مقایسه اقتصادی انرژِی های نو برای استفاده های مقیاس کوچک

[عرفان سلیم زاده]

سلام
در این تاپیک به بررسی انواع منابع تجدید پذیر مورد دسترسی و رایگان برای مصرف در مغیاس های کوچک(1 تا 20 کیلو وات) می پردازیم و در اخر به معرفی برخی از نمونه های تجاری به صرفه و برای راه اندازی نیرو گاهای خانگی خواهیم پرداخت.
مقدمه:
در ایران روز به روز کمک های مالی دولت از حامل های انرژی کم رنگ تر می شود.
این در حالی است که رشد جمعیت ایران با وجود یک رقمی بودنش در حال افزایش روز افزون بوده و به تعداد مصرف کنندگان انرژی هم اضافه می شود.
رشد جمعیت از این لحاظ مورد نظر است که نمی توان جلو ان را گرفت و همین امر تصویر خوبی بر افزایش میزان تقاضا بر عرضه و افزایش تورم می باشد.
استفاده از انرژی های نو در ایران از زمان باستان رواج داشته و مردم ایران همیشه نبوغ خاصی در استفاده از ان داشته اند و دارند.
پس عجیب نیست که با گران شدن حامل های انرژی مردم هم به سمت استفاده از انرژِی های تجدید پذیر که رایگان و همیشگی هستند روی بیاورند.
در مقیاس های کوچک دو منبع انرژی در اختیار همه است.
1- انرژی خورشیدی
2- انرژی بادی
در این مقاله به دلیل بررسی انرژی ها از دیدگاه اقتصادی به معرفی همین دو منبع و مقایسه مزایا و معایب انها نسبت به یکدیگر پرداخته و تحقیقات لازم را به عمل خواهیم اورد.

[عرفان سلیم زاده]

انرژی بادی
مقدمه:
در ایران انرژی باد از دو هزار و دویست سال پیش تاکنون مورد استفاده های گوناگونی چون تولید نیروی مکانیکی،نیروی پیشران،الکتریسیته بوده که این در مقایسه با دیگر کشور ها که احتیاجات خود را معمولا با نیروی انسانی(برده ها) تامین می کردند نشان از نبوغ ایرانی ها و درک فرهنگی بالا در انها است.
توربین های بادی
توربین های بادی انرژی جنبشی باد را به توان مکانیکی تبدیل می نمایند که این توان مکانیکی از طریق شفت به ژنراتور انتقال پیدا کرده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می­شود. توربین های بادی بر اساس یک اصل ساده کار می کنند؛ انرژی باد دو یا سه پره ای را که به دور روتور توربین بادی قرار گرفته اند بچرخش در می آورد و توسط ژنراتور برق تولید می گردد. توربین ها به دو دسته تقسیم می گردند، توربین با محور چرخش عمودی و توربین با محور چرخش افقی.گفتنی است که توربین هایی که محور چرخش افقی هستند کاربرد بیشتری دارند





نیاز هایی را که میتوان با استفاده از نیروی بادی رفع کرد در دو دسته بندی کلی قرار گرفته است:












الف- کاربردهای غیرنیروگاهی شامل:
· پمپهای بادی آبکش جهت :
- تأمین آب آشامیدنی حیوانات در مناطق دور افتاده
- آبیاری در مقیاس کم
- آبکشی از عمق کم جهت پرورش آبزیان
- تأمین آب مصرفی خانگی
· کاربرد توربینهای بادی کوچک بعنوان تولید کننده برق برای مجتمع­های مسکونی
· شارژ باتری

ب - کاربردهای نیروگاهی
· نیروگاههای بادی منفرد جهت تأمین انرژی الکتریکی واحدهای مسکونی، تجاری، صنعتی
و یا کشاورزی
· مزارع برق بادی جهت تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق شبکه








مساله اقتصادی بودن مبدل های انرژی بادی انها را برای استفاده از نیروی باد مناسب کرده در مقابل سیستم های فوتوولتاییک مثل پنل های خورشیدی به علت گران بودن ان یکی از بزرگ ترین موانع استفاده از نیروی خورشیدی شده به همین علت برای کاربرد های نیروگاهی ثابت کوچک معمولا انرژی باد مقرون به صرفه تر از نیروگاه های خورشیدی است.

[عرفان سلیم زاده]

سیستم های برق کوچک بادی سیستم های برقی کوچک بادی یکی از مقرون به صرفه ترین سیستم های انرژی های تجدید پذیر خانگی است.این سیستم ها همچنینن فاقد آلودگی می باشند. اگر یک سیستم برقی بادی برای مصارف خانگی نصب شود نتایج زیر را به دنبال خواهد داشت:
• کاهش 50%-90% در هزینه ی برق
• کمک به بی نیازی از خطوط برق شبکه ای در مناطق دور دست
• همچنین این سیستم می تواند در مصارف متنوعی بکار گرفته شود ، از جمله پمپ آب در مزارع و دامداری ها یا مراتع

این سیستم چگونه کار می کند؟ باد از گرم شدن غیر یکنواخت سطح زمین به وسیله ی خورشید ایجاد می شود. توربین های بادی انرژی جنبشی باد را به الکتریسیته ی پاک تبدیل می کنند. زمانی که باد پره های توربین را می چرخاند ،روتوری انرژی جنبشی باد را گرفته و به حرکت دورانی تبدیل می کند تا ژنراتوری را حرکت دهد.بسته به طراحی توربین بازده تبدیل برای اخذ انرژی الکتریکی بیشتر متفاوت خواهد بود.

http://azenasanatparsian.com/images/stories/pic1.jpg
عکس1
سیستم های برقی کوچک بادی متصل به شبکه سیستم های برقی کوچک بادی می توانند به سیستم های توزیع برق متصل شوند. توربین بادی متصل به شبکه ، مصرف برق شما را برای روشنایی ، گرمایش الکتریکی و کاربردهای دیگر کاهش می دهد.اگر توربین نتواند برق مورد نیاز را تامین کند ، این کمبود از شبکه تامین می شود. اما زمانی که سیستم بادی بیش از نیاز مصارف خانگی برق تولید کند ،مازاد تولید می تواند برای مصارف دیگر فرستاده شود یا به فروش برسد.
با این شیوه ی اتصال به شبکه ، ملاحظه می شود که توربین بادی فقط زمانی که شبکه در حال استفاده است بکار انداخته می شود.در زمان قطع برق ، توربین بادی به خاطر مسائل ایمنی باید خاموش شود.

http://azenasanatparsian.com/images/stories/pic2.jpg
عکس 2 سیستم های متصل به شبکه در صورت وجود شرایط زیر قابل اجرا است:
1. در جایی باشیم که سرعت باد سالانه حداقل 4.5 m/s باشد.
2. قیمت برق در آن منطقه گران باشد (10-15 سنت در هر کیلو وات ساعت)
3. سود مندی اتصال سیستم های مصرف کننده به شبکه شان بسیار گران نباشد.
4. دلایل موجهی برای فروش برق اضافی یا برای خرید توربین بادی وجود داشته باشد.

ارزیابی مکانی مناسب توربین بادی کوچک تعیین کنید آیا احداث یک سیستم انرژی بادی کوچک از نظر شرایط اجرایی و اقتصادی برای شما میسر است؟
یک سیستم انرژی بادی کوچک می تواند منبعی اجرایی و اقتصادی از برق را فراهم کند اگر:
1. یک منبع باد خوب داشته باشید.
2. محلی که در آن قرار دارید حداقل یک ایکر(تقریبا 3500 متر مربع)و در منطقه ای روستایی باشد.
3. قوانین زیست محیطی و شهری مانع نصب توربین نباشند.
4. تعیین کنید چه مقدار برق نیاز دارید یا می خواهید تولید کنید.
چگونه منبع باد را تخمین بزنیم؟
برای کمک به تعیین مناسب بودن مکان برای سیستم کوچک برق بادی ، به تخمین میزان باد خیزی منطقه نیاز دارید.
اختلاف میزان باد خیزی می تواند در مناطقی با فاصله ی کم قابل توجه باشد زیرا عوارض محلی بر جریان باد تاثیر گذار اند. برای تخمین میزان بادخیزی می توانید از شیوه ی زیر استاده کنید:
1-کمک گرفتن از نقشه های میزان باد خیزی
در قدم اول،از نقشه های باد خیزی استفاده کنید،که برای تخمین میزان بادخیزی منطقه ی شما استفاده می شوند.
2-گرفتن داده های سرعت باد فرودگاه
روش دیگری که بطور غیر مستقیم می توانید در تعیین میزان بادخیزی منطقه استفاده کنید گرفتن اطلاعات متوسط سرعت باد از نزدیک ترین فرودگاه است.به هر حال ، تاثیرات عوارض محلی و عوامل دیگر سبب تفاوت سرعت باد ثبت شده در فرودگاه با محل خاص شما خواهد شد.داده های بادی فرودگاه معمولا در ارتفاع 20 – 33 فوتی (6 – 10 متری)بالای زمین اندازه گیری می شوند.متوسط سرعت باد با ارتفاع افزایش می یابد و ممکن است سرعتی که در ارتفاع باد سنج فرودگاه اندازه گیری می شود 15-25% بیشتر ازسرعت باد در یک توربین بادی معمولی به ارتفاع 24 متر باشد.
3-مشاهده ی نحوه ی جهت گیری و خوابیدگی (Flagging) گیاهان
جهت گیری- تاثیر باد های شدید در رویش گیاهی نواحی - می تواند در تعیین سرعت باد کمک کننده باشد. درختان،خصوصا کاج یا همیشه بهار ، می توانند بطور دائمی در باد های شدید تغییر شکل دهند.

http://azenasanatparsian.com/images/stories/pic3.jpg
عکس 3 4-استفاده از یک سیستم اندازه گیری
مشاهده ی مستقیم با یک سیستم اندازه گیری میزان بادخیزی در یک مکان تصویر روشنی از خیزش باد می دهد.سیستم های اندازه گیری باد با حداقل هزینه ی 600$-1,200$ موجود است.
تجهیزات اندازه گیری باید به اندازه ی کافی تنظیم شده باشند تا درختان ،ساختمان ها و سایر موانع خطای قابل توجهی ایجاد نکنند.مفید ترین قرائت ها آنهایی هستند که در مرکز ارتفاع ، بلندی نوک برج جایی که توربین بادی می خواهد نصب شود انجام می شود.

http://azenasanatparsian.com/images/stories/pic4.jpg
عکس 4 5-گرفتن داده از یک سیستم بادی کوچک محلی
اگر یک سیستم توربین بادی کوچک در منطقه ی شما وجود دارد،شاید بتوانید اطلاعات خروجی سالانه ی سیستم و همچنین داده های سرعت باد اگر ممکن بود را بگیرید.
قوانین محیط زیستی سیستم برق کوچک بادی
پیش از نصب یک سیستم انرژی باد کوچک ، شما باید از قوانین محیط زیستی منطقه آگاه شوید.شاید محدودیت هایی در منطقه وجود داشته باشد که باید با سازمان ها هماهنگی هایی صورت گیرد. به علاوه نصب توربین نباید منظره ی برخی نقاط را خراب کند و یا ممکن است برخی از صدای آن آزرده شوند. نکاتی در ادامه ذکر شده است:
مسئله ی ارتفاع: برخی حقوق ، ارتفاع ساختمان ها یی که در مناطق مسکونی اند را محدود می کند. بیشتر آئین نامه ها محدودیت ارتفاع 35 فوت را اعلام کرده اند.
مسئله ی صدا: سر و صدای بیشتر توربین های پیشرفته قابل نصب در نواحی مسکونی کمی بالاتر از محدوده ی صدای باد است.این به این معنی است که زمانی صدای توربین بادی ممکن است از صدای محیط جدا شود که کسی بخواهد فقط به آن گوش کند،یک توربین باد با اندازه ی مصارف مسکونی به طور قابل توجه عامل ایجاد صدا در بیشتر شرایط باد نخواهد بود.
اندازه ی توربین های بادی کوچک
توربین های بادی کوچک برای کاربرد های شهری استفاده می شوند که معمولا در اندازه های 400 وات تا 20 کیلووات بسته به میزان برقی که می خواهیم تولید کنیم وجود دارند.
نوع خانگی تقریبا 9400 کیلووات ساعت برق در هر سال تولید می کند(حدود 780 کیلووات ساعت در ماه). بسته به متوسط سرعت باد در منطقه ، یک توربین بادی در رنج 5 تا 15 کیلووات برای همکاری قابل توجه به این در خواست مورد نیاز خواهد بود. یک توربین 1 کیلو واتی نیاز خانه ای با مصرف 300 کیوات ساعت در ماه را در محلی در منطقه ای با متوسط سرعت باد سالانه ی متر در ثانیه را فراهم خواهد کرد.
برای کمک به تعیین اندازه ی توربین در ابتدا باید هزینه ی مصرف انرژی را تعیین کنید.زیرا عرضه ی انرژی ارزانتر از تولید انرژی تمام می شود.،کاهش برق مصرفی خانگی احتمالا به صرفه تر خواهد بود و اندازه ی توربین مورد نیاز شما را کمتر خواهد کرد.
کارخانه های تولید کننده ی توربین بادی می توانند در تعیین اندازه ی سیستم بر اساس برق مورد نیاز و الگوی باد محلی به شما کمک کنند.کارخانه می تواند به شما در تخمین انرژی حاصله در سال از یک توربین به عنوان تابعی از متوسط سرعت باد کمک کند.کارخانه همچنین می تواند اطلاعات حداکثر سرعت باد را که برای آن توربین طراحی شده بصورت ایمن کار می کند را ارائه کند.بیشتر توربین ها سیستم های اتوماتیک مدیریت سرعت بیش از حد را دارند تا روتور دچار مشکلات عدم کنترل در باد های بسیار شدید نشود.
ارتفاع برج های توربین بادی همچنین در میزان برقی که توربین تولید می کند موثر است.کارخانه بهتر است در تعیین ارتفاع برج مورد نیاز شما کمک کند.

اجزای سیستم برق کوچک بادی برای دریافت و تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی الکتریکی ،یک سیستمک انرزی باد خانگی معمولا شامل اجزای زیر است:
1. یک توربین بادی شامل پره هایی که به روتور ،ژنراتو /آلترناتور روی قاب ،و معمولا یک دنباله است
2. برج
3. اجزای تعادلی سیستم ،مانند کنترل کننده ها ،مبدل ها ،و/یا باتری ها.

برج سیستم برق کوچک بادی به خاطر اینکه سرعت باد با ارتفاع افزایش می یابد،یک توربین بادی کوچک روی یک پایه یا برج نصب می شود.عموما ، ارتغاع بیشتر برج ،می تواند توان بیشتر در سیستم بادی تولید کند.برج همچنین توربین را بالای توبولانس هوا می برد که می تواند نزردیک زمین هم به خاطر موانعی چون تپه ها ،ساختمان ها و درختان وجود داشته باشد.
ارتفاع برج:بالا بردن ارتفاع برق می تواند تولید را بالا ببرد اما هزینه ی نیز همراه آن بالا می رود.برای مثال،برای بالا بردن یک ژنراتور 10 کیلو واتی از یک برج 60 فوتی به یک برج 100 فوتی 10% افزایش در هزینه ی کلی سیستم خواهیم داشت،اما می توانیم 25% توان بیشتر تولید کنیم.
انرژی خروجی سالانه ی تخمینی و اندازه ی توربن می تواند در تعیین بهترین ارتفاع برج کمک کننده باشد.
نوع برج: بیتر کارخانه های توربین سازی بسته های سیستم انرژی بادی که دارای برج نیز هست تولید می کنند.دو نوع اصلی از برج وجود دارد.:خود نگه دار ( آزاد ایستاده ) و دارای نگه دارنده.همچنین نوع برج های مایل (tilt) از نوع دارای نگه دارنده نیز وجود دارند.
بیشتر سیستم های توان بادی از نوع برج دارای نگه دارنده استفاده می کنند، که قیمت پایین تری دارد.برج دارای نگه دارنده می تواند شامل اجزای زیر باشد:
• بخش های شبکه بندی (lattice sections)
• لوله pipe
• نصب لوله (tubing) ،بسته به طراحی
• سیم های حامل (supporting)
برج های دارای نگه دارنده راحت تر از برج های خود نگه دار نصب می شوند.به هرحال ،به خاطر شعاع نگه دارنده که باید نصف سه چهارم(سه هشتم) ارتفاع برج باشد ،برج های دارای نگه دارنده به فضای کافی برای نصب آنها نیاز داریم.
در صورتیکه برج های متمایل گرانتر اند،کارخانه ی سازنده به مصرف کننده راه آسان تری برای نصب توربین های سبک تر و کوچک تر پیشنهاد می کنند ، معمولا 10 کیلو وات یا کمتر.برج های متمایل همچنین می توانند در شرایط مخاطره آمیز مانند طوفان در ارتفاع پایین تری نصب شوند.برج های آلومینیومی مستعد شکاف برداشتن بوده و باید از استفاده ازآنها اجتناب شود.

http://azenasanatparsian.com/images/stories/pic5.jpg
عکس5
نصب سیستم پیش از نصب سیستم ،ابتدا باید موارد زیر تعیین شود:
• یافتن بهترین مکان
• اندازه ی توربین بادی
• تعیین سیستم قرارگیری برج (آزاد یا دارای نگهدارنده)
• آگاهی از قوانین زیست محیطی و شهری
کارخانه بهتر است درنصب سیستم برق بادی کوچک به شما کمک کند.اما بسیاری از مردم خودشان به نصب آن اقدام می کنند.پیش از اقدام به نصب توربین بادی ،به سئوالات زیر پاسخ دهید:
• آیا می توانم فوندانسیون سیمانی مناسبی فراهم کنم؟
• آیا به یک بالابر یا انتخاب روشی برای نصب ایمن برج دسترسی دارم ؟
• آیا تفاوت بین سیم کشی های برق متناوب و مستقیم را می دانم؟
• آیا به اندازه کافی از برق برای سیم کشی ایمن توربین بادی آگاهی دارم؟
• آیا می دانم چطور به طور ایمن و بی خطر باتری ها را حمل و نصب کنم؟
اگر پاسخ شما منفی است ،بهتر است نصب سیستم را به افراد خبره و مسئول واگذار کنید.

نگهداری سیستم گرچه توربین های بادی کوچک ماشین های محکم و قابل اطمینان هستند ، اما به نگهداری نیاز دارند.
• استحکام کابل های نصب و اتصالات برقی را در صورت نیاز بررسی کنید.
• توربین را از جهت خوردگی و کابل های نگهدارنده برای کشش مناسب بررسی کنید.
• هر نوار لبه ی هادی روی پره ها را بررسی و تعویض کنید .
• پره ی توربین را بعد از 10 سال اگر لازم بود تعویض کنید.
اگر خودتان توانایی نگهداری ندارید باید مسئول نصب برنامه ای برای نگهداری سیستم ارائه کند.
منبع: www.energysavers.gov