simulations show offshore wind turbine farms/شبیه سازی مرزعه توربین های بادی دریایی

این فیلم شبیه سازی مزرعه توربین های بادی دریایی را نشان می دهد. که توسط مارک جاکوبسن استاد مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه استنفورد مدل شده است.

This film shows the offshore wind turbine farm simulation. By Mark Jacobson, professor of civil and environmental engineering at Stanford model

مزارع بادی دریایی می توانند نیروی طوفان ها (توفان ها) را کاهش دهند

“مارک جاکوبسن"، استاد مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه استنفورد، طی 24 سال گذشته مدل رایانه ای پیچیده ای را برای مطالعه آلودگی هوا، انرژی، آب و هوا و اقلیم توسعه داده است. کاربرد اخیر این مدل، شبیه سازی گسترش طوفان وهمچنین، تعیین میزان انرژی که توربین های بادی می توانند از جریان های باد جهانی استخراج کنند، بوده است.

با توجه به این قبیل مطالعات و پس از طوفان های "سندی" و "کاترینا"، این پرسش برای جاکوبسن مطرح شد که مواجهه طوفان با دامنه وسیعی از توربین های بادی دریایی چه نتیجه ای در پی خواهد داشت؟ آیا انرژی استخراج شده از طوفان به واسطه چرخش توربین های بادی موجب کاهش سرعت باد و در نتیجه کاهش قدرت طوفان شده و یا طوفان توربین ها را از بین خواهد برد؟

وی گفت، « اولین فکری که داشتم این بود که شاید توربین ها زور طوفان را به اندازه کافی بگیرند و به این ترتیب طوفان را

تضعیف کنند، اما بدون استفاده از مدل کامپیوتری نمی توانستم این فکر را ثابت کنم.»

بر همین اساس، جاکوبسن توسعه هرچه بیشتر مدل خود و شبیه سازی آنچه هنگام مواجهه طوفان با یک مزرعه بادی عظیم در فاصله چند کلیومتری از ساحل رخ می دهد را انجام داد. وی دریافت که توربین های بادی می توانند در طوفان اختلال ایجاد کرده، سرعت بادهای آن را تا 92مایل در ساعت کاهش داده و در نهایت کاهش موج طوفان به میزان 79 درصد را موجب شوند.

جاکوبسن به همراه همکاران خود "کریستینا آرچر" و "ویلت کمپتون" از دانشگاه دلآور، سه طوفان "سندی"، "ایزاک" و "کاترینا" را شبیه سازی کردند. بر همین اساس، آنها دریافتند که با حضور توربین های بادی، سرعت چرخش بیرونی بادهای طوفان کاهش می یابد. این مساله کاهش ارتفاع موج و در نتیجه کاهش حرکت هوا به سمت مرکز طوفان را موجب شده و با افزایش فشار مرکزی به کاهش سرعت بادهای طوفان و پراکندگی سریعتر آن منجر می شود.

در مورد طوفان کاترینا، مدل جاکوبسن نشان داد که مزرعه ای از 78 هزار توربین بادی دریایی پیش از رسیدن طوفان به خشکی موجب تضعیف چشمگیر نیروی آن می شود. در مدل رایانه ای هنگامی که طوفان کارتینا به خشکی می رسد سرعت بادهای شبیه سازی شده به 36 تا 44متر در ثانیه و موج طوفان تا 79 درصد کاهش یافته است. برای طوفان سندی، سرعت باد به 35 تا 39 متر در ثانیه و موج طوفان تا 34 درصد کاهش یافت.

بر همین اساس، استفاده از انرژی بادی می تواند بیش از هر زمان دیگری مورد توجه قرار بگیرد.کاهش هزینه خسارات طوفان یکی از مشوق های اصلی در نظر گرفته می شود. خسارات ناشی از چندین طوفان به واسطه بادهای سریع و سیل های ناشی از موج طوفان می تواند به میلیاردها دلار برسد. به عنوان مثال، طوفان سندی خسارتی 82 میلیارد دلاری را در سه ایالت آمریکا بر جای گذاشت.

از سوی دیگر، توربین های بادی می توانند هزینه خود را در بلند مدت و با تولید برق در شرایطی که موجب کاهش آلودگی هوا و گرمایش جهانی شده و ثبات انرژی را فراهم می کنند، جبران کنند. توربین های فعلی می توانند در برابر بادهای تا سرعت 112 مایل در ساعت مقاومت کرده که در دامنه طوفان های درجه 2 تا 3 قرار می گیرد. این در شرایطی است که وجود مزارع بادی می توانند مانع رسیدن بادهای طوفان به چنین سرعت هایی بشوند.

آیا در ایران مطالعات نصب توربین های بادی دریای صورت گرفته است؟

در مورخه 07/08/1390 در روزنامه خراسان شماره انتشار 17969خبری با این مضنون به چاپ رسید. "ایران در آستانه تولید برق از بادهای دریای عمان" فاز مطالعاتی نصب توربین های تولید برق در دریای عمان به پایان رسیده و طرح تولید انرژی از بادهای عمان نهایی شده و بدین ترتیب ایران در آستانه تولید برق از بادهای دریای عمان قرار گرفته است.

بادهای گرادیان چیست؟

برای طراحی سازه های دریایی نیاز به سرعت باد گرادیان می باشد. سرعت بادگرادیان می تواند با تابعی از گرادیان فشار، شعاع انحنای منحنی های هم فشار، عرض جغرافیایی و چگالی هوار به صورت زیر بیان شود.

پیش از انجام محاسبات، واحد اندازه گیرها ابتدا به سیستم واحدها سانتیمتر-گرم-ثانیه که در بالا نوشته شده ست تبدیل می شود. باید توجه داشت که یک درجه عرض جغرافیایی با مساحتی در حدود 10 به توان 7 *1.110 سانتیمتر برابر می کند. سرعت واقعی باد در سطح دریا عموماّ کمتر از مقدار بدست آمده از رابطه بادگرادیان است. در نیمکره شمالی، باد پیرامون گردباد، پاد سرعت گرد و به سمت بیرون می زد. مشخص شده است که رابطه بین سرعت بادهای گرادیان و سرعت واقعی باد در سطح دریا با عرض جغرافیا تغییر می کند.

جهت باد یک گرد باد (کم فشار) و یک گردباد متضاد (پرفشار)

باد های خلیج فارس

شکل زیر موقعیت 32 ایستگاه سینوپتیک پیرامون خلیج فارس و تنگه هرمز را نشان می دهد. اگرچه اغلب ایستگاه ها در اواسط دهه 1980 میلادی احداث شده اند، داده های ایستگاه های بوشهر، بندرعباس و ظهران از قبل از دهه 1960 میلادی شروع می شود.

موقعیت 32 ایستگاه سینوپتیک پیروان خلیج فارس و تنگه هرمز

بادهای دریای عمان (خلیج عمان)

ایستگاه های سینوپتیک کشور در دریای عمان به سه ایستگاه جاسک، چابهار و کنارک منحصر می شوند. داده های ایستگاه چابهار از سال 1963 میلادی و ایستگاه کنارک از 1984 میلادی در دسترس است. شکل زیر گلبادهای ایستگاه های سپنوپتیک اسن دو ایستگاه را نشان می دهد.

سواحل جنوبی ایران در کرانه دریای عمان به صورت اتفاقی و غیر معمول تحت تاثیر طوفان های (توفان های) استوایی نیز قرار دارند. با مد نظر قرار دادن یک فاصله تاثیر شعاعی 1000 کیلومتری از انتهای شرقی خطوط ساحلی ایران در دریای عمان (خلیج گواتر) شکل زیر مجموعه داده های از طوفان های استوایی که از نزدیکی خطوط ساحلی ایران گذشته اند را در فاصله زمانی 2003-1945 نشان می دهد.

در شکل طوفان هایی که از اطلاعات حداکثر سرعت برخواردار بوده اند به صورت رنگی به نمایش در آمد است و شدت رنگ بسته به سرعت باد متغیر است. مشاهده می شود حرکت طوفان ها عموما در شمال اقیانوس هند و دریای عرب متمایل به غرب به سمت عمان بوده و یا آنها با چرخش به شمال به سمت پاکستان و هند تغییر مسیرمی دهند. نزدیکتر واقعه طوفان به ایران در مجموعه داده های از طوفان های استوایی (در فاصله زمانی 2003-1945) در سال 1948 رخ داده و در نزدیکترین نقطه از مسیر خود،250 کیلومتر تا چابهار فاصله داشته است.

گلباد های ایستگاه های سینوپتیک ساحلی خلیج چابهار

در بررسی طوفانهای قبل از سال 1945، سازمان هواشناسی هند(1979) طوفان های تاریخی متعددی را در سال های پایانی سده1800 و سال ابتدایی سده 1900 را نسان می دهد که اثبات مستقیمی بر دریای عمان و خطوط ساحلی ایران اعمال کرده اند. سازمان هواشناسی هند (1979) سرعت بیشینه باد خاصی را برای این رویدادها مشخص نکرده و تنها به این نکته ارشاره شده است که سرعت باد از 50 گره دریایی بیشتر بوده است.

مسیر طوفان های استوایی در محدود 1000 کلیومتری انتهای شرقی سواحل ایرانی دریا عمان

با حرکت به سمت شمال و دورشدن از عمان، شدت طوفان رو به کاستی نهاد. سرعت باد ثبت شده در چابهار در ساعت 20 روز ژوئن به مقدار حداکثر 55.69 کلیومتر در ساعت رسید.این نقشه بادهای سراسر زمین در مدل جدید ناسا ارایه شده است دایره های سفید و روشن بر فراز اقیانوس اطلس شمالی و دریای چین جنوبی گردبادها هستند. رنگ سفید همان بادهای هستند که ما آنها را حس می کنم ،حال می توانیم بگویم سواحل ما در موقعیت بادهای می باشد یا نه

در زیر به چند نمونه از موارد استعمال توربین بادیدر حوزه خلیج فارس    پرداخته شده است:

مرکز تجارت جهانی بحرین

توربین بادی که تا کنون به عنوان یک منبع تامین انرژی برق در شهرهای بادخیز جایگزین نیروگاهها بوده با ابتکار معمار برجسته شرکت ساختمانی اتکینز (Atkins) در برج تجارت جهانی در بحرین نصب شده تا به عنوان روش جدید تامین انرژی برق در ساختمان های نسل امروز به کار گرفته شود. این برج در قسمتی از ساحل بحرین که سرعت باد در آن بیشتر از مناطق دیگر است،احداث شده است.

سه ملخ ۳۰ متری که بین این دو برج قرار دارد، ۱۱۰۰ مگاوات برق در سال برای این ساختمان های ۴۲ طبقه تولید می کند. تحقیقات به منظور طراحی این برج بیش از ۵ سال به طول انجامید. پیش از ساخته شدن این ساختمان، ابهامات زیادی وجود داشت. سر و صدای ناشی از چرخیدن توربین ها برای ساکنان ساختمان، فشار بار توربین ها به دو ساختمانی که قرار است این توربین ها در جایگاه پل، آن ها را به هم وصل کند، تاثیر رعد و برق و حرکت پرندگان بر حرکت توربین و ده ها نکتهٴ دیگر که فهرست آن به ۲۰۰ مورد رسیده بود

همهٴ این سناریوها با در نظر گرفتن مسائل خطر و ریسک ناشی از آن مورد بررسی قرار گرفت. تحقیقات نشان می دهد که نزدیک به ۷۰ ٪ از بادهایی که از خلیج فارس به ساحل بحرین می وزد،به همین دلیل قرار شد این ساختمان به صورت مجموعه ای از دو سازهٴ موازی ساخته شود که توربین های بادی مانند پلی این دو بازو را به هم متصل کند.

در این توربین ها لنزهایی کار گذاشته شده که وقتی نزدیک شدن یک شیء مانند پرنده یا وجود رعد و برق را تشخیص می دهد، دستور خاموش شدن خودکار توربین ها صادر می کند. صدای توربین ها هم با دستگاه کنترل صوتی که درون آن ها کار گذاشته شده، تا حد زیادی کنترل می شود.

هر کدام از این سه توربین ۲۲۵ کیلووات برق تولید می کنند که در مجموع ظرفیت تولید برق آن ها به ۶۷۵ کیلووات می رسد. محاسبات نشان می دهد که این توربین ها ۱۰ تا ۱۵ درصد از نیاز این ساختمان به انرژی را تامین می کند. معلوم نیست که عمرمفید این توربین ها چقدر باشد اما سازندگان آن می گویند با توجه به موقعیت جغرافیایی این ساختمان در مکانی واقع شده که سازه ای در اطراف آن نیست و باد تمیز از این توربین ها عبور می کند، شاید عمر آن ها تا ۲۰ سال برسد. فاصلهٴ این دو ساختمان در قسمت جلو ۱۲۰ متر و در قسمت عقب ۳۰ متر است. به این ترتیب حداکثر میزان باد به این توربین ها برخورد می کند. طراحی ساختمان ها هم به گونه ای است که نه تنها سرعت باد را می افزاید بلکه جریان آن را به سمت توربین ها هدایت می کند. سه توربین واقع شده بین این دو ساختمان با یک سرعت می چرخند و به همین دلیل جریان برق تولید شده توسط آن ها یکسان است.

Not wanting to be left behind by Saudi Arabia and Dubai, the country of Bahrain has been approving some interesting and eye-popping developments in the realm of green architecture. Especially interesting is the new Bahrain world trade center located in the city of Manama. The 50-story complex contains two identical towers that rise over 240 meters in height. The sail-shaped buildings offer a visually striking silhouette, appropriately referencing the maritime environment of this small Middle Eastern island, and boast one very unique feature — 3 giant wind turbines tying the two “sails” together

The design firm of  Atkins did not believe that the look of the project was enough, and felt that it was important to incorporate sustainability features into this design. They first attempted to bring in solar panels into the project, but found that the extreme heat conditions of Bahrain made it an unfeasible proposition. So they turned to a second option, and came up with an even more striking image, that of the three 29 meter wind turbines, each supported by a 30-meter bridge spanning between the two towers.

The floorplan was key in making this feature work. The wing-like towers help to funnel and accelerate the wind velocity between them. Furthermore, the difference in the vertical shape of the towers should help reduce the pressure differences between the bridges, which, when combined with an increased wind speed at the higher levels, should provide an equal velocity amongst the turbines. All this will provide for an even greater efficiency in the powering of the generators.When I heard about this project, I honestly thought that this feature would eventually be dropped. We’ve all seen it happen, a cool looking tower ends up changing dramatically due to cost-cutting, changes in the marketplace conditions, or a change in scope or brief

برج فانوس دریایی دبی

این برج که توسط گروه مهندسین مشاور اتکینز طراحی شده است دارای ۶۶ طبقه به ارتفاع ۴۰۰ متر و زیر بنای ۱۴۰ هزار متر مربع است.  

در سمت جنوبی این بنا تعداد ۴۰۰۰ پانل خورشیدی پیش بینی شده است. ۳ توربین بادی به قطر ۲۹ متر نیز در بخش فوقانی بنا تعبیه شده اند. طراحان ادعا دارند که این ساختمان نسبت به دیگر ساختمان های مشابه ۶۵ ٪ انرژی کمتر و ۴۰ ٪ آب کمتر مصرف خواهد نمود.

نصب توربین های بادی در دریا /Installation of wind turbines at sea

این انیمیشن مراحل نصب توربین های بادی دریایی را نمایش می دهد.

This animation shows the installation of offshore wind turbines

تاریخچه تکنولوژی انرژی توربین های بادی:

واحد اندازه گیری تولید الکتریسته وات می باشد، وات واحد بسیار کوچکی است که بنابراین معمولاﹰ بیشتر اصطلاحات کیلو وات (هزار وات،KW) مگا وات (یک میلیون وات،MW) و گیگا وات (یک بیلیاد وات GW) برای توصیف ظرفیت تولید واحدهایی نظیر توربین های بادی یا دیگر نیروگاههای تولید انرژی مورد استفاده قرار می گیرد. یک توربین 1 مگاواتی می تواند الکتریسیته کافی برای 650 خانه را تولید کند.

آخرین دگرگونی در طول سالهای 1880 به وقوع پیوست زمانی که عمل گردش بادبانها به محرک و گرداننده یک ژنراتور الکتریکی تبدیل گشت رشد این تکنولوژی ادامه داشت، سیاست انرژی بادی دانمارک به سالهای ۱۹۷۰ بر میگرد، زمانی که شوک قیمت نفتی به خاطر بحران خاورمیانه به بازار نفت جهان وارد شده بود، باعث شد که ملت ها بدنبال منابع جدید برای تولید انرژی بوده و سرمایه گذاری کنند. در اوایل انرژی هسته ای با ۱۶ مکان مشخص شده در کشور برای ساخت نیروگاه انتخاب کرده بودند. اما کمپین های اعتراضی علیه نیروگاه های هسته ای در کشور برپا شد، که در نهایت به رد این برنامه توسط پارلمان کشور دانمارک در سال۱۹۸۰ انجامید، حتی خیلی قبل تر از فاجعه چرنوبیل خیلی از کشورهای به منع کردن اهداف احداث نیروگاه های هسته ای دستور داده بودند. در این زمان تولد نیروگاه های بادی شروع به شکل گرفتن گرفت که سرانجام به تولد غول های انرژی بادی همچون وستاس و دونگ انجامید. بعد از 1 قرن از آخرین دگرگونی تکنولوژی باد ساخت توربین های بادی در سالهای 1980 با رهبریت تکنولوژی دانمارک آغاز شد.

دانمارک مدت زمان زیادی است که یکی از رهبران ساخت توربین های بادی تجاری در جهان می باشد. دانمارک دارای جمعیتی ۵.۶ میلیون نفری می باشد که هدف تولید انرژی پاک تا سقف ۵۰٪ را تا سال ۲۰۲۰ را دارد، که هدفی بزرگتر را نیز برنامه ریزی کرده است که کشور دانمارک را در سال ۲۰۵۰ به کشور عاری از سوخت فسیلی تبدیل خواهد کرد.

کشور دانمارک در سال ۲۰۱۳ تنها ۳۳.۲ درصد انرژی مورد نیاز برای مصرف برق خود را از انرژی بادی تولید می کرد که نسبت به یک دهه قبل افزایش تقریبا دوبرابری را داشته است.(۱۸.۸ درصد). این نتایج تبدیل کننده کشور دانمارک به یکی از قطب های تولید انرژی بادی می باشد. صنعت بادی دانمارک ادعای دارد۹۰درصد توربین های بادی دریایی جهان را به خود اختصاص می دهد.

در حال حاضر ۵۲۰۰ توربین بادی در حال تولید انرژی هستند که ۲۵ درصد آنها توربین های بادی دریایی می باشند. دولت دانمارک در حال حمایت قدرتمند از تولید نیروگاه های بادی هست که سالانه سرمایه گذاری ۱۳۵ میلیون یوروی برای تحقیقات انرژی بادی و توسعه فن آوری های بادی اختصاص می دهد. در همین حال زغال سنگ که مدت زمان زیادی به عنوان ستون فقرات زیر ساخت های تولید انرژی دانمارک بشمار می رفت، رفته رفته در حال کنار زده شدن است. دانمارک پیش بینی می کند که کمتر از 20 درصد از انرژی های تولیدی خود را تا سال ۲۰۲۰ از طریق زغال سنگ بدست بیاورد.

بریتانیا دارای موقعیتهای خوبی از نظر منبع باد در اروپا است. دانمارک مقایسه با انگلستان که فقط ۲۵ % درصد الکتریسیته مورد نیاز خود را از نیروی باد تأمین می کند، 3.7 درصد (600 میلیون وات) درصد الکتریسیته مورد نیاز را از انرژی باد تهیه می کند؛ در صورتی که منبع باد انگلستان ۲۸ برابر بیش از دانمارک است.

اولین مزرعه بادی تجاری در انگلستان در سال 1991 در دلابول واقع در کرن وال ساخته شد که از توربین های 400 کیلو واتی استفاده می کرد، در حالی که آخرین دستاوردها در بردارنده توربین هایی است که ده برابر از توربین های 400 کیلوواتی قدرتمندترند

ایالات متحده آمریکا مناطق خشک بسیار وسعی دارد که برای توسعه صنعت بادی مناسب می باشد ولی مناقطق دریایی مناسب چندان زیای ندارد.

نصب توربین های بادی (خشکی) در ایران از سال 1372 و با خرید و انتقال قطعات توربین از شرکت مایکون دانمارک توسط سازمان انرژی اتمی در منطقه منجیل آغاز شد. بررسی های صورت گرفته حکایت از امکان تولید بیش از 30000 مگاوات برق از طریق توربین های بادی در 26 نقطه ایران می باشد.

شرکت صبا نیرو، متعلق به گروه صنعتی سدید، در سال 1379 به منظور طراحی، ساخت، نصب، راه اندازی و توسعه نیروگاه های بادی تاسیس گردید. این شرکت اولین و تنها تولید کننده توربین بادی در ایران می باشد. انتقال تکنولوژی توربین های بادی از شرکت وستاس (vestas) یکی از شرکت های معروف دانمارک صورت گرفته و تاکنون بیش از 145 دستگاه توربین بادی در ظرفیت ها 300 کیلو وات 500 کیلو وات، 550 کیلو وات و 660 کیلو وات در مناطق منجیل ، بینالود، تبریز، تاکستان، زابل، شیراز، اصفهان و اردبیل راه اندازی نموده است.

در کشورمان نیز 11مگاوات تولید برق از طریق نیروگاههای بادی به ثبت رسیده است ایران در آسیا بعد از هند، چین و ژاپن در مکان چهارم استفاده از نیروگاه بادى قرار دارد.بزرگترین توربین برق بادی جهان با قدرت 5 مگاوات و با روتوری به قطر 128 متر در آلمان ساخته شده است.دانشگاه های آلبورگ دانمارک و کاسل آلمان در زمینه توربین های و انرژی های نو تحقیقات گسترده انجام داده اند.

قیمت هر توربین بادی در خشکی (در سال 2005) در جهان به ازای هر کیلو وات 900 یورو بود و فروش هر دستگاه توربین بادی بدون نصب و راه اندازی در ایران 720 میلیون تومان، معادله 600 هزار یورو بود استفاده از توربین های بادی در هر نقطه ای از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست و استفاده فنی از انرژی باد وقتی ممکن است که متوسط سرعت باد در محدوده 5 الی 25 متر بر ثانیه باشد.

آمارهای کمی از کاربردهای توربین بادی در سال 2005

درحال حاضر ظرفیت استفاده از توربین های بادی در جهان بیش از 46000 مگاوات است دانمارک با حدود 60 درصد بزرگترین کشور سازنده توربین های بادی و آلمان با تولید بیش از 16000 مگاوات برق از طریق این توربین ها بزرگترین استفاده کننده از آن است بزرگترین شرکتهای سازنده توربین بادی جهان در حال حاضر شرکت وستاس،شرکت زیمنس شرکت انرکون و شرکت NEG مایکون  هستند .

کشورهای پیشرو در گشترش نیروگاه های بادی تا پایان سال 2013