............................................................................................................................................................ 54
توربین بادی عمودی چگونه کار می کند؟................................................................................................................................... 54
تعیین ابعاد کلی توربین:................................................................................................................................................................ 57
طول blade lb=..................................................................................................................................................................... 57
اجزای اساسی توربین بادی عمودی:............................................................................................................................................. 58
Blade(1.................................................................................................................................................................................. 59
جنس bladeها:..................................................................................................................................................................... 59
انتخاب تعداد bladeها:.......................................................................................................................................................... 60
انتخاب ایرفویل:...................................................................................................................................................................... 61
2)پایه:....................................................................................................................................................................................... 68
3)شفت:.................................................................................................................................................................................... 68
4)پایه نصب مرکزی:................................................................................................................................................................... 68
5)بازوهای جانبی:....................................................................................................................................................................... 69
5)اتصالات bladeها:............................................................................................................................................................... 69
این اجزا برای اتصال بازوهای شعاعی به bladeها استفاده می شود............................................................................................. 69
6)یاتاقان ها:............................................................................................................................................................................... 69
7)مکانیسم ایجاد pitch:.......................................................................................................................................................... 70
Pitching فعال:.................................................................................................................................................................... 70
Pitching غیرفعال:................................................................................................................................................................ 70
فصل چهارم:............................................................................................................................................................................... 71
-1-4چشم‌انداز آینده و رویکرد جهانی درخصوص انرژی باد:........................................................................................................ 71
4-2- خط‌مشی کشورها در نصب مزارع بادی در دریا (آفشور)................................................................................................... 72
4-3- فعالیت‌ها و برنامه‌های کشور در زمینة انرژی باد............................................................................................................... 74
الف – فعالیت‌های اجرا شده:................................................................................................................................................... 74
ب – برنامه‌های آینده:............................................................................................................................................................. 76
فهرست منابع:............................................................................................................................................................................ 78
مقدمه
گستردگی نیاز انسان به منابع انرژی همواره از مسائل اساسی مهم در زندگی بشر بوده و تلاش برای دستیابی به یک منبع تمام نشدنی انرژی از آرزوهای دیرینه انسان بوده است، از نقوش حک شده بر دیوار غارها می‌توان دریافت که بشر اولیه توانسته بود نیروی ماهیچه‌ای را به عنوان یک منبع انرژی مکانیکی به خوبی شناخته و از آن استفاده کند. ولی از آنجایی که این نیرو بسیار محدود و ضعیف است انسان همواره در تصورات خود نیرویی تمام نشدنی را جستجو می‌کرد که همواره در هر زمان و مکان در دسترس باشد. این موضوع را می‌توان در داستانهای مختلف که ساخته تخیل و ذهن بشر نخستین بوده، به خوبی دریافت، کم‌کم با پیشرفت تمدن بشری، چوب و پس از آن ذغال سنگ، نفت و گاز وارد بازار انرژی گردیده‌اند. اما به دلیل افزایش روز افزون نیاز به انرژی و محدودیست منابع فسیلی از یک سو افزایش آلودگی محیط‌زیست ناشی از سوزاندن این منابع از سوی دیگر استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر را روز به روز با اهمیت‌تر و گسترده‌تر نموده است. انرژی باد یکی از انواع اصلی انرژی‌های تجدیدپذیر می‌باشد که از دیرباز ذهن بشر را به خود معطوف کرده بود. به طوری که وی همواره به فکر کاربرد این انرژی در صنعت بوده است. بشر از انرژی باد برای به حرکت در آوردن قایق‌ها و کشتی‌های بادبانی و آسیابهای بادی استفاده می‌کرده است. در شرایط کنونی نیز با توجه به موارد ذکر شده و توجیه‌پذیری اقتصادی انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی‌های نو، پرداختن به انرژی باد امری حیاتی و ضروری به نظر می‌رسد. در کشور ما ایران- قابلیت‌ها و پتانسیل‌های مناسبی جهت نصب و راه‌اندازی توربین‌های برق بادی وجود دارد، که با توجه به توجیه‌پذیری آن و تحقیقات، مطالعات و سرمایه‌گذاری که در این زمینه صورت گرفته، توسعه و کاربرد این تکنولوژی چشم‌انداز روشنی را فرا روی سیاست‌گذاران بخش انرژی کشور در این زمینه قرار داده است.
فصل اول کلیاتی درباره انرژی باد
1-1- انرژی باد:
انرژی باد نظیر سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از نظر چغرافیایی گسترده و در عین حال به صورت پراکنده و غیر متمرکز و تقریباً همیشه در دسترس می‌باشد، انرژی باد طبیعتی نوسان و متناوب داشته و ورزش دائمی ندارد. هزاران سال است که انسان با استفاده از آسیابهای بادی، تنها جزء بسیار کوچکی از آن را استفاده می‌کند. این انرژی تا پیش از انقلاب صنعتی به عنوان یک منبع انرژی، به طور گسترده‌ای مورد بهره‌برداری قرار می‌گرفت، ولی در دوران انقلاب صنعتی، استفاده از سوخت‌های فسیلی به دلیل ارزانی و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرژی باد شد. در این دوره، توربین‌های بادی قدیمی دیگر از نظر اقتصادی قابل رقابت با بازار انرژی‌های نفت و گاز نبودند. تا اینکه در سال‌های 1973 و 1978 دو شوک بزرگ نفتی، ضربه بزرگی به اقتصاد انرژی‌های حاصل از نفت و گاز وارد آورد. به این ترتیب هزینه انرژی تولید شده به وسیله توربین‌های بادی، در مقایسه با نرخ جهانی قیمت انرژی بهبود یافت. پس از آن مراکز و موسسات تحقیقاتی و آزمایشگاهی متعددی در سراسر دنیا به بررسی تکنولوژی‌های مختلف جهت استفاده از انرژی باد به عنوان یک منبع بزرگ انرژی پرداختند. به علاوه این بحران باعث ایجاد تمایلات جدیدی در زمینه کاربرد تکنولوژی انرژی باد جهت تولید برق متصل به شبکه، پمپاژ آب و تامین انرژی الکتریکی نواحی دور افتاده شد. همچنین در سال‌های اخیر، مشکلات زیست محیطی و مسائل مربوط به تغییر آب و هوای کره زمین به علت استفاده از منابع انرژی فسیلی بر شدت این تمایلات افزوده است. از سال 1975 پیشرفت‌های شگرفی در زمینه توربین‌های بادی در جهت تولید برق بعمل آمده است. در سال 1980 اولین توربین برق بادی متصل به شبکه سراسری نصب گردید. بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعه برق بادی چند مگاواتی در امریکا نصب و به بهره‌برداری رسید.
در پایان سال 1990 ظرفیت توربین‌های برق بادی متصل به شبکه در جهان به MW200 رسید که توانایی تولید سالانه Gwh3200 برق را داشته که تقریباً تمام این تولید مربوط به ایالت کالیفرنیا آمریکا و کشور دانمارک بود. امروزه کشورهای دیگر نظیر هلند، آلمان، بریستانیا، ایتالیا هندوستان برنامه‌های ملی ویژه‌ای را در جهت توسعه و عرضه تجاری انرژی باد آغاز کرده‌اند. در طی دهه گذشته، هزینه تولید انرژی به کمک توربین‌های بادی به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته است.
در حال حاضر توربین‌های بادی از کارآیی و قابلیت اطمینان بیشتری در مقایسه با 15 سال پیش برخوردارند. با این همه استفاده وسیع از سیستمهای مبدل انرژی باد (W E C S) هنوز آغاز نگردیده است. در مباحث مربوط به انرژی باد، بیشتر تاکیدات بر توربین‌های بادی مولد برق جهت اتصال به شبکه است زیرا این نوع از کاربرد انرژی باد می‌تواند سهم مهمی در تامین برق مصرفی جهان داشته باشد. براساس برنامه سیاست‌های جاری (cp)، تخمین زده می‌شود که سهم انرژی باد در تامین انرژی جهان در سال 2020 تقریباً برابر با twh375 در سال خواهد بود. این میزان انرژی با استفاده از توربین‌های بادی، به ظرفیت مجموع Gwh180 تولید خواهد گردید. اما در قالب برنامه ضرورت‌های زیست محیطی (ED) سهم این انرژی در سال 2020 بالغ بر twh970 در سال خواهد بود، که با استفاده از توربین‌های بادی به ظرفیت مجموع Gw470 تولید خواهد شد. به طور کلی با استفاده از انرژی باد، به عنوان یک منبع انرژی در دراز مدت می‌توان دو برابر مصرف انرژی الکتریکی فعلی جهان را تامین کرد.
1-2 تاریخچه استفاده از انرژی باد:
بشر از زمان‌های بسیار دور به نیروی لایزال باد پی برده و سالها بود که از این انرژی برای به حرکت در آوردن کشتی‌ها و آسیابهای بادی بهره می‌گرفت.
طی سالیان دراز ثابت شده است که می‌توان انرژی باد را به انرژی مکانیکی و یا انرژی الکتریکی تبدیل کرد و مورد استفاده قرار داد. منابع تاریخی نشان می‌دهند که ساخت آسیاب‌ها در ایران، عراق، مصر و چین قدمت باستانی داشته و در این تمدن‌ها، از آسیابهای بادی برای خردکردن دانه‌ها و پمپاژ آب استفاده می‌شده است. چنانچه از شواهد تاریخی برمی‌آید، در قرن 17 قبل از میلاد، هامورابی پادشاه بابل طرحی ارائه داده بود تا بتوان به کمک آن دشت حاصلخیز بین‌النهرین را توسط انرژی حاصل از باد آبیاری نمود. آسیاب‌هایی که در آن زمان ساخته می‌شدند از نوع ماشین‌های محور قائم و شبیه به آنهایی هستند که امروزه آثار آنها در نواحی خواف و تایباد ایران به چشم می‌خورد. ایرانیان اولین کسانی بودند که در حدود 200 سال قبل از میلاد مسیح برای آردکردن غلات از آسیابهای بادی با محور قائم استفاده کردند. مثلاً در کتاب‌های قدیمی نوشته‌اند: دیار سیستان دیار باد و ریگ است و همان شهری است که گویند باد آنجا آسیاب‌ها را گرداند و آب از چاه کشد و باغها را سیراب کند و در همه دنیا شهری نیست که بیشتر از آنجا از باد سود ببرند. و نیز نوشته‌اند که در سیستان بادهای سخت مدام می‌وزد و به همین دلیل در آنجا آسیابهای بادی برای آرد کردن گندم ساخته‌اند. از دیگر استان‌های دارای قدمت کاربرد انرژی باد می‌توان به کرمان، اصفهان و یزد اشاره نمود که در این مکانها در زمان‌های قدیم برای خنک‌کردن منازل از کانال‌های مخصوص جهت هدایت باد استفاده می‌کردند. بعد از ایران کشورهای عربی و اروپایی پی به قدرت باد در تبدیل انرژی بردند. در قرن سوم قبل از میلاد، یک محقق مصری که در زمینه نیروی هوای فشرده تحقیق می‌کرد، آسیاب بادی چهار پره‌ای را با محور افقی طراحی نمود که از هوای فشرده آن جهت نواختن یک ارگ استفاده می‌کرد. با توجه به شواهد موجود می‌توان ادعا کرد که زادگاه ماشین‌های بادی از نوع محور قائم، حوزه شرقی مدیترانه و چین بوده است.
در قرون وسطی، آسیابهای بادی در ایتالیا، فرانسه، اسپانیا و پرتقال متداول گردیده و کمی بعد در بریتانیا، هلند و آلمان به کار گرفته شد. برخی از مورخان اظهار داشته‌اند که ورود این آسیاب‌ها به اروپا باید مدیون شرکت‌کنندگان در جنگ‌های صلیبی دانست که از خاورمیانه باز گشتند. آسیابهای بادی که در اروپا ساخته می‌شدند از نوع آسیابهای محور افقی و چهارپره بودند که برای آرد کردن حبوبات و گندم به کار می‌رفتند. مردم هلند آسیابهای بادی را از سال 1350 میلادی به منظور خشک کردن زمین‌های پست ساحلی و همچنین گرفتن روغن از دانه‌ها و بریدن چوب و تهیه پودر رنگ برای رنگرزی به کار گرفتند. آنچه که هلند را در قرن هفدهم میلادی در زمره غنی‌ترین و صنعتی‌ترین مردم اروپا قرار داد، صنعت کشتی‌سازی و ساخت آسیابهای بادی در آن کشور بود. توربین‌های بادی بطنی که شامل پره‌های متعدد هستند، بعدها متداول شدند، در آغاز قرن بیستم اولین توربین‌های بادی سریع و مدرن ساخته شدند. امروزه فعال‌ترین کشورها در این زمینه آلمان، اسپانیا، دانمارک، هندوستان و امریکا می‌باشند.
1-3 منشاء باد:
هنگامی که تابش خورشید به طور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می‌رسد سبب ایجاد تغییرات در دما و فشار میگردد و در اثر این تغییرات باد به وجود می‌آید.
همچنین اتمسفر کره زمین به دلیل حرکت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می‌دهد که این امر نیز باعث به وجود آمدن باد میگردد. جریانات اقیانوسی نیز به صورت مشابه عمل نموده و عامل 30% انتقال حرارت کلی در جهان می‌باشند. در مقیاس جهانی این جریانات اتمسفری به صورت یک عامل قوی جهت انتقال حرارت و گرما عمل می‌نمایند. دوران کره زمین نیز می‌تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره‌ای در اتمسفر، انرژی مضاعف ایجاد نماید.
پس همانطور که عنوان شد باد یکی از صورت‌های مختلف انرژی حرارت خورشیدی می‌باشد که دارای یک الگوی جهانی نیمه پیوسته می‌باشد.
تغییرات سرعت باد، ساعتی، روزانه و فصلی بوده و متاثر از هوا و توپوگرافی سطح زمین می‌باشد. بیشتر منابع انرژی باد در نواحی ساحلی و کوهستانی واقع شده‌اند. 1-4 توزیع جهانی باد:
به طور کلی جریان باد در جهان دارای دو نوع توزیع می‌باشد:
الف- جریان چرخشی هادلی (Hadly)
بین عرض‌های جغرافیایی 30 درجه شمالی و 30 درجه جنوبی، هوای گرم شده در استوا به بالا صعود کرده و هوای سردتری که از شمال و جنوب می‌آید جایگزین آن می‌شود. این جریان را چرخش هادلی می‌نامند. در سطح زمین این جریان بدیع معنی است که بادهای سرد به اطراف استوا می‌وزند و از طرف دیگر هوایی که در 30 درجه شمالی و 30 درجه جنوبی به پائین می‌آید خیلی خشک است و به دلیل آنکه سرعت دوران زمین در این عرض‌های جغرافیایی به مراتب کمتر از سرعت دوران زمین در استوا است، به سمت شرق حرکت می‌کند. معمولاً در این عرض‌های جغرافیایی نواحی بیابانی مانند صحرا قرار دارند.
دانلود مقاله توربین های بادی
