www.offshore.ir
انرژی بادی فراساحل
بیش دو هزار سال است که بشر توانسته از انرژی بادی استفاده کند. برای مثال، اغلب کشاورزان و دامپرورها از آسیاب های بادی برای پمپاژ آب یا آسیاب کردن دانه های کشاورزی استفاده می کردند. در دوران مدرن، به کمک توربین های بادی از انرژی بادی برای تولید برق استفاده می شد. با وزش باد و عبور آن از داخل پره های ایرفویل شکل توربین، موجب چرخیدن پره های توربین می شود. پره های به یک میله گاردان متصل هستن که این میله با چرخاندن مولد الکتریسیته برق را تولید می کنند. جدیدترین توربین های بادی دارای تکنولوژی بسیار پیشرفته ای هستند، که برای حداکثر شدن کارآیی و افزایش میزان تولید برق چندین ابداع مهندسی و مکانیکی در آنها صورت گرفته است.
منابع انرژی بادی فراساحل
تعدادی از کشورهای برای مهار انرژی نیرومند باد که سرتاسر اقیانوس را فراگرفته از توربین های بادی فراساحل استفاده کرده اند. %۵۳ جمعیت ایالات متحده در مناطق ساحلی زندگی می کنند، که هزینه انرژی و تقاضاها بالاست و منابع زمینی انرژی های تجدیدپذیر اغلب محدود است. برای اکثر شهرهای ساحلی ایالات متحده مثل نیویورک سیتی و بوستون، باد ساحلی منبع لایتناهی انرژی تجدیدپذیر است که برای تامین انرژی این شهرها قابل استفاده است.
بادهای ساحلی به نسبت بادهای خشکی، شدیدتر و یکنواخت تر می وزند. میزان انرژی تولید شده از باد، با مکعب سرعت باد نسبت مستقیمی دارد. در نتیجه افزایش سرعت باد، حتی به اندازه چند مایل در ساعت، موجب تولید بسیار بیشتر انرژی برق خواهد شد. برای نمونه، توربینی که در معرض باد با سرعت ۱۶ مایل در ساعت است به نسبت توربینی که در معرض باد با سرعت ۱۴ مایل در ساعت است، %۵۰ انرژی برق بیشتری تولید می کند. به همین دلیل است که توسعه دهندگان به منابع انرژی بادی ساحلی علاقه زیادی دارند. سازمان انرژی ایالات متحده در صفحه Resource Assessment & Characterization و National Renewable Energy Laboratory’s (NREL) MapSearch تعدادی نقشه را گذاشته، که نشانگر اطلاعات مربوط به میانگین سرعت باد هستند.
مقدار توان منابع بادی در مقیاس گیگاوات است، که یک گیگاوات از توان تولیدی نیروگاه بادی می تواند نیاز سالانه ۲۲۵۰۰۰ تا ۳۰۰۰۰۰ خانوار آمریکایی را برآورده کند. در جولای سال ۲۰۱۲، سازمان NREL طی گزارشی میزان توان منابع بادی سواحل ایالات متحده را ۴۲۲۳GW برآورد نمود. این مقدار تقریباً چهار برابر ظرفیت فعلی شبکه برقی ایالات متحده است. هرچند که تنها بخشی از این مقدار قابل بهره برداری است، اما به وضوح باد ساحلی منبع قدرتمندی برای تامین بخش عمده ای از نیازهای مربوط به انرژی ایالات متحده است.
سرعت باد در سواحل آتلانتیک و خلیج مکزیک کمتر از سرعت باد در سال اقیانوس آرام است. هرچند، فعلاً وجود سواحل کم عمق تر در آتلانتیک موجب جذاب تر و مقرون به صرفه تر شدن اجرای عملیات در این نواحی شده است. هاوایی با داشتن تقریباً ۱۷% کل توان انرژی بادی تخمین زده شده آمریکا، بالاترین پتانسیل تولید انرژی را دارد. برای اطلاعات بیشتر از منابع انرژی بادهای فراساحل، سایت تخمین منابع انرژی بادی فراساحل(Assessment of Offshore Wind Energy Resources) ایالات متحده را مشاهده فرمایید.
عصر تجارت انرژی بادی فراساحل
بسیاری از کشورها از جمله ایالات متحده، دارای مناطق ساحلی با ظرفیت بالای منابع بادی هستند. در سراسر دنیا ظرفیت نیروگاه های بادی فراساحل بهره برداری شده ۴٫۴۵GW است، که ۴٫۷۲ GW دیگر در حال ساخت و ۳۰٫۴۴ GW نیز به تصویب رسیده اند. بیش از پنجاه پروژه عملیاتی در سواحل آبی کشورهایی مانند دانمارک، انگلستان، آلمان، نروژ، هلند، ژاپن، چین، کره جنوبی، بلژیک، سوئد، ایتالیا، پرتغال و دیگر کشورها در حال اجرا هستند. از سایت توان بادی (The Wind Power) لیست کاملی از پروژهای نیروگاه بادی فراساحل را می توان دانلود کرد، که پایگاه اطلاعات توربین های بادی و تجهیزات نیروگاه بادی سراسر دنیاست. هر چند که تابحال ایالات متحده هیچگونه پروژه عملی را انجام نداده، ولی در نواحی اتلانتیک میانه و شمال شرقی پروژهایی در مقیاس مگاوات در حال برنامه ریزی هستند. علاوه بر این ها در طول سواحل اقیانوس آرام، خلیج مکزیک و گریت لیکس(Great Lakes) پروژهایی در نظر گرفته شده است.
در مقیاس تجاری تجهیزات بادی فراساحل شبیه تجهیزات بادی ساحلی هستند. برای جلوگیری از خوردگی در شرایط فراساحلی اصلاحاتی بر روی مولدهای توربین باد صورت گرفته، و ساختمان آن ها به شکلی طراحی شده که توانایی تحمل شرایط سخت اقیانوس از قبیل امواج طوفان، نیروی گردباد و حتی جریان های یخی را داشته باشد. تقریباً %۹۰ منابع انرژی بادی ایالات متحده در آب هایی واقع شده اند که برای توربین های با تکنولوژی فعلی خیلی عمیق هستند.
مهندسین بر روی تکنولوژی های جدید، همانند پایه های مبتکرانه و توربین های بادی شناور کار می کنند، که امکان انتقال نیروگاه های بادی به مناطق سخت تر و آب های عمیق تر را فراهم می کند.
فناوری انرژی بادی فراساحل
طراحی و مهندسی تجهیزات بادی به شرایط خاص مکانی، مخصوصاً عمق آب، زمین شناسی بستر دریا و نیروی امواج بستگی دارد. در مناطق کم عمق پایه های مونوپیل (monopole) بهتر هستند. پایه ای فولادی که در بستر دریا فرو رفته برج و ناکل (nacelle) را نگه می دارد. ناکل پوسته ای است که جعبه دنده، مولد، محور پره ها و بقیه اجزای الکترونی را در بر می گیرد. در حالی که توربین کار می کند، حسگرهای بادی متصل به سیستم محرکه هدایت کننده ناکل را رو به باد می چرخاند، بنابراین حداکثر مقدار انرژی تولید خواهد شد.
امروزه به منظور سازگاری با شرایط دریایی، در توربین های بادی اصلاحات و ارقائات فنی و سیستمی مهمی صورت گرفته. این اصلاحات شامل تقویت برج ها برای مقابله با نیروهای ناشی از امواج یا جریان های یخی، فشرده سازی ناکل ها به منظور محافظت از اجزای الکتریکی مهم در برابر پاشش های دریایی خورنده و افزودن برنامه های خدماتی شفاف جهت ارتقاء ایمنی ناوبری و خدمات نگهداری. توربین های فراساحل بوسیله پوشش های مبسوط ضد خوردگی، سیستم های کنترل شرایط داخلی، رنگ کاری با کیفیت خارجی و جرثقیل های سرویس دهی داخلی تجهیز شده اند.
ممکن است به منظور به حداقل رساندن هزینه های سرویس دهی روزانه، توربین های فراساحلی جهت روانکاری یاتاقان ها و پره ها مجهز به سیستم گریسکاری اتوماتیک، و برای نگه داشتن دمای روغن چرخ ها در یک محدوده مشخص دارای سیستم های گرم کننده و خنک کننده هستند.
به کمک سیستم ضد رعد و برق خطر ناشی از رعد و برق که مکرراً در برخی از مناطق فراساحلی اتفاق می افتد، به حداقل رسیده است. همچنین، سیستم های ناوبری و هوانوردی هشدار ساعقه نیز توسط گارد ساحلی ایالات متحده و FAA وجود دارد. برای محو کردن توربین ها و برج ها در زمینه آسمان آن ها را با رنگ خاکستری روشن و کرم نزدیک به سفید رنگ آمیزی می کنند، که این امر موجب می شود که از ساحل کمتر دیده شوند. ممکن است برای افزایش ایمنی ناوبری هنگام عبور کشتی ها قسمت های پایینی برج ها با رنگ های روشن نقاشی شود.
برای سود جستن از بادهای قویتر، توربین های فراساحلی به نسبت توربین های ساحلی بزرگتر و دارای ظرفیت تولید بیشتری هستند. توربین های فراساحلی عموماً دارای ظرفیت بین ۲MW تا ۵MW و ارتفاع برج بیش از ۲۰۰پا و قطر روتور ۲۵۰ تا ۴۳۰پا هستند. بیشترین ارتفاع سازه تا نوک پره ها به راحتی به ۵۰۰پا می رسد، و حتی توربین های با ظرفیت بیش از ۵MW نیز جهت استفاده در آینده طراحی و آزمایش شده اند.
اگرچه برج، توربین و پره های توربین های فراساحل عموماً شبیه توربین های ساحلی است ولی سیستم زیرسازی و پایه آن ها تفاوت چشم گیری با هم دارد. مونوپیل معمولی ترین نوع زیرسازی است، که لوله ای فولادی با قطر بیش از ۲۰پا است. مونوپیل ها عمدتاً در آب های با عمق بین ۱۵ تا ۱۰۰پا استفتده می شوند. پایه های فولادی تا عمق ۸۰ الی ۱۰۰پایی زیر بستر گلی دریا فرو می روند تا از استحکام سازه اطمینان حاصل شود. برج را بر روی سطح فلنجی، که بر روی سطح آب قرار گرفته، می بندند. حتی در نواحی کم عمق که زیرساخت بستر دریا محکم است می توان بجای چکش های بزرگ فروبرنده پایه ها، از سیستم هایی مبتنی بر گرانش استفاده کرد. در مناطقی که عمق آب از محدوده استفاده مونوپیلها تجاوز می کند از پایه های جاکتی و سه پا استفاده می شود.
انتقال انرژی تولید شده بادی
باید تمامی انرژی تولید شده توسط توربین های بادی را به ساحل انتقال داد و به شبکه انرژی وصل کرد. هر کدام از توربین های بادی از طریق کابل های قوی به یک سیستم سرویس برق(ESP) متصل شده است. اغلب ESP در نقاطی قرار داده می شود که توربین ها در یک راستا هستند، و به عنوان محل جمع آوری برق تولیدی تمامی توربین ها یا یک ایستگاه فرعی در نظر گرفته می شود.
علاوه بر این، ESP می تواند به عنوان مرکز ارائه خدمات، یا محل استقرار باند فرود هلیکوپتر، ایستگاه ارتباطات، اقامتگاه خدمه و محل تامین انرژی اضطراری در نظر گرفته شود. بعد از جمع آوری انرژی الکتریکی از توربین های بادی، به کمک کابل های ولتاژ بالا از ESP به یک ایستگاه فرعی واقع در ساحل فرستاده و از آنجا وارد شبکه یکپارچه انرژی می شود.
برای اینکه کابل های انتقال انرژی از خطرات ناشی از وسایل و تجهیزات ماهیگیری در امان باشند و تاثیرشان بر محیط دریا کاهش پیدا کند، آنها را زیر بستر دریا دفن می کنند. این نوع کابل ها گرانقیمت هستند و موجب بروز مشکلات مالی زیادی را برای کمپانی ها هستند. میزان استفاده از کابل ها به فاکتورهای زیادی از قبیل: فاصله محل پروژه از ساحل، فاصله بین توربین ها، موانعی که موجب انحراف مسیر کابل شود و دیگر ملاحظات بستگی دارد.
خطرات زیست محیطی
در سال ۲۰۰۷ بوریو(Bureau) مقالهای را تحت عنوان: “تاثیرات زیست محیطی برنامه ریزی نهایی بر توسعه و تولید انرژی های جایگزین و بهبود استفاده از تجهیزات در نواحی بیرونی فلات قاره” منتشر کرد. این مقاله میزان تاثیرات زیست محیطی انرژی های تجدیدپذیر را در هر مرحله از اجرا(آزمایش فناوری، مشخصات محل، ساخت، عملکرد و تخریب) مورد مطالعه قرار داده است. پیشنهادهای واقعی زیر نظر قانون سیاست ملی محیط زیست(National Environmental Policy Act) به کمک آنالیزهای پروژه محور مورد ارزیابی قرار خواهند گرفت.