برنامه‌های انگلستان برای انرژی‌های تجدید‌پذیر

هدف كشورهایی چون انگلستان افزایش سهم انرژی‌های تجدید‌پذیر در مقابله با تغییرات آب و هوایی است. افزایش هزینه‌های تولید، نیاز به تولید انرژی كارآمد را شفاف‌تر می‌كند.
در «برگه سفید انرژی» اخیر دولت انگلستان هدف‌هایی بلند‌پروازانه برای كاهش آثار انتشار گازهای گلخانه‌ای تا میزان ۶۰ درصد سطح سال ۱۹۹۰، تا سال ۲۰۵۰ ذكر شده است. بهره‌برداری از انرژی بادی و انرژی امواج سواحل وسرمایه‌گذاری عظیم در ایجاد نیروگاه‌های عظیم در ایجاد نیروگاه‌های بادی و موجی سهم این انرژی‌ها را از میزان ۶/۲ درصد در سال ۲۰۰۱ به ده درصد در سال ۲۰۱۰ می‌رساند.
اگر این هدف‌ها برآورده شود،‌تولید كارآمد انرژی بسیار مهم خواهد بود. «پویا‌سازی سیال رایانه‌ای» -CFD- راهی است كه كارایی را بیشتر می‌كند و تضمین می‌دهد كه قطار انرژی‌های تجدیدپذیر از حركت باز نمی‌ایستد.
«اتحادیه صرفه‌جویی انرژی» -ACE- حذف هرگونه هدف كارایی انرژی در (سند) «برگه سفید انرژی» را مورد انتقاد قرار داده است. در جایی كه ارزش واقعی هدف‌ها و دسترسی به نتایج قابل بحث است، مسلم خواهد بود كه كارایی انرژی نقشی مهم در واقع‌گرایی هدف‌های توسعه انرژی‌های تجدید‌پذیر – به عنوان یك منبع مهم تامین نیازهای انرژی در انگلستان- خواهد داشت.
برآورد شده است كه اتكاء بیش از حد بر انرژی‌های تجدید‌پذیر سبب افزایش صورتحساب‌های بخش خانگی بین پنج تا ۱۵ درصد و بخش صنعت به میزان ۲۵ درصد قیمت‌های فعلی می‌شود. این امر نیاز به بیشینه سازی كارایی انرژی را هم برای منفعت عرضه‌كننده و هم مصرف‌كننده ضروری می‌نماید. اگر قرار است آن هدف‌های بلند‌پروازانه برآورد شود باید انرژی‌های تجدید‌پذیر تا حد امكان مقرون به صرفه شود.
●مدل‌های مجازی
«پویا سازی سیال رایانه‌ای- –CFD» ابزاری است كه اخیراً برای بهینه‌سازی تولید انرژی تجدید‌پذیر با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است و به این ترتیب احتمال می‌رود برای تولید برق با افزایش مزارع بادی و نیروگاههای امواج به میزان فزاینده‌ای مورد استفاده قرار گیرد. CFD با دادن امكان به كاربر برای مدل‌سازی مجازی جریان سیال و هوا، به شناخت بهترین جایگاه بالقوه مزرعه بادی و یا بهینه‌سازی كارایی روتور توربین موجی و بادی كمك می‌كند.
یك نمونه استفاده از این ابزار به مطالعه مزرعه بادی در «كول‌كلاف» - كانكاشیر» انگلستان توسط موسسه «سیستم‌های انرژی تجدید‌پذیر» برمی‌گردد. این موسسه كه علاقمند بود نزدیك بودن پیش‌بینی‌های CFD را بیازماید، داده‌های تجربی مربوط به پایگاه را پذیرفت تا پس از آن با استفاده از فناوری‌ مربوط مناسب بودن پایگاه‌های دیگر را تحلیل كند. این تحلیل به جهت غالب باد با فاصله مناسب بالادستی و پایین‌دستی از محل موجود توربین‌ها هدایت شد. توپوگرافی محلی با داده‌های توپوگرافی شبكه‌ای با وضوح افقی ۵۰ متر و دقت ۱ متری عمودی محاسبه شد. توده‌ای متشكل از یك میلیون سلول ایجاد شد كه معادلات لازم در آن به شكل معادلات فعل و انفعالی اجرا شد. سپس شبكه به شكل تصاعدی در جهت عمودی كلفت‌تر شده نخستین لایه سلول تقریباً ۰۵/۰ متر از زمین فاصله پیدا كرد وبه تدریج به ۲۵ متر در مرز بالای محدوده افزایش یافت. با مدرج كردن پیش‌بینی‌های CFD و اندازه‌گیری سرعت باد در محل توربین‌ها، اشتباه در تست‌های اولیه ناشی از انحراف توپوگرافی تقریباً حذف شد و به تولید نقشه دقیق باد منتهی شد كه تمام سرعت‌های باد در محل را پیش‌بینی كرده بود.
یك رشته مطالعه دیگر كه متمركز بر سرعت باد بود توسط شركت TUVNord – یكی از موسسات بازرسی فنی آلمان به عمل آمد. در این مطالعه از متدهای تحلیل CFD استفاده شد تا آثار فضاگذاری بین توربین‌ها بررسی شود. این فاصله‌گذاری مهم است زیرا فاصله كم‌تر به آثار بیداری یك توربین بر دیگری می‌افزاید و این امر می‌‌تواند منتهی به بارهای باد كاهش یافته و تغییر‌پذیر شود و بازده انرژی كاهش یابد و باعث فرسایش القایی – نوسان روی روتور و ساختارهای نزدیك مثل خطوط برق می‌شود. برای درآوردن دقیق مدل آثار بیداری، سطح تیغه، شدت و جهت باد شدت تلاطم و مقیاس طول و سرعت روتور به عنوان داده‌های ورودی برای همانند‌سازی استفاده می‌شود. فاصله‌های پایین دستی بین ۶ تا ده برابر قطر روتور كه بیشتر مدل شده شناخت و آزمایش تغییرات سرعت باد را چه در درون و یا مرز آثار حركت میسر می‌كند كه خود ناشی از تفاوت آرایش فضای بین توربین‌هاست.
نوع اطلاعات حاصل از دو نمونه پیش‌گفته می‌تواند در توسعه مزارع بادی جدید و بهینه‌سازی تاسیسات موجود مهم باشد توربین‌های بادی تولید برق را در سرعت ۱۶ كیلومتر بر ساعت آغاز می‌كنند كه این به معنای ۸۵-۸۰ درصد زمان برق تولید می‌شود. از آنجا كه سرعت باد در مناطق وارتفاعات مختلف متفاوت است، در حركت توربین‌ها هر تحلیل می‌تواند در شناخت محل استقرار بهینه توربین‌ها مهم و حیاتی باشد اندیشه دیگر این است كه تاثیر بصری یك مزرعه بادی می‌تواند فاكتور مهمی در برنامه‌ریزی كاربردی مزرعه بادی موفقی باشد. با استقرار توربین در كارآمدترین نقطه، تعداد آن‌ها را می‌توان به حداقل و خروجی آن را به میزان مورد نظر سازنده رساند.
●مطالعه سبز
CFD همچنین در یك مطالعه كارایی تیغه‌های روتور توربین برای تولید برق مورد استفاده قرار گرفت. یك تحلیل CFD در آزمایش‌های انجام شده توسط لابراتوار ملی انرژی تجدید‌پذیر كالیفرنیا – ایالات متحده آمریكا، زاویه، محاسبات تولید برق توربین، آیرودینامیك آن و مدل ساختار روتور را مشخص كرد. یك شبكه CFD ساختار نیافته مورد استفاده قرار گرفت كه از ۴۷۸۶۶۴ سلول تشكیل شده بود. با استفاده از داده‌های در دسترس كارایی، توزیع فشار روی تیغه‌های محاسبه و از آن برای تعیین قدرت شفت استفاده شد. قدرت ژنراتور و كارایی عملیاتی كه با تحلیل CFD پیش‌بینی شده بود با یك درصد تقریب مانند منحنی به دست آمده از سوی لابراتوار ملی انرژی تجدید‌پذیر بود و دقت كاربرد CFD را نشان داد.
انگلستان به اندازه كافی خوشبخت است كه چند پایگاه بالقوه مناسب برای نصب ژنراتور‌های برق حاصل از امواج دارد یكی از این پایگا‌ه‌ها در «سورن استوآری» است كه برآورد شده یك نیروگاه موجی در كانال بریستول می‌تواند هفت درصد برق مورد نیاز انگلستان وویلتر را تولید كند. در سراسر جهان تعداد مناطق مناسب برای ساختن چنین نیروگاههایی به دلیل ملاحظات زیست‌محیطی محدود است. سطح موج برای تولید برق به شكل عملی باید حداقل پنج متر بوده یك كانال باریك برای ساخت یك سد خاكی برای نصب ژنراتورها مورد نیاز است. در حال حاضر یكی از این نیروگاه‌ها در «رنس-فرانسه» در حال بهره‌برداری است. دولت فرانسه قصد داشت تا از این قسم نیروگاه‌ها چند واحد در دهه ۱۹۶۰ بسازد اما سیاست خود را عوض كرد و به جای آن به نیروگاههای هسته‌ای روآورد و این چیزی بود كه در چند نقطه انگلستان رد شده بود.
●توسعه
فناوری تولید برق از امواج مبتنی بر همان اصول مورد استفاده در ایجاد نیروگاه‌های آبی روی رودخانه‌ها، یعنی جایی بوده كه روی رودخانه سدی احداث شده و جریان به طرف توربین‌های نصب شده در سد هدایت می‌گشت. با آنكه CFD برای طرح موجی استفاده نشده اما كارآمدی خود را در پروژه‌های رودخانه‌ای نشان داده است. یك نمونه مربوط به زمانی است كه شركت «هیدروكبك» تولید‌كننده برق برای ۵/۳ میلیون مشتری در «كبك-كانادا» از آن بهره برد. این كمپانی CFD برای تحقیق درباره دلایل ناكارا بودن نیروگاه آبی نصب شده در اوایل دهه ۱۹۸۰ استفاده كرد. هنگام ساخت این تاسیسات، آن فناوری كه تحقیق در چنین مساله‌ای را میسر كند وجود نداشت اما با توسعه CFD انجام این كار در سال‌های اخیر میسر شده است.
آنها با استفاده از CFD قادر به ساخت مدل دقیق جریان آب از ۱۲ توربین در حال كار شده جریان آب را در هر بخش مجزای هر توربین در سطوح مختلف امتحان كردند. تحلیل‌ها مشخص كرد كه یك منطقه بزرگ جریان مجدد در زانویی توربین و همچنین یك نقطه كوچكتر در رانر وجود دارد كه نزدیك لبه و تاج در سمت فشار تیغه توربین قرار دارد پس از آزمایش‌های متعدد دیگر بر مبنای یك رشته پیشنهاد، بالاخره یك طراحی نهایی جدید رانر لبه‌های تیغه – كه مسایل شناسایی شده را حذف می‌كرد و با استفاده از CFD به طور مجازی تست شده بود- پیدا شد. این تعدیل پیشنهادی روی یكی از توربین‌ها پیاده شد ونتیجه آن افزایش خروجی به میزان ۸/۷ مگاوات و افزایش كارایی توربین به میزان ۶/۱ درصد بود. درآمد حاصل از این تعدیل به رقم سالانه ۲۰۰ تا ۵۰۰ هزار دلار كانادا (۳۵۵۹۰۰-۱۴۲۳۰۰ دلار آمریكا) رسید و تعدیل توربین را سودآور نشان داد. این امر باعث شد كه برنامه‌ای برای تعدیل ۱۱ توربین دیگر – كه هر سال سه توربین تكمیل می‌شود- پیاده شود. هیدروكبك امیدوار است این كار را قبل از زمستان ۲۰۰۴ تكمیل كند.
اینك باید منتظر شد تا ببینم آیا این نوع افزایش در منابع انرژی تجدید‌پذیر در كاغذ سفید انگلستان تجسم پیدا می‌كند (یا خیر). آنچه مسلم‌تر است، مساله تامین سرمایه است. فناوری CFD احتمالاً نقشی هم در ساختن این فرایند‌های تولید این انرژی به شكلی موثرتر وكارآمدتر بوده هدف كاهش عمده گاز CO۲ را به واقعیت نزدیك‌تر می‌كند.

نشریه شركت فلوئنت یوروپ: انگلستان

منبع : مجله بولتن بین الملل