توربين بادي غير سنتي ( با انواع شکل های موارد جدید طراحی شده توسط سایر مردم جهان )

توربين بادي غير سنتي   1-    دانش قبلي مربوطه مورخين  و بستان شناسان اذعان مي دارند كه نشانه هائي از استفاده از انرژي باد در آسيابهاي بادي و كشتي هاي بادباني در چند صد سال قبل از ميلاد مسيح يافته اند. امروزه بدليل نياز به انرژي سبز( تجديد پذير) توربينهاي بادي توسعه يافته اند. همچنين از باد براي كشتي هاي تفريحي در مسابقات سرعت و غير آن استفاده مي گردد. چتر نجات نيز از اولين طرحهاي لئوناردوداوينچي تا امروزپيشرفت هاي زيادي نموده و علاوه بر كاربرد اصلي آن در نجات جان هوانوردان ، از آن جهت اهداف تفريحي نيز به ميزان وسيعي استفاده مي گردد. الف) توربينهاي بادي در كتابهاي هند بوك توربينهاي بادي ، حداكثر ميزان انرژي قابل دريافت از باد بوسيله سيستمهاي گردنده( پروانه اي- عمودي و افقي ) پس از مشتق گيري ، حداكثر 56% مي باشد.  توسعه توربينهاي بادي بر اساس محاسبه زاويه برخورد مناسب باد با حركت دوراني پره در هر نقطه از طول پره  و گيربكسهاي تبديل دور وهمچنين سيستمهاي برقي اين توربينها توسعه يافته اند. در خصوص تغيير مكانيسمها نيز طرح هائي ارائه گرديه كه متاسفانه كاربردي نبوده و راندمان كل انرژي دريافتي را افزايش نداده و نتوانسته اند بر اساس هزينه با انواع متداول رقابت نمايند. بنا براين بهترين گزينه تا كنون توربينهاي متداول مي باشد. دو نمونه از انواع غير متداول در اينجا توضيح داده مي شوند و در اشكال 1 الي 11 چند نمونه غير متداول نمايش داده شده است. ولي آنچه در نهايت مشاهده مي گردد اين است كه اين طرحهاي نو آورانه نتوانسته اند از لحاظ قيمت و سهولت استفاده  با انواع سنتي آن رقابت نمايند. ب) بادبان و چتر نجات بهترين چترهاي نجات ضمن ايجاد ثبات و پايداري بهتر ، امكان مانورتوسط چترباز را نيز فراهم مي آورند. همچنين توسعه در بادبانها ، امروزه همانند چتر هاي نجات  در جهت متريال مناسبتر سطوح دريافت انرژي  باد و ستونها و تيركهاي بادبان مي باشد. همچنين سيستمهاي خودكار و برقي باز و بسته نمودن بادبانها به ملوانها كمك بسياري مي نمايد. هم اكنون توربينهاي بادي بهترين انتخاب انرژي سبز ( بر اساس قيمت تمام شده انرژي توليدي ) نسبت به انواع ديگر انرژيهاي سبز همچون سلولهاي خورشيدي – انرژي زمين گرمائي – استفاده از انرژي امواج- توليد سوختهاي گياهي و غيره مي باشند. ولي متاسفانه برق توليدي توسط اين نيروگاه ها گرانتر از برق توليد شده توسط نيروگاه هاي سنتي( با استفاده از سوختهاي فسيلي و نيروگاه هاي اتمي ) مي باشد. 2- ارزيابي دانش قبلي روش ساده اي كه بشر در ابتدا براي دريافت انرژي باد و توليد حركت دوراني پيدا نمود و در آسيابهاي بادي به كار گرفته شد هزاران سال دوام آورد و در سالهاي اخيرعلم روز نيز به كمك آمده و راندمان سيستم مورد استفاده را افزايش داده است ( نه بيشتر از آن چه در ماهيت اين تكنولوژي قابل ارائه است ).ولي معايب زير هنوز در توربينهاي بادي امروزه وجود دارد. الف) قيمت تمام شده بالاي برق توليدي نسبت به رقبا( نيروگاه هاي فسيلي) ب) محدوديت حداكثر ظرفيت توربين بادي ( امروزه حداكثر نيروگاه بادي مستقل ساخته شده حدود mw 3.3 ظرفيت دارد و براي توليد يك گيگا وات برق به حدود 303 عدد از اين توربينها نياز است كه يك جنگل توربين بادي را ايجاد خواهد نمود) ج) هزينه نصب بالا ( هزينه نصب نيروگاه هاي بادي حدود 20% قيمت تمام شده توربين است ) د) مشكل حمل پره هاي دقيق و حساس و بزرگ به محل نصب توربين بادي كه اغلب از جاده ها دور است . ه) وجود نويز و سرو صدا و) كشته شدن پرندگان توسط پره هاي توربين بادي و ....   3- افشاي اختراع جهت توليد نيروگاه بادي كه توان گيگاواتي را بتواند توليد نمايد و وابسته به تكنولوژي گران قيمت ساخت پره هاي بزرگ نباشد وهمچنين استفاده بيشتر از نيروي باد، شروع به بررسي انواع سطوح و تاثير عكس العمل باد روي آنها نمودم. دو نوع توربين بادي داريم . در نوع اول باد با فشار عمودي ( در جهت باد ) باعث حركت محور مي گردد( مانند توربينهائي كه در ايالت متحده براي پمپاژ آب در فيلمهاي قديمي مشاهده مي كنيم) و نوع دوم فشار باد باعث حركت به سمت عمود بر راستاي باد مي گردد مانند ملخ هواپيما و توربينهاي بادي متداول دو يا سه پره اي.در هردوي اين سيستمها  حداكثر راندمان 56% است. زيرا تعداد زياد پره ها، جلوي جريان باد را گرفته و باعث مي گردد باد پره ها را دور بزند. اما براي چتر نجات و بادبان ظريب مقاومت باد تا 180% در كتابهاي هند بوك اشاره شده است . علت اين است كه بادي كه از داخل بادبان خارج مي شود نيز مانعي جهت جريان هوا ايجاد كرده و سطح نهائي موثر بادبان را افزايش مي دهد. اما  در شكل هاي (1-3) الي (3-3) مشاهده مي گردد كه يك چتر نجات را براي كمك به حركت كشتي روي آن نصب نموده اند. با توجه به اين نكته كه اگرطناب اين چترهاي نجات  به يك گيربكس و ژنراتور  روي كشتي  نصب گردد و به قدر كافي طناب در قرقره متصل به گيربكس موجود باشد و كشتي نيز لنگر انداخته باشد، بادبان طناب را كشيده و گيربكس و ژنراتور به حركت درآمده و برق توليد مي گردد. اين عمل تا اتمام طول طناب مي تواند ادامه يابد. اما چطور مي شود اين طناب باز شده را به قرقره برگرداند؟ پاسخ در شكل هاي 4-3 نمايش داده شده است . ملاحظه مي گردد با چند چرخ مي توان يك حلقه طناب ايجاد نمود كه با نيروي باد حركت دوراني توليد نمايد. شكل 8-3 حركت بادبانها را روي محور افقي نمايش مي دهد. اما در شكل 4-3 مشاهده مي گردد كه از دو پايه استفاده شده است . آيا مي توان از يك پايه نيز استفاده نمود؟ بلي مي توان ولي براي بالانس نيروهاي روي پايه ، لازم است از دو سري  حلقه بادباني استفاده نمود.شكل 5-3 چنانچه از اين مرحله نيز فراتر رفته و سعي در حذف پايه نمائيم ، مي توان از پستي و بلنديهاي روي زمين ( براي مثال در دره ها) استفاده نمود . در اين حالت امكان چرخش توربين بادي غير سنتي در جهت باد حذف مي گردد و براي مكان يابي اين گونه از توربينها بايد دقت خاصي از لحاظ جهت جريان باد در طول سال بكار برده شود( همانطور كه بيان گرديد در دره ها جهت جريان هوا يا باد هميشه در امتداد دره است از بالا به پائين يا برعكس) شكل6-3 اين سئوال مطرح مي گردد كه چه عوامل محدود كننده اي براي ايجاد سطوح بسيار زياد اين حلقه وجود دارد ؟ يكي از عوامل محدود كننده ابعاد بسيار بزرگ اين نوع توربين ، حداكثر كشش طناب است . با جمع نيروي باد در هر بادبان در نهايت كشش طناب مي تواند از حد تحمل آن فراتر رفته و باعث پاره شدن آن گردد. عامل ديگر محدود كننده ، حركت نامتعارف باد است كه براي استقرار اين گونه توربينها بايد در نظر گرفته شود . بنا براين بهترين محل نصب اين گونه از توربينها ( كه مي توانند انرژي نيروگاه هائي در حدود چند گيگاوات را توليد نمايند ) درون دره ها است كه جهت جريان باد مشخصا در امتداد دره خواهد بود. ملاحظه مي گردد كه تنوع استفاده از اين حركت زياد بوده و انواع مختلفي از طرحها را مي توان با اين سيستم ايجاد نمود . نمونه ديگر استفاده از اين سيستم قرار دادن يك سري توربين دوستوني در جريان آب رودخانه بصورت افقي است شكل 7-3. ملاحظه خواهد گرديدكه جريان آب رودخانه باعث حركت پره ها و در نتيجه توربين باد مي گردد . با توجه به اين نكته كه پره ها مانع حركت آبزيان در طول رودخانه نمي گرددد و برخورد آبزيان به پره هاي پارچه هاي ضد آب ( و يا ساير انواع متريال براي دريافت انرچي از آب ) مشكلي براي آنها ايجاد نمي نمايد. نظر به اين كه در اين سيستم سرعت نسبي باد به بادبان باعث حركت مي گردد. بهينه خواهد بود كه سرعت چرخش بادبانها حداقل باشد. ضمنا توجه به اين نكته ضروري است كه  جهت حركت سيستم ( مانند حركت چتر بازان در آسمان كه مايل است )باد بايد با زاويه به پره ها برخورد نمايد. به نظر مي رسد زاويه 45 درجه بهترين زاويه محور عمودي نسبت به جهت جريان باد باشد كه در اين صورت با متحرك ساختن اين زاويه ( زاويه نصب ستون ) امكان كاهش نيروي باد يا افزايش آن فراهم مي آيد. بدين ترتيب امكان استفاده از باد با سرعتهاي كمتر و يا بيشتر در مقايسه با رنج سرعت باد نيروگاه هاي سنتي فراهم مي آيد. ضمنا در سرعتهاي بسيار بالاي باد مي توان اين زاويه را به شدت كاهش داد و ضمن استفاده از انرژي باد و توليد برق از صدمه به سيستم نيز جلوگيري نمود( در انواع سنتي در خارج از رنج توليد برق توربين قفل شده تا از صدمه به سيستم جلوگيري بعمل ايد) بدين ترتيب امكان توليد الكتريسيته بيشتر در مقايسه با انواع سنتي آن فراهم مي آيد. سودمندي اين اختراع نسبت به انواع سنتي آن: الف ) امكان ساخت توربينهاي باد با ظرفيتهاي بسيار بالا ( گيگا واتي) ب) هزينه سرمايه گذاري اوليه بسيار كمتر براي ظرفيتهاي يكسان در مقايسه با انواع سنتي آن جدول زير مقايسه هزينه قسمتهاي مختلف اين دو نوع توربيان را بيان مي دارد توربين هاي باد سنتي توربين باد غير سنتي پايه هاي سنگين بدليل اين كه تمام نيروي باد در بالاي ستون به آن وارد مي آيد و وزن گيربكس و ژنراتور روي بالاي ستون قرار گرفته است . پايه هاي نسبتا ( در حدود 50%) سبكتر زيرا نيروي باد روي دو محور بالا و پائين ( تقريبا ) به يك ميزان تقسيم مي شود و ژنراتور و گيربكس در نزديكي  زمين  روي پايه نصب مي گردد هزينه ساخت پره ها بالا و توسط كارخانجات خاصي قابل ارائه است تكنولوژي و هزينه ساخت پارچه ها ي بادباني اين سيستم بسيار كم است هزينه حمل پره ها به محل پروژه معمولا بالا است و دقت زيادي براي سالم رسيدن پره ها به محل پروژه مورد نياز است. هزينه حمل پارچه ها و طنابها در مقايسه با انواع سنتي بسيار كمتر است هزينه نصب  بالا به دليل حمل و نصب پره ها و گيربكس و ژنراتور در ارتفاع زياد نياز به جرثقيلهاي بزرگ و سنگين و كاردقيق در ارتفاع زياد دارد. هزينه نصب پره ها كم است . چون بادبانها يكي يكي در ارتفاع پائين روي طنابها نصب مي گردند و پس از نصب هر پره ، با چرخش  يك استپ از طناب مي توان بادبان  بعدي را در ارتفاع پائين مانند اولين بادبان نصب نمود.ضمنا گيربكس و ژنراتور در ارتفاع پائين نصب مي گردند. رنج توليد الكتريسيته محدود رنج توليد الكتريسيته بيشتر از انواع سنتي راندمان  کمتر از 56 درصد سطح راندمان حداكثر 180 درصد سطح بدليل استفاده از سيستم برقي توليد نيرو ي الكتريسيته و گيربكس يكسان هزينه آن تغييري نمي نمايد.   ج) راندمان بالاتر استفاده از بادبان به جاي پره   4- ارائه انجام اختراع: فرمول مورد محاسبه در توربين بادي سنتي به شرح زير است . F=1/2*(D*A*v3)*Rt*Rm كه در آن F نيروي حاصل از باد روي توربين است و بر حسب ژول بيان مي گردد. D  دانسيته هوا است كه در سطح دريا برابر است با 1.25 A سطح موثر پره هاي توربين باد بر حسب متر مربع است. V سرعت باد بر حسب متر بر ثانيه مي باشد. Rt حداكثر راندمان قابل حصول توربين بادي سنتي است. ( برابر با 0.56) Rm راندمان توربين بادي اجرا شده كه توسط شركت سازنده اعلام مي گردد( عدد بين صفر و يك ) براي توربين بادي غير سنتي نيز مشابه فرمول بالا  مي توانيم بنويسيم: F=1/2*(D*A* sin(angle)*v3)*Rn*Rm  كه در آن Rn حداكثر راندمان قابل حصول توربين بادي غير سنتي است. ( برابر با 1.80) Rm توربين بادي اجرا شده كه توسط شركت سازنده اعلام مي گردد( عدد بين صفر و يك ) (angle) زاويه ستون نسبت به افق مي باشد. براي مثال  مقايسه مي كنيم نيروي حاصل از توربين بادي غير سنتي با ارتفاع 1.5 متر موثر( فاصله محور تا محور) از نوع دوم ( يك ستونه ) با عرض هر طرف بادبان 35 سانتي( در مجموع 70 سانتي متر ) را با توربين بادي سنتي با قطر پروانه هاي 70-80-90-100 سانتي متر . براي هر دو نوع توربين راندمان كارخانه اي 80 درصد و محل استقرار در ساحل دريا منظور گرديده است . توربين بادي غير سنتي               F=1/2*(D*A* sin(angle)*v3)*Rn*Rm         Rm Rn v angle A D F   0.8 1.8 3 45 1.05 1.25 21.71   0.8 1.8 5 45 1.05 1.25 100.51   0.8 1.8 8 45 1.05 1.25 411.70                                                 توربين بادي سنتي               F=1/2*(D*A*v3)*Rt*Rm           Rm Rt v A d(diameter) D F   0.8 0.56 3 0.38 0.7 1.25 2.91   0.8 0.56 5 0.38 0.7 1.25 13.47   0.8 0.56 8 0.38 0.7 1.25 55.17   0.8 0.56 3 0.50 0.8 1.25 3.80   0.8 0.56 5 0.50 0.8 1.25 17.59   0.8 0.56 8 0.50 0.8 1.25 72.06   0.8 0.56 3 0.64 0.9 1.25 4.81   0.8 0.56 5 0.64 0.9 1.25 22.27   0.8 0.56 8 0.64 0.9 1.25 91.20   و مقايسه نيرودر دو نوع توربين بادي به شرح زير مي باشد. 2.74 = 1.8*sin45 = Rn*sin(angle = D*A*v3*Rn*Rm*sin(angle = نسبت نيروي توربين بادي غير سنتي به توربين بادي سنتي 0.56 Rn D*A*v3*Rn*Rm   يعني  راندمان توربين بادي غير سنتي به انواع سنتي آن حدود 2.7 برابر خواهد بود.(در صورتي كه راندمان كارخانه اي دو توربين برابر باشد)   5- تاثيرات سودمند مزيتهاي توربين بادي غير سنتي به شرح زير مي باشد: الف) هزينه ساخت نيروگاه بادي غير سنتي به دليل استفاده از متريال كمترو ارزانتر و تكنولوژي متريال ارزانتر بسيار پائين تر از نيروگاه هاي موجود مي باشد ب) امكان ساخت نيروگاه هاي منفرد گيگا هرتزي وجود دارد. ج ) سهولت  نصب ، راه اندازي و نگهداري  توسط افراد با تخصص كم و بومي بخصوص در نقاط دور افتاده . د)  امكان استفاده از توربينهاي افقي در جريان رودخانه ها ئي كه جريان آب با سرعت در حال عبور است (  سطوح طناب و پارچه مانعي براي عبور ماهيان و تخم ريزي آنها فراهم نمي آورد) ه) راندمان توربين بادي غير سنتي بالاتر است.   6- ادعاها الف) امكان استفاده از بادبان بصورت حركت چرخشي دور دو محور( و يا بيشتر) امكان استفاده از نيروي باد ( و يا ساير سيالات) در سطح وسيع و با هزينه كم را فراهم مي نمايد ب) راندمان اين نحوه استفاده از نيروي باد بسيار بيشتر از استفاده از روشهاي سنتي متداول مي باشد. 7- چكيده :  قيمت تمام شده الكتريسيته با استفاده از توربينهاي بادي سنتي بالاتر از توليد الكتريسيته توسط نيروگاه هاي سوخت فسيلي است . اقتصادي نمودن استفاده از انرژي باد هدف اين اختراع بوده است. يكي ديگر از اشكالات توربينهاي بادي سنتي ، فاصله مورد نياز هر برج تا برج بعدي است تا از تاثيرات جريان باد هر برج به يكديگر جلوگيري شود و اين مسئلخ نياز به سطح زمين زياد براي باغهاي توربين بادي را افزايش مي دهد. همچنين ظرفيت پائين هر برج كه در حال حاضر حداكثر ظرفيت آن حدود3.3 مگاوات مي باشد. اين اختراع امكان ايجاد نيروگاه هايي منفرد با يك ژنراتور و با ظرفيت هاي بالا در حدود چند گيگا وات را نيز فراهم مي آورد. تصاوير: شكل 1-1 تغيير سيستم پره هاي توربينهاي بادي شكل 2-1 Jet Engine Technology Boosts Wind Turbine Performance  تكنولوژي موتورهاي جت كمك مي كند تا راندمان توربين بادي افزايش يابد. شكل 3-1 حركت باد در كناره هاي اجسام باعث مي گردد در بعضي نقاط سرعت باد افزايش يابد  و از اين سيستم براي افزايش راندمان توربين بادي مي توان استفاده نمود شكل 4-1 پره هاي كوچك توربين بادي مي توانند نيروي كم باد را جمع نموده و در اشكال قابل استفاده در ساختمانها مورد استفاده قرار گيرند. شكل 5-1 افزايش نيروي توربين بادي بوسيله اضافه نمودن سطوح دريافت انرژي در انواع توربين هاي بادي شكل 7-1 استفاده از نيروي باد بدون داشتن پايه و با استفاده از بالن شكل 6-1 به جاي پره از سطوح گرد نيز مي توان استفاده نمود. با حركت دوراني اين پره ها ، محور اصلي حركت خواهد نمود   شكل 8-1 استفاده از توربين بادي در ساختمانهاي مسكوني شكل 9-1 با دو سري پره كه خلاف يكديگر حركت مي كنند مي توان انرژي دريافتي را بهبود داد شكل 10-1 نصب توربينهاي بادي روي سيمهاي دكل هاي برق شكل 11-1 نمونه ديگري از استفاده از تغيير سرعت باد در نزديكي اجسام     شكل 1-3 نصب چتر نجات روي كششتيhttp://www.digtheheat.com/Wind/flodesign_windmill.htmlhttp://www.digtheheat.com/Wind/flodesign_windmill.htmlhttp://www.digtheheat.com/Wind/flodesign_windmill.html براي استفاده از باد براي كمك به حركت كشتي شكل 2-3 شكل 3-3       شكل 4-3 توليد حركت دوراني با استفاده از بادبان شكل 5-3 توربين باد غير سنتي با يك پايه شكل 6-3 توربين بادي بدون پايه از پستي و بلندي زمين استفاده مي نمايئ( در اينجا در مسير يك دره )   شكل 7-3 توربين روي مسير رودخانه قابل نصب است   شكل 8-3 نمايش حركت پره ها