برج بلند در توربین های محور افقی از عوامل تعیین کننده در تکنولوژی توربین است که ممکن است تا 20 درصد هزینه ساخت توربین بادی را به خود اختصاص دهد. با افزایش ارتفاع برج هزینه های ساخت، حمل و نقل و نصب توربین افزایش می یابد در حالی که موجب افزایش بازده توربین می شود که در نتیجه هزینه به ازای کیلووات ساعت تولید کاهش می یابد. تلاقی منحنی های هزینه و بازده مشخص کننده ارتفاع بهینه برج است. توربین های بادی علاوه بر بار های ناشی از وزن تجهیزات، در معرض نیرو های ناشی از باد نیز می باشد. این نیرو ها بسیار متغییر بوده و به همین سبب مشکلات بار های دینامیکی و خستگی مصالح را موجب می شود. در طراحی برج بدترین شرایط باید مد نظر قرار گیرد. همچنین خستگی سازه برای عمری بین 20 تا 30 سال می باید در طراحی لحاظ شود. طراحی سازه با توجه به امکان تداخل مد های ارتعاشی و فرکانس طبیعی سازه و ارتعاشات ناشی از عملکرد توربین و باد های متلاطم صورت پذیرد.
نیرو های وارده بر توربین
نیرو های وارده بر توربین در دهه 70 میلادی به خوبی بررسی ده اند. از سال 1988 مبانی و استاندارد های محاسبات در استاندارد IEC هر ساله به روز می شود. منبع عمده تولید نیرو ها در توربین، بار های وارده بر روتور است که به سایر اجزای توربین تسری پیدا می کند. علل ایجاد نیرو ها شامل نیرو های آیرودینامیکی، گرانش و اینرسی است. این نیرو ها با توجه به ماهیت تغیراتشان نسبت به زمان به شرح زیر قابل دسته بندی هستند:
- نیروهای آیرودینامیکی در باد یکنواخت با سرعت ثابت و نیروهای جانب مرکز در هنگامی که روتور با سرعت ثابت دوران می کند بار های حالت پایدار توربین را تشکیل می دهند.
- جریان باد ثابت با توزیع نایکنواخت در محدوده روتور موجب بارهای دوره ای(Cyclic Loads) وارد شده، به روتور در حال دوران، می شود.
- نیروهای اینرسی ناشی از عدم بالانس روتور و همچنین نیروهای ژیروسکوپیک روتور باعث بار های دوره ای و ناپایدار در توربین می شود.
- علاوه بر بار های حالت پایدار، باد های متلاطم باعث وارد شدن نیرو های نا منظم به توربین می شود.
در طراحی برج توربین اثرات بار های فوق باید به دقت مورد توجه قرار گیرد. با مطالعه انجام شده در این زمینه امروزه مبانی تئوری و تجربی قاب اعتمادی برای محاسبه این بار ها در دسترس هستند. طراحی توربین ها با توجه به شرایط محیطی شامل سرعت باد و تلاطم جوی مختلف امروزه در چهار سطح یا کلاس مختلف انجام می شود. Vave و Vref به ترتیب سرعت میانگین باد و بیشترین سرعت باد است.
مهمترین مسئله در طراحی سفتی (Stiffnes) برج، تحت کنترل نگه داشتن ارتعاشات برج و جلوگیری از تشدید فرکانسی است. در اکثر طراحی ها معیار تعیین کننده امکان تشدید اولین فرکانس طبیعی برج و فرکانس روتور است. فرکانس روتور می تواند در دو محدوده انگیزش ایجاد کند. اول محدوده فرکانس دوران روتور و دوم، محدوده فرکانس مضرب تعداد پره های روتور و فرکانس دوران روتور است. تقارن اولین فرکانس طبیعی مربوط به مد ارتعاش خمشی برج با فرکانس های ذکر شده باید مورد بررسی قرار گیرد.
دو مفهوم طراحی سخت(Stiff design) و طراحی نرم(Soft design) در طراحی برج توربین ها با توجه به نسبت اولین فرکانس طبیعی برج و فرکانس کاری روتور تعریف می شوند. در این برج با طراحی سخت، فرکانس طبیعی برج در هنگام راه اندازی و یا خاموش کردن توربین با فرکانس روتور تلاقی ندارد و بنابراین خطر تشدید ارتعاش، خود به خود حذف شده است. با این حال با توجه به هزینه بالای ساخت برج با طراحی سخت و افزایش تجربه طراحی در توربین ها، امروزه طراحی برج ها به گونه ای است که فرکانس طبیعی برج کمتر از فرکانس روتور می باشد و اصطلاحا امروزه برج توربین های بادی از طراحی نرم برخوردارند. در این حالت در حین راه اندازی و خاموش کردن توربین تلاقی فرکانس روتور و فرکانس طبیعی برج، ناگزیر است.
انواع برج توربین بادی
این قسمت امل برج و فونداسیون آن است که در واقع پایه ای برای نگهداری روتور و ناسل می باشد. برج های متداول امروزی عبارتند از برج های استوانه ای (Tubular Steel Tower)، برج های خرپایی( Truss or Lattice Tower)، برج با نگهدارنده ی کابلی(Guyed Tower)، برج بتونی و برج چوبی است.
برج های خرپایی
برج های خرپایی از به هم پیوستن میله های آهنی به یکدیگر ساخته می شوند. این برج ها شباهت زیادی به دکل های انتقال برق دارند. مواد به کار رفته در اخت این برج ها نصف مواد مورد نیاز برای ساخت برج های استوانه ای آهنی می باشد و بنابراین سبک تر و ارزان تر هستند. به عنوان مثال هزینه اخت یک برج خرپایی برای یک توربین معمولی در حدود 25000 دلار ارزان تر از هزینه اخت برج استوانه ای آهنی با اندازه یکسان است. پایه های این برج ها از یکدیگر فاصله زیادی دارند و بنا براین بار وزنی روی سطح گسترده تری پخش می شود. همین عامل خود باعث می شود تا فونداسیون سبک تری برای این نوع از برج ها در نظر گرفته شود که عالی برای هرچه ارزان تر شدن این برج ها فراهم می آورد.
برج های خرپایی و یا به عبارتی برج های دکلی، معایبی نیز دارند. مهمترین عیب این نوع از برج ها ظاهر زشت و زننده ای است که باعث بر هم خوردن زیبایی مناطق می شود و همچنین فعالیت پرندگان در کنار این برج ها زیاد است، زیرا از میله های افقی برای ساخت لانه استفاده می کنند. این عامل باعث بیشتر شدن مرگ و میر پرندگان در اطراف توربین بادی می شود. از سوی دیگر تعمیر و نگه داری برج های دکلی نیز نسبتا دشوار است. در مناطقی که دمای هوا بسیار پایین است، تعمیر این برج ها به وسیله کارگران از آنجا که در معرض هوا و باد سرد قرار می گیرند به سختی انجام می پذیرد.
برج های خرپایی و یا برج های شبکه ای در سال های اولیه اختراع توربین های بادی مولد برق، مورد استفاده قرار گرفتند ولی بعد ها جای خود را به برج های مدور فولادی دادند. امروزه با افزایش ارتفاع برج ها در توربین های عظیم بار دیگر مورد توجه قرار گرفته اند. مزیت مهم این نوع برج وزن کمتر و مصرف مواد کمتر حدود 40 درصد نسبت به سازه مدور است. همچنین حمل و نقل این سازه نسبت به برج های مدور ساده تر است.
برج با نگهدارنده کابلی
برای توربین های کوچک تر می توان از برج هایی که از کابل ها برای نگهداری ان استفاده می شود بهره برد. در این برج ها قسمتی از بار وارده به وسیله کابل ها تحمل می شود. بنابراین وزن برج مقدار کاهش پیدا کرده و همچنین باعث پایین امدن هزینه های ساخت می شود. معمولا در این برج ها چهار کابل در فاصله های مساوی و با زاویه 45 درجه نسبت به زمین به برج متصل می شود. از انجایی که دسترسی به قسمت های مختلف در این برج ها به سختی انجام می گیرد. به کار گیری این برج ها بسیار محدود است. به هر حال در کشور آلمان، از این برج ها برای نگه داری توربین هایی با ظرفیت مگاوات هم استفاده می شود.
همانطور که مشخص است با افزایش ظرفیت توربین بار وارده بر برج ها نیز افزایش می یابد. با توجه به این واقعیت در سال های اخیر توربین هایی با ظرفیت مگاوات ساخته شده است که اندازه برج های انها به مرتب بزرگ تر از برج ها قدیمی است که خود محدودیتی از دید حمل و نقل ایجاد می کند. بنا بر عرف معمول حمل و نقل زمینی کالاهایی با ارتفاع بیش از 4.3 متر و وزن بیش از 50 الی60 تن دشوار است. از طرفی سرهم کردن این قطعات روی هم، به دلیل جوشکاری صفحاتی با ضخامت بیش از 50 میلی متر، کار طاقت فرسایی است. با توجه به این مشکلات امروزه بیشتر از برج های ترکیبی برای توربین های بادی با ظرفیت بالا استفاده می شود.
این نوع برج در نگه اول با توجه به کاهش وزن و اثرات سایه برج موجه به نظر می رسد. ولی به علت هزینه اضافی مورد نیاز تجهیزات و فونداسیون مهار ها و هزینه های برج در مجموع تا حد غیر اقتصادی افزایش پیدا می کند. همچنین موانعی که مهار ها در اماکن کشاورزی ایجاد می کنند باعث شده این نوع برج در توربین ها متداول نباشد.
برج های استوانه ای توربین بادی
با توجه به معایب برج خرپایی، امروزه بیشتر از برج های استوانه ای در توربین های بادی استفاده می شود. این برج ها از به هم پیوستن قسمت های مجزای استوانه ای با طول 10 الی 20 متر ساخته می شوند. کل این برج ها را می توان در طول 2 الی 3 روز کاری در سایت مشخص شده نصب کرد. برج های استوانه ای از انجا که دارای سطح مقطع دایره ای هستند، بهترین مقاومت را در برابر خمش در تمامی جهات اعمال می کنند. این برج ها از لحاظ زیبایی نسبت به برج های خرپایی ارجحیت داشته و خطرات کمتری را برای پرندگان دارند.
این نوع برج متداولترین طرح در توربین های امروزی است. تجربه در رفتار ارتعاشی توربین ها، توسعه برج های سبک تر و ارزان تر بر اساس این طرح را، بر مبنای طراحی نرم امکان پذیر کرده است. در این روش برج از مقاطع پیش ساخته با طول حدود 30 متر تشکیل می شود. این قطعات از نورد ورق فولاد با ضخامت 10 تا 50 میلی متر ساخته می شود. با توجه به پهنای حدود 2 متری ورق های فولادی، تعدادی از این قطعات نورد شده به یکدیگر جوش داده می شوند تا یک مقطع از برج را تشکیل دهند. با توجه به بار های وارده بر برج کنترل کیفی جوش ها با روش های اشعه ایکس و التراسونیک ضروری است. جنس متداول در طراحی برج فولادی ST52 و ندرتا ST48 است.
در توربین های بزرگ بالابرهایی برای بالا رفتن اپراتور در داخل برج تعبیه می شوند. در برج های عظیم از فضای داخل برج برای نصب تجهیزات دیگری مانند ترانسفورماتورها نیز استفاده می گردد.
برج بتونی
برج های بتونی نسبت به برج های فولادی کمتر متداول بوده اند. از مزایای برج های بتونی، امکان ساخت برج های بلند بدون مواجهه با مشکلات حمل و نقل است. دور روش ساخت بتون در محل سایت و استفاده از بتون های پیش ساخته متداول است. از لحاظ استاتیکی نیز با توجه به مسطح کردن بتون برج ها به دو نوع ساده و پیش تنش شده(Prestressed concrete) تقسیم می شوند. انتخاب روش اخت و نوع برج با توجه به شرایط سایت و امکانات معین می شود.
ساخت بتون در سایت
در این روش که روش سنتی اخت سازه بتونی است، بتون یا در محل سایت مخلوط می شود یا توسط کامیون های میکسر به محل انتقال پیدا می کند. مخلوط بتون در قالب های ساخته شده که شبکه آرماتور فولاد را در خود جا داده ریخته می شود.
در این روش برج به صورت مرحله به مرحله ساخته می شود و شروع کار در هر مرحله نیاز به اتمام کار سازه مرحله قبل دارد. از این رو با توجه به زمان بر بودن فرایند شکل گیری بتون زمان زیادی برای ساخت برج مورد نیاز است. همچنین نیاز به تجهیز کارگاه ساخت بتون در محل سایت باعث شده است هزینه های این روش تنها برای ساخت مزارع با تعداد قابل توجه توربین، اقتصادی باشد.
به منظور افزایش مقاومت برج در برابر بار های دینامیکی وارد شده از عناصر فولادی تحت کشش به منظور ایجاد پیش تنش در برج استفاده می شود. به این ترتیب تنش های کششی در هنگام بارگذاری برج حذف می شود. امروزه برج های ساخته شده به این روش به دلایل اقتصادی مورد توجه نیستند.
استفاده از بتون پیش ساخته
در این روش معایب ساخت بتون در سایت به خوبی برطرف شده اند و زمان ساخت برج نیز به علت استفاده از مقاطع پیش ساخته کوتاه شده است. همچنین برخلاف برج های مدور فولادی مشکل حمل و نقل مقاطع نیز وجود ندارد. در ساخت برج های کوچک و متوسط از روش ریخته گری جانب مرکز استفاده می شود. در این روش مقاطعی تا طول 35 متر و وزن 50 تن روی ماشین های دوار قابل ساخت است. در اثر نیروی جانب مرکز سازه ایجاد شده چگالی بالایی پیدا می کند.
روش دیگری که برای ساخت برج های بزرگ تر مورد استفاده قرار می گیرد، بر اساس قطعات پیش ساخته با طول3.8 متر می باشد. این قطعات در سایت بر روی هم قرار می گیرند. لوله هایی در دیواره های این قطعات قرار دارد که از خلال انها کابل های تحت کشش به منظور تثبیت و همچنین پیش تنش کردن سازه می گذرند. با این روش برج هایی با طول 100 متر و بالاتر ساخته می شوند. در پایه برج که قطر بزرگ تری دارد، محیط برج به چند قطعه مجزا تقسیم می شود و به این ترتیب مشکلات حمل و نقل قطعات بزرگ مانند برج های فولادی، در این روش ساخت، وجود ندارد.
برج چوبی توربین بادی
در آلمان اولین برج توربین بادی چوبی جهان مشغول به کار است. علی رغم گواهی نامه های زیست محیطی توربین های بادی، این برج ها معمولاً از جنس فولاد ساخته می شوند، که نه تنها گران است بلکه برای تولید نیاز به مقدار زیادی انرژی دارند.
در تلاش برای ایجاد توربین های بادی سبزتر ، شرکت آلمانی Timber Tower توربین بادی چوبی 1.5 مگاواتی را در هانوفر آلمان برپا کرده است. Timber Tower به عنوان یک سازه وصل شده از پنل های چوبی روکش شده(laminated) و اجزای سطحی که خارج از سایت ساخته می شوند آغاز به کار کرد و در کانتینر 12 متری (40 فوت) برای مونتاژ در محل به شکل یک برج هشت ضلعی توخالی منتقل می شود.
برج نمونه اولیه نهایی 100 متر (328 فوت) ارتفاع دارد و یک سیستم نردبان و آسانسور را ادغام می کند و یک توربین بادی Vensys 77 روی آن قرار دارد. این توربین قطر روتور 77 متر (252.6 فوت) و تقریبا 100 تن وزن دارد و 1500 کیلو وات برق تولید می کند.
Timber Tower می گوید: جرم و قطر پی برج چوبی با برج فولادی لوله ای یکسان است و تمام مواد اولیه مورد استفاده در برج از تأمین کنندگان مورد تایید FSC و PEFC هستند. علاوه بر یک مقطع هشت ضلعی، بدنه توخالی نیز می تواند با یک مقطع شش ضلعی یا دوازده ضلعی ساخته شود. این شرکت می گوید سیستم Timber Tower باید از ارتفاع توپی تا 200 متر (656 فوت) پشتیبانی کند و هم اکنون در حال توسعه یک برج 140 متری (459 فوت) است.
Timber Tower با حداقل عمر تضمینی 20 سال، مقررات فعلی بیمه، صدور گواهینامه و حفاظت از آتش را نیز رعایت می کند.
این شرکت ادعا می کند Timber Tower هر 100 متر حدود 300 تن ورق فلزی و به لطف یک فرآیند که انرژی کمتری مصرف می کند، تقریباً 400 تن CO2 ذخیره می شود. نقل از Darren Quick در نوامبر 2012
سوئد از نخستین برج توربین بادی چوبی خود استقبال می کند. برج های بادی چوبی شرکت Modvion برای دستیابی به ارتفاعات بیش از 120 متر (393 فوت) طراحی شده است. با هزینه قابل توجهی کمتر از نمونه های ساخته شده از فولاد، با رویکرد ماژولار اجازه می دهد تا بخش های قابل بسته بندی بدون مشکل در جاده های عمومی منتقل شود. ادعا می شود آنها از روز آغاز ساخت و ساز نیز انتشار کربن ندارند. برج مفهومی 30 متری (100 فوتی) با شرکت ساخت چوب Moelven در تأسیسات خود در Töreboda ساخته شد. Otto Lundman، مدیرعامل Modvion می گوید: “چوب روکش شده از استیل با همان وزن قوی تر است و با ایجاد ماژول، توربین های بادی می توانند بلندتر باشند”
Modvion قصد دارد نسخه هایی از مقیاس تجاری توربین چوبی خود را در سال 2022 تولید کند. اینها شامل یک نسخه 110 متری (360 فوت) برای Varberg Energi و همچنین 10 برج بیش از 150 متر (490 فوت) برای شرکت انرژی های تجدید پذیر Rabbalshede Kraf است. نقل از Nick Lavars
ساخت برج استوانه ای فولادی
بیشتر توربین های بادی بزرگ با برج های فولادی لوله ای تحویل داده می شوند که در بخشهای 30-20 متری با دو فلنج ساخته می شوند و در محل با هم پیچ می شوند. برج ها به منظور افزایش مقاومت و صرفه جویی در مواد، مخروطی هستند (یعنی قطر آنها به سمت پایه افزایش می یابد). هر قطعه برج خود از چند تکه تشکیل شده است که در کارخانه به یکدیگر جوش داده شده اند.
این تصویر از کارگاه ساخت برج نشان می دهد که چگونه یک صفحه فولادی به یک شکل مخروط برای برج توربین بادی نورد می شود. دستیابی به شکل مخروطی کاری کمی دشوار است، زیرا کشش (فشار) غلتک های فولادی برای ایجاد خم شدن صحیح صفحه باید از دو طرف متفاوت باشد. برج ها با مونتاژ این زیرمجموعه های مخروطی کوچکتر ساخته می شود. ورق ها برش داده می شوند و به شکل مخروطی در می آیند و سپس با هم جوش می خورند.
برج ها معمولاً در بخش های 20 تا 30 متری (65 تا 100 فوت) ساخته می شوند، عامل محدود کننده، حمل و نقل در جاده ها یا راه آهن است. وزن های برج مدرن معمولی 40 تن برای یک برج 50 متر (165 فوت) با قطر روتور 44 متر (600 کیلووات) و 80 تن برای یک برج 60 متری برای قطر روتور 72 متر (2000 کیلووات) است.
برج های توربین های بادی به طور کلی توسط هر سازنده توربین طراحی می شوند، زیرا کل توربین بادی باید به عنوان یک واحد تأیید شود. بنابراین حتی اگر بعضی از برج ها توسط تولیدکنندگان مستقل ساخته شوند، همیشه مخصوص هر سازنده هستند. سازندگان مستقل برج اغلب سازنده مخازن روغن یا مخازن تحت فشار هستند، زیرا ماشین آلات و روش های بازرسی ایمنی بسیار شبیه به هم هستند.
وزن برج (به ازای کیلووات) به دلیل پیشرفت روش های طراحی، طی پنج سال گذشته حدود 50٪ کاهش یافته است. هنوز هم برج ها بخشی نسبتاً سنگین از توربین بادی هستند، بنابراین هزینه های حمل و نقل مهم است. برای بازارهای بزرگتر، هزینه حمل و نقل برج بیش از 1000 کیلومتر (600 مایل) از طریق جاده ای پرداخت نمی شود. در صورت فاصله بیشتر (پروژه بزرگ)، برج ها معمولاً به صورت محلی ساخته می شوند. به نقل از سازمان صنعتی باد دانمارک
برای کسب اطلاعات بیشتر مقالات زیر را مطالعه بفرمایید:
1 نظر
قیمت توربین بادی - روند تغییر قیمت توربین بادی و هزینه های جانبی نصب
[…] برج توربین بادی […]