باد چیست ؟

●کاربرد انرژی باد

از انرژی باد جهت موارد ذیل بهره گرفته می شود:

- الکتریسیته
- پمپاژ آب از چاهها و رودخانه ها
- آرد کردن غلات، کوبیدن گندم
- گرمایش خانه

استفاده از انرژی بادی در توربین های بادی که به منظور تولید الکتریسته بکار گرفته می شوند از نوع توربین های سریع محور افقی می باشند. هزینه ساخت یک توربین بادی با قطر مشخص، در صورت افزایش تعداد پره ها زیاد می شود.

در مکانهائی که شبکه برق رسانی ضعیف و بادهای محلی در نزدیکی ژنراتورهای بادی موجود می باشد استفاده از این حامل انرژی کاربرد بیشتری خواهد داشت.

در طی انقلاب صنعتی سوخت های فسیلی بدلیل ارزانی و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرژی باد شدند. با این وجود، بحران نفتی باعث ایجاد تمایلات جدیدی در زمینه تکنولوژی انرژی باد جهت تولید برق متصل به شبکه، پمپاژ آب و تامین انرژی الکتریکی نواحی دور افتاده گردید. در سالهای اخیر، مشکلات زیست محیطی و مسئله تغییر آب و هوای کره زمین بعلت استفاده از منابع انرژی متعارف این علائق را تشدید کرده است.  

●مزارع بادی

معمولا چندین توربین بادی متمرکز را شامل می شود که به منظور تامین انرژی که از طریق شبکه توزیع می شود طراحی شده اند بیشترین ظرفیت توربینهای بادی نصب شده در چند دهه گذشته به شبکه متصل بوده و نیزاز توربینهای بادی در کاربردهای منفصل از شبکه مانند تولید انرژی در نواحی دور افتاده و شارژ باتری استفاده می شود. کاربرد مهم دیگری که توربینهای بادی دارند تولید انرژی مکانیکی جهت پمپاژ آب است.

اندازه فن آوری جدید توربینهای بادی مدرن به دو شاخه اصلی می‌شوند :

توربین های با محور افقی و توربین های با محور عمودی آسیاب های بادی قدیمی همچنان در بسیاری مناطق غیرشهری دیده می شوند .

می‌توان از توربین های بادی با کارکردهای مستقل استفاده نمود و یا می‌توان آنها را به یک ” شبکه قدرت تسهیلاتی “ وصل کرد یا حتی می‌توان با یک سیستم سلول خورشیدی یا فتوولتائیک ترکیب کرد.

عموماً از توربین های مستقل برای پمپاژ آب یا ارتباطات استفاده می‌کنند، هرچند که در مناطق بادخیز مالکین خانه‌ها و کشاورزان نیز می‌توانند از توربین ها برای تولید برق استفاده نمایند مقیاس کاربردی انرژی باد، معمولا ‌تعداد زیادی توربین را نزدیک به یکدیگر می‌سازند که بدین ترتیب یک مزرعه بادگیر را تشکیل می‌دهند.

▪توربین های بادی متصل به شبکه معمولا دو کاربرد دارند:

توربینهای بادی منفرد: برای تامین بارهای الکتریکی از نوع مسکونی، تجاری، صنعتی یا کشاورزی تولید انرژی می نمایند. بار مصرفی در مجاورت توربین قرارداشته و بار مصرفی به شبکه نیز متصل است.

اکثرا توربین در نزدیکی یک کشتزار یا گروهی از منازل قرار داده میشود. عموما اندازه این توربین ها مابین kwe ۱۰۰ -۱۰ است.

پمپ های بادی موارد استفاده از توربین های بادی جهت پمپاژ آب عبارتند از:

- تامین آب آشامیدنی چارپایان در مناطق دور افتاده

- آبیاری در مقیاس کم و آبکشی از عمق کم برای پرورش آبزیان

بیش از یک میلیون پمپ بادی درحال حاضر بعنوان نمونه در آرژانتین، ایالات متحده آمریکا، آفریقای جنوبی، بوتسوانا، نامبیا و زیمبابوه نصب شده اند.

انواع بادها طبق تصویر

نیروهای صفرتا 2:
سرعت باد تا 11 کیلومتر (صفر تا 7 مایل) در ساعت ؛ هوا آرام یا دارای حرکت آهسته بوده و همراه با غبار و حرکت آهسته برگها می‌باشد.

نیروهای 3تا4:
سرعت باد از 12 کیلومتر (8 مایل) در ساعت تا 29 کیلومتر (18 مایل) در ساعت می‌باشد. نسیم یا باد متوسط وجود دارد که پرچمها را به هم می‌زند، کاغذها را به هوا بلند می‌کند و به اطراف می‌برد و برگها و شاخه‌های کوچک درختان را حرکت می‌دهد.

نیروهای 5 تا6:
سرعت باد از 30 کیلومتر (19 مایل) در ساعت تا 50 کیلومتر (31 مایل) در ساعت است. باد نیمه قوی یا قوی وجود دارد و درختان کوچک و شاخه‌های بزرگ به حرکت در می‌آیند و اشیاء سبک در سطح زمین به اطراف پرتاب می‌شوند.

نیروهای7 تا 9:
سرعت باد از 51 کیلومتر (39 مایل) تا 87 کیلومتر (54 مایل) در ساعت است. تند باد یا طوفان شدید وجود دارد. تمام درختان تکان می‌خورند، شاخه‌ها می‌شکنند و دودکشها و سقفهای خانه‌ها از جا کنده می‌شوند.

نیروهای 10 تا12:
سرعت باد از 88 کیلومتر (55 مایل) در ساعت تا بیش از 118 کیلومتر (74 مایل) در ساعت می‌باشد. طوفان یا طوفان شدید وجود دارد. درختها از ریشه کنده می‌شوند و خرابیهای گسترده ایجاد می‌شود.

استفاده از انرژی باد

نیروی باد (فن آوری استفاده از باد برای ایجاد برق) جزء منابع جدید تولید برق است که امروزه سریعترین رشد را در سطح جهانی بخود اختصاص داده است. نیروی باد توسط توربینهای عظیم سه پره‌ای تولید می‌شود که در بالای برجهای بلند نصب می‌شوند و کار کردشان مانند پنکه معکوس است. بجای استفاده از انرژی برق برای تولید باد و خنکی ، توربینها از باد استفاده می‌کنند که نیروی برق تولید کنند. باد پره‌ها را می‌گرداند و پره‌ها از طریق شافت یا میله گردان انتقال دهنده حرکت و یک سری چرخ دنده ژنراتور الکتریکی را به حرکت وا می‌دارد.

توربینهای بزرگ برای دستگاهها و ماشین آلات از 750 کیلو وات تا 1.5 مگا وات برق تولید می‌کنند (یک کیلو وات معدل 1000 وات و یک مگا وات معادل یک میلیون وات است). برای منازل ، ایستگاههای مخابراتی و پمپ آب توربینهای کوچک با توان حداکثر 100 کیلو وات کفایت می‌کند؛ بویژه در نقاط دور افتاده که هیچ منبع انرژی دیگری برای ارائه خدمات وجود ندارد. در کارخانجات باد یا اصطلاحا در مزارع باد ، گروههایی از توربین های بادی بهم متصل شده تشکیل یک شبکه را میدهند و برق تولید میکنند. برق تولیدی از طریق دستگاه انتقال نیرو و شبکه خطوط توزیع به دست مصرف کننده می رسد.
 

باد و آب

چگونه می‌توان از باد و آب بطور همزمان و با همکاری یکدیگر بهره برداری کرد تا منبعی مستمر و ثابت از برق بادی و آب شیرین بدست آورد؟ یکی از مشکلات روزافزون جهانی مسئله کمبود آب شیرین در آینده‌ای نزدیک است. طبق آمار سازمان ملل ، جمعیت در حال افزایش دنیا تا سال 2025 روزانه به میلیاردها متر مکعب آب شیرین اضافی در روز نیاز خواهد داشت. در حالیکه ظرفیت جاری جهانی آب شیرین کنی رقمی در حدود 28 میلیون متر مکعب در روز برآورد می‌شود.
یک راه حل اساسی برای مبارزه با کمبود آب در آینده، شیرین کردن و نمک گیری آب شور اقیانوسها در مقیاس وسیع میباشد، لکن نمک گیری و آب شیرین کنی پروسه‌ای بسیار پر خرج و فن آوری انرژی بر در اغلب نقاط گیتی است. در میان کلیه فن آوریهای جاری آب شیرین کنی ، سیستم اوسموسیس معکوس بالاترین کارآیی انرژی برق را دارد و میان 3 تا 8 کیلووات ساعت برق به ازای هر متر مکعب آب راندمان آن است.

اوسموسیس معکوس متدی است که آب شیرین و خالص را از طریق تزریق یا فشار آب نمکی از داخل یک غشا یا پرده نیمه ضد آب (که اجازه می‌دهد گروهی از سلولها و نه همه آنها ، از آن بگذرند) که اجازه گذشت نمک را نمی‌دهد، می‌گذرانند. با وجود راندمان بالای سیستم اوسمس معکوس ، 40 در صد قیمت آب شیرین به مصرف انرژی مورد نیاز می‌رسد. از نقطه نظر قیمت و محیط زیست ، منابع انرژی جایگزین ارزان و تمیز برای راه حلهای آب شیرین کنی مقرون به صرفه مورد نیاز می‌باشد.

انرژی باد بهر حال یکی از ارزانترین منابع انرژی قابل تجدید است که دارای آینده‌ای امیدوار کننده نیز می‌باشد. معهذا چون طبیعتی متغیر و قانون ناپزیر دارد و به هیچ فرمول و دستورالعملی پایبندی نشان نمی‌دهد، محققین می‌باید هنوز عواقب و عوارضی که بر سیستمهای آب شیرین کنی از خود نشان می‌دهد و عملکردش بر کل سیستم را ارزیابی دقیق کنند.

در 2004 پروژه باد یک طرح مطالعاتی در مورد سیستم ترکیبی انرژی باد و سیستم آب شیرین کنی را مورد توجه قرار داد که پروژه مزبور هنوز هم در کنکاش و جستجوی اثرات باد و آب شیرین کنی بطور توأما می‌باشد؛ و به این منظور مسائل فنی ، بررسی امکانات عملی و مناسب و قابل قیاس با ایده‌های جایگزین و ارزیابی عملی و دوام پذیر اقتصادی هر کدام از عمده امور مورد توجه پروژه می‌باشد. برای اطمینان از عرضه دائمی و بی وقفه برق به شبکه خدمات شهری ، پروژه باد مشغول مطالعه در مزایای بالقوه ادغام انرژیهای باد و آب بصورت همزمان است (که انرژی حرکتی یا سقوط آب را در مهار می‌آورد).

باد مخرب است یا مفید؟

گهگاه توفانها و گردبادهای سهمگینی در گوشه و کنار جهان پدیدار می‌شود که اگر نیروی آنها بطور صحیح بکار گرفته شود، می‌تواند به جای مخرب بودن ، مفید باشد. اصول بهره برداری از انرژی باد از نخستین کوششهای انسان تا کنون تغییر نکرده است. با وزش باد ، قایقها و کشتیها به حرکت در می‌آیند و یا پره آسیاب بادی از طریق دنده‌ها گردانده می‌شود. امروزه مولدهای الکتریسیته بادی به نحوی طراحی شده‌اند که از حداکثر نیروی باد بهره برداری شود و انرژی باد بجای آسیاب کردن غلات ، بوسیله یک ژنراتور توربینی تبدیل به الکتریسیته می‌شود.

مزایای انرژی بادی

یکی از مزایای انرژی باد آن است که وزش باد در زمستانها سریعتر است و هنگامی که نیاز بیشتری به برق داریم، الکتریسیته بیشتری تولید می‌شود. این انرژی بدون ایجاد آلودگی ، دارای منبع انرژی پایان ناپذیر و فن آوری آزموده شده است. پیشرفتهای اخیر در صنعت ، همواره سبب کاهش هزینه الکتریسیته تولید شده توسط مولدهای بادی می‌باشد؛ این مبلغ کمتر از هزینه الکتریسیته تولید شده توسط زغال سنگ و شکافت هسته‌ای است و از نظر اقتصادی قابل رقابت با سایر موارد می‌باشد.

همچنین مانند دیگر انرژیهای قابل تجدید و ادامه دار مخالفان زیادی ندارد. بریتانیا دارای موقعیتهای خوبی از نظر منبع باد در اروپا است. دانمارک در مقایسه با انگلستان که فقط 25% درصد الکتریسیته مورد نیاز خود را از نیروی باد تأمین می‌کند، 3.7 درصد (600 میلیون وات) الکتریسیته مورد نیاز را از انرژی باد تهیه می‌کند؛ در صورتی که منبع باد انگلستان 28 برابر بیش از دانمارک است.
 

ناکار آمدیهای انرژی بادی

گفته می‌شود که یکی از بزرگترین موانع بهره برداری از نیروی باد در بریتانیا ، مسأله تأثیر زیست محیطی آن است. بسیاری از مردم می‌گویند مولدهای بادی از نظر ظاهری ناخوشایند بوده و پر سر و صدا می‌باشند؛ بخصوص چون در نواحی زیبای خارج از مناطق شهری قرار دارند. اما باید گفت مولدی که سوخت آن زغال سنگ است، مسلما پر سر و صداتر و زشت تر از دکلهای آسیاب بادی خواهد بود. صدای متوالی توربینهای دکلهای آسیاب بادی برای کسانی که در نزدیکی آنها می‌باشند، یک موضوع مهم به شمار می‌رود. اکنون صدای این مولدها به کمک فناوری چرخ دنده‌ها و توربینهای سه تیغه‌ای قابل کنترل می‌باشد.
 

نیروگاه ساحلی

یک راه پیشگیری از شکایات مذکور ، بنا کردن مجموعه دکلهای بادی در پایگاههای ساحلی است که هیچ کس نه آنها را می‌بیند و نه صدایشان را می‌شنود؛ همچنین در آنجا اغلب وزش باد دو برابر خشکی می‌باشد. با اینکه هوای دریا طبیعتی تباه کننده دارد و سبب کاهش عمر مولدها می‌گردد، اما در عوض احتمال تخریب و خرابکاری در آنها کاسته می‌شود.

نیروگاههای جدید بادی

امروزه ارتفاع برجهای مخصوص انرژی باد به 70 متر می‌رسد، می‌توانند 1.5 مگاوات برق تولید کنند. اما نصب روتورهای (چرخنده‌ها) قویتر در این تأسیسات می‌تواند بهای الکتریسته حاصل از این منبع غیر سنگواره‌ای را تا حد قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد. در حال حاضر یک شرکت آلمانی در صدد است تا با تولید نسل جدیدی از تأسیسات بادی هزینه این منبع انرژی جایگزین را تا حد الکتریسیته هسته‌ای کاهش دهد. برج جدید که 90 متر ارتفاع دارد، قادر است 5 مگاوات الکتریسیته تولید کند، از آنجا که مجموعه چرخ دنده‌ها و مواد در یک واحد جای دارند، بخش محرک بسیار سبکتر از نمونه‌های قبلی است. این ویژگی امکان استفاده از این تأسیسات را در دریاهای آزاد که در آنها بادهای قویتری می‌وزد، آسانتر می‌سازد.

از اطلاعات مربوط به صنعت هواپیمایی ، آیرودینامیک ، الکترونیک و ... در ساخت این ماشینها بهره گیری می‌شود. به این ترتیب پروانه‌هایی ساخته می‌شود که برای بادهای تند بطور سریع کار می‌کند. ماشینهای دیگر غیر از پروانه نیز مورد نظر بوده و در حال توسعه است. دو درصد از انرژی خورشید که به زمین می‌رسد به باد تبدیل می‌گردد، 35 درصد انرژی باد در ضخامت یک کیلومتری از سطح زمین موجود است. محاسبات نشان می‌دهد که برای تمام سیاره زمین این انرژی 20 برابر انرژی مصرفی دنیا است.
 

نیروگاه بادی در آسمان

بهره‌گیری از نیروی باد به عنوان یکی از منابع انرژی نو روز به روز بیشتر می‌شود. توان کنونی جهان ، حدود 50 هزار مگاوات است؛ یعنی چیزی در حدود توان 50 نیروگاه هسته‌ای. اما هنوز مشکلاتی بر سر راه بهره‌برداری از این الکتریسیته‌ سبز وجود دارد. توربینهای چرخان باعث تداخل در دریافت تلویزیونی می‌شوند و به نظر می‌رسد وقتی باد نمی‌وزد، منظره‌‌ ناخوشایندی از چیزهایی بی‌مصرف را به نمایش می‌گذارند.

اما برایان رابرت ، مهندس استرالیایی ، راه حل جالبی برای این کار دارد: به جای برافراشتن توربینها روی زمین ، آنها را در جریان تند باد در ارتفاع 15 تا 45 هزار پایی شناور می‌سازیم. او با همکاری سه مهندس دیگر دستگاهی را ساخته‌اند که ژنراتور الکتریکی پرنده (FEG) نام گرفته است. این دستگاه مانند بادبادک در هوا شناور می‌ماند و بادهایی با سرعت 200 مایل بر ساعت ، پره‌های آن را می‌چرخانند. جریان الکتریکی تولید شده از راه رشته‌ بسیار محکمی به ایستگاه زمینی فرستاده می‌شود. به نظر این مهندس استرالیایی می‌توان 600 عدد از این دستگاهها را در هوا داشت که هر کدام 20 مگاوات برق تولید می‌کنند.
 

محاسبه سرعت میانگین باد

بادها از یک قانون کلی تبعیت می‌کنند، ولی از لحاظ شدت روزانه و مدت وزش در هر نقطه از زمین بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌کند. سرعت باد نسبت به ارتفاع از سطح دریا تغییر می‌کند. با آزمایشهایی که انجام یافته ، نسبت توان تولیدی در ارتفاع 1500 متری به توان تولیدی در ارتفاع 50 متری برابر 25 و در ارتفاع 300 متری این نسبت برابر 10 می‌باشد.

میانگین سرعت باد و چگالی توان باد در دراز مدت

نام شهر سرعت باد چگالی توان باد
خوی 13 29
دزفول 21 89
رامسر 10 15
رشت 11 16
ارومیه 7 5
زابل 22 131
زاهدان 19 91
زنجان 13 26
سبزوار 20 107
سقز 17 61
سمنان 13 29
سنندج 24 35
ششاهرود 11 19
شهر کرد 14 38
شیراز 12 23
طبس 10 15
قزوین 10 12
کرمان 23 162
کرمانشاه 16 57
گلستان 12 26
مشهد 14 36
همدان 16 59
یزد 15 46
بندر لنگه 17 66
بندر عباس 18 56
بوشهر 13 28
بیرجند 10 13
تبریز 18 79
تربت حیدریه 13 31
تهران 15 42
چاه بهار 13 25
خرم آباد 10 48
آبادان 15 47
اراک 15 41
اصفهان 13 28
اهواز 27 271
ایرانشهر 13 31
بم 10 13
انزلی 10 14
بابلسر 8 6

مسائل اقتصادی ماشینهای بادی

امروزه تکنولوژی استفاده از انرژی باد در بسیاری از کشورها در دسترس بوده و ارزانترین راه برای تهیه الکتریسیته از مشتقات انرژی خورشیدی تشخیص داده شده است. بهای انرژی تولید شده به عوامل محیطی و عملی و نیز نوع ماشین بکار گرفته شده بستگی دارد. با بررسیهای مختلفی که در زمینه قیمت استفاده از انرژی باد انجام گرفته است، نشان می‌دهد که گر چه هزینه ماشینهای بادی با بزرگی و نیز ازدیاد توان تخمینی آنها افزایش می‌یابد، ولی بهای هر کیلو وات انرژی آنها کاهش پیدا می‌کند.

وقتی کاربردهای جمعی ماشینهای بادی مورد نظر باشد، هزینه‌های کاربردهای جمعی ماشینها در ابعاد کوچک است. لازم به یاد آوری است که در انتخاب دستگاههای بزرگ محدودیتهایی وجود دارد. مثلا اگر سرعت انتهایی پره ماشین بادی به حد سرعت صوت و یا بیشتر برسد تولید موج ضربه کرده و سبب گرم شدن و فرسودگی و از کار افتادن سریع ماشین می‌شود.

علاوه بر اینکه باید سعی شود تا ماشینهای بادی هزینه اصلی (هزینه ساخت روتور ، دکل و ..) کمتری داشته باشند و بایستی در محلهایی نیز که باد قابل ملاحظه‌ای دارند نصب شوند و ماشین برای سرعت باد عملی تنظیم شده باشد. تهیه ماشینی که برای تمام سرعتهای باد کار کند، گرانتر تمام می‌شود. ماشینهای معمولی بادی اصولا برای جلوگیری از مصرف سوختهای دیگر در ایام وزش باد بکار می‌روند و همراه با سایر دستگاههای تولید انرژی نیز ار آنها استفاده می‌شود.
اگر از ماشین بادی بصورت تنها منبع انزژی استفاده شود، باید دستگاههای ذخیره انرژی در کنار ماشینهای بادی نظیر انباره‌ها ، ذخیره هیدروژن به توسط الکتریسیته ، دستگاههای ذخیزه حرارتی ، دستگاههای ذخیره انرژی جنبشی (چرخ طیار ، دستگاههای الکترومغناطیسی فوق هادی) ، دستگاههای ذخیره انرژی پتانسیل (نظیر دستگاههای سیالی پمپی با دستگاههای ذخیره فشاری) بکار گرفته شوند. با اضافه کردن دستگاههای دخیره ، بهای برق تولیدی ممکن است به مراتب افزایش یابد.
 

توربین های بادی

در طی تاریخ، انسانها باد را به شیوه‌های مختلف به کار بردند. بیش از پنج هزار سال پیش، مصریان باستان از نیروی باد برای راندن کشتی‌های خودروی رود نیل استفاده کردند. بعد از آن، انسان آسیاب بادی را برای آسیاب کردن بذر خود ساخت. جدیدترین آسیاب بادی متعلق به ایران است. این آسیاب شبیه به پاروهای بسیار بزرگ بوده.

قرن‌ها بعد، مردم هلند طرح پایة آسیاب بادی را بهبود دادند. آنها تیغه‌های پروانه مانند ساخته شده از پره‌های نو به آسیاب بادی اضافه کردند و روشی برای تغییر جهت آن مطابق با جهت باد ابداع کردند. آسیاب‌های بادی به هلندی‌ها کمک کردند که در قرن 17 صنعتی ترین کشور جهان باشند.

برخی از کشورها آسیاب‌های بادی را برای آسیاب گندم و ذرت، پمپ کردن آب و قطع درختان به کار می‌بردند. در سال 1920 در کشورهای توسعه یافته از آسیابهای کوچک برای تولید برق روستایی بدون خدمات برق به کار بردند. در سال 1930 زمانیکه خطوط نیرو شروع به انتقال برق از نواحی روستایی کرد، آسیابهای محلی کمتر و کمتر شدند، اگرچه در حال حاضر نیز می‌توان آنها را دید.

ذخایر نفت در سال 1970 تصویر انرژی را برای کشورهای جهان عوض کرد. این امر محیطی بازتر برای منابع جایگزین انرژی خلق کرد و راه را برای ورود مجدد آسیاب‌های بادی به چشم انداز آمریکایی در تولید برق هموار کرد.

مکانیسم‌های آسیاب‌های بادی

آسیابهای بادی چون سرعت باد را کم می‌کنند، می‌توانند کار کنند. باد روی تیغه‌های ورقه مانند نازکی جریان یافته و آنها را بلند می‌کند و باعث چرخش آنها می‌شوند (مانند تأثیر باد روی بالهای هواپیما) تیغه‌ها به میلة هدایت متصل است و آن نیز یک مولد برق را چرخانده و الکتریسیته تولید می‌کند.

مکانیسم‌های بادی نو

مکانیسم‌های بادی امروزه از لحاظ فنی بسیار پیشرفته‌تر از انواع قدیمی هستند. در این مکانیسم همچنان برای جمع‌آوری انرژی حرکتی باد از تیغه‌ها استفاده می‌شود اما این تیغه‌ها که از فایبرگلاس یا هر مادة محکم دیگر ساخته شده‌اند.

مکانیسم‌های بادی مدرن هنوز با مشکلاتی دست و پنجه نرم می‌کند، مثلاً اینکه وقتی باد نمی‌وزد باید چه کرد. توربین‌های بزرگ به شبکة نیرویی خدماتی متصل شده‌اند. برخی از آنها هنگامی که بادی نمی‌وزرد، جمع می‌شوند. توربین‌های کوچک گاهی اوقات به مولدهای الکتریکی ـ دیزلی متصلند و یا گاهی اوقات دارای باتری برای ذخیرة برق اضافی جمع آوری شده در هنگام وزش بادهای شدید، هستند.
 

انواع آسیابهای بادی

امروزه عموماً دو نوع مکانیسم بادی استفاده می‌شود، محور افقی با تیغه‌های شبیه به پرة هواپیما و محور عمودی که شبیه به فرفره است.

مکانیسم بادی محور افقی به علت اینکه مواد کمتری برای یک واحد برق نیاز دارد، بیشتر مورد استفاده است. حدود 95 درصد مکانیسم‌های بادی افقی محور هستند. ماشین بادی افقی ویژه‌ای دارای ارتفاعی به اندازة یک ساختمان 20 طبقه و سه تیغه دارد که قطر چرخش آن 200 متر است. بزرگترین ماشین‌های بادی دنیا تیغه‌هایی بزرگتر از یک زمین فوتبال دارند! ماشینهای بادی برای اینکه باد بیشتری را به دام بیندازند، بلند و عریض هستند.
 

ماشین‌های آسیاب بادی افقی

ماشینهای بادی با محور قائم تنها پنج درصد ماشینهای بادی بکار برده شده در دنیای امروز را به خود اختصاص داده است. نوع نمونه آن 100 متر طول و 50 متر پهنا دارد.

هر ماشین باری امتیازات و ایرادات خود را دارد. ماشینهای با محور افقی نیاز به روشی برای نگهداشتن گرداننده رو به باد دارد. این کار با یک دم روی ماشینهای کوچک انجام می‌گیرد. در ماشینهای بزرگ، یا یک گردانند در بخش پایینی برج قرار دارد که کاری شبیه به بادنمای هواشناسی را انجام می‌دهد و یا یک موتور هدایت کننده به کار برده می‌شود، ماشینهای با محور قائم می‌توانند باد را در هر جهتی قبول کنند.

دستگاههای نیروی بادی

دستگاههای نیروی بادی یا فراری بادی، سری ماشینها بادی است که برای تولید برق بکار برده می‌شوند. یک مزرعة بادی معمولاً دارای چندین ماشین پخش شده در ناحیة وسیعی است. دستگاههای هسته‌ای یا ذغالی و بسیاری از دستگاههای بادی غالباً به شرکت‌های با منافع عمومی داده نمی‌شوند. در عوض آنها توسط تاجرانی که برق تولید شده از مزرعة بادی را برای خدمات رفاهی می‌فروشند، اداره و مدیریت می‌شود. این شرکت‌های خصوصی به عنوان «تولید کننده‌های مستقل نیرو» شناخته می‌شوند.

به کار اندازی یک دستگاه نیروی بادی کار آسانی نیست و مالکان آن باید برای تعیین موقعیت نصب آن به دقت برنامه ریزی کنند. آنها باید میزان وزش باد، شرایط هواشناسی محلی، نزدیکی خطوط انتقال برق و کدهای منطقه‌بندی محلی را در نظر بگیرند.

دستگاههای بادی به زمین‌های زیادی نیاز دارند. یک ماشین بادی حدوداً به دو جریب زمین نیاز دارد. یک دستگاه نیروی بادی صدها جریب زمین نیاز دارد. از طرف دیگر، کشاورزان می‌توانند در اطراف ماشینهای بادی محصولات خود را به بار آورده و یا به چرای گله‌هاشان بپردازند.

وقتی یک دستگاه شناخته شد، هنوز هزینه‌هایی باقی می‌ماند. در برخی حالات، هزینه‌های باقیمانده با بخشش‌های مالیاتی که به منابع تجدیدپذیر انرژی داده می‌شود، حیران می‌شوند. دستگاه سیالیست‌های منظم منافع عمومی یا PURPA هم برای خریداری برق از تولید کننده‌های مستقل نیرو با قیمت‌های منصفانه به شرکت‌هایی نیاز دارد.
 

منابع بادی

بهترین محل برای نصب یا ساخت دستگاه بادی کجاست؟ میانگین سرعت باد برای به صرفه بودن تبدیل انرژی باد به برق حدود 23 کیلومتر در ساعت است. میانگین سرعت باد در برخی از کشورها16 کیلومتر در ساعت است. به علت دسترسی آسان به باد با دوام و همیشگی، برخی شرکت‌ها نصب ماشینها را در مناطق و دور از ساحل مدنظر دارند
 

آنمومتر

دانشمندان از وسیله‌ای به نام آنمومتر (anemometer) برای اندازه‌گیری سرعت باد استفاده می‌کنند. آنمومتر شبیه یک بادنمای هواشناسی است با ظاهری مدرن. این وسیله سه پرده با فنجان‌هایی در سد آنها و روی میلة چرخانی که با وزش باد می‌چرخد دارد. این وسیله به متری وصل است که سرعت باد را نشان می‌دهد. یک بادنما جهت باد را نشان می‌دهد اما سرعت باد را نشان نمی‌دهد. براساس یک قانون طبیعی سرعت باد در نواحی پهناور و بدون وقفه در وزش باد، با عرض جغرافیایی افزایش می‌یابد. مکانهایی مناسب برای دستگاههای بادی بالای تپه‌های گرد و صاف، دشت یا سواحل باز و فواصل کوهی که مثل قیف عمل می‌کنند، هستند .

تولید باد

چقدر می‌توانیم از باد انرژی بدست آوریم؟ دو اصطلاح وجود دارد که تولید پایة برق را توضیح می‌دهد. عامل کارایی و عامل گنجایش.

کارایی به این موضوع بر می‌گردد که چقدر می‌توان انرژی مفید (در این مورد، برق) از منبع انرژی کسب کرد. یک ماشین انرژی صد درصد کارا، می‌تواند تمام انرژی را به انرژی مفید تبدیل کند و هیچ انرژی را هدر نمی‌دهد هیچ ماشین با کارایی یا بهره وری صد درصد وجود ندارد. بعضی انرژی‌ها همیشه وقتیکه شکلی از انرژی به شکل دیگر تبدیل می‌شود، از دست می‌روند. انرژی هدر رفته معمولاً به شکل گرمای پراکنده شده در هوا است و نمی‌توان از آن بهرة اقتصادی مجدد برد. ماشین‌های بادی چقدر کارایی دارند؟ ماشینهای بادی تنها به اندازة دستگاههای دیگر مانند دستگاههای زغال بهره وری دارند. ماشین‌های بادی 30 تا 40 درصد انرژی متحرک باد را به برق تبدیل می‌کند، یک دستگاه مولد نیروی زغال سوز، حدود 30 تا 35 درصد انرژی شیمیایی زغال را به الکتریسیتة قابل استفاده تبدیل می‌کند

واژة گنجایش به توانایی دستگاه نیرو در تولید برق بر می‌گردد. یک دستگاه نیرو با گنجایش صد درصد تمام روز و هر روز هفته با تمام نیرو کار می‌کند. در چنین شرایطی هیچ وقتی برای تعمیر یا سوختگیری صرف نمی‌شود که اینچنین چیزی برای هر دستگاهی غیرممکن است. مشخصاً دستگاههای زغالی اگر تمام روزهای سال و بطور شبانه روزی کار کنند، دارای ظرفیت 75 درصد خواهند بود.

دستگاههای نیروی باد متفاوت از دستگاههای مولد نیروی سوخت سوز هستند. بهره‌وری آنها به میزان باد و میزان سرعت باد بستگی دارد. بنابراین ماشین‌های بادی نمی‌توانند در طول سال بطور 24 ساعته کار کنند. یک توربین بادی در یک مزرعة بادی شاخص در 65 تا 80 درصد زمان کار می‌کند، اما معمولاً کمتر از گنجایش کامل خود، زیرا سرعت باد همیشه در بیشترین مقدار خود نیست. بنابراین عامل گنجایش 30 تا 35 درصد است. علم اقتصاد نیز بخش عظیمی از گنجایش را داشته باشند، اما این امر خود اقتصادی نیست. تصمیم در این مورد براساس خروجی الکتریسیته در هر دلار سرمایه‌گذاری است.

یک ماشین بادی می‌تواند 5/1 تا 4 میلیون کیلو وات ساعت (kWh) برق در سال تولید کند. این میزان برق برای 150 تا 400 خانه در سال کافی‌ست. در این کشور، ماشینهای بادی 10 میلیارد کیلو وات ساعت انرژی در سال تولید می‌شود. انرژی بادی حدود 1/0 درصد برق ملت را که مقدار کمی هست تأمین می‌کند. این میزان برق برای کارهای خانگی یک میلیون خانه که به اندازة شهرهای شیکاگو و ایلی نویز است، کافی‌ست. کالیفرنیا بیشترین برق بادی را نسبت به سایر ایالت‌ها تولید می‌کند و تگزاس، منیسوتا و آیوا بعد از آن قرار دارند، 1300 ماشین بادی موجود بیشتر از یک درصد برق کالیفرنیا که حدود نصف میزان برق تولیدی در یک دستگاه نیروی هسته‌ای است را تولید می‌کند.

در سه سال گذشته گنجایش باد کل جهان بیش از دو برابر شده است. متخصصان انتظار دارند در چند سال بعد، تولید انرژی از ماشینهای بادی، سه برابر شود. هند و بسیاری از کشورهای اروپایی در حال برنامه‌ریزی برای تأسیس صنایع بادی جدید هستند. بسیاری از طرحهای جدید باد به علت عدم کنترل قانونی صنعت برق به تعویق درآورند. شرکت‌های خدماتی رفاهی و اجتماعی اطمینان نداشتند که چقدر عدم کنترل (deregulation) روی تکنولوژی‌های جدید تأثیر می‌گذارد. آیا دولت هنوز شرکت‌های خدمات رفاهی برای سرمایه‌گذاری روی طرحهای انرژی‌های تجدیدپذیر تشویق می‌کند؟ آیا بازاری برای انرژی تولید شده وجود دارد؟ چنین سئوالاتی هنوز بی‌جواب مانده. با این وجود سرمایه گذاری روی انرژی بادی به علت هزینة کم و تکنولوژی در حال پیشرفتش در حال افزایش است. باد در حال حاضر یکی از رقابتی‌ترین منابع برای تولید است.

نشانة امیدوار کنندة دیگر برای صنعت بادی تقاضای مصرف کننده برای انرژی‌های سبز انرژی‌هایی که به محیط زیست آسیبی نمی‌رسانند) است. بسیاری از شرکت‌های خدماتی به تازگی به مصرف کنندگان اجازه داده که به طور داوطلبانه برای برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر پول بیشتری بدهند. صنعت بادی برای برگشت به حالت تعویق یا موازنه درآمده است.
 

اقتصاد انرژی باد

از لحاظ اقتصادی، خبرهای خوب زیادی برای انرژی بادی وجود دارد، اولین خبر اینکه یک دستگاه بادی بسیار ارزان تر از دستگاه انرژی موسوم از نظر ساخت ساخته شده است. دستگاههای باد می‌توانند به ماشینهای بادی به راحتی اضافه کردند بطوریکه تقاضای برق تقاضا پیدا می‌کند. دومین خبر اینکه هزینة تولید برق از باد در دو دهة گذشته بطور برجسته‌ای کاهش یافته است. برق تولید شده توسط باد در سال 1975، 30 سنت برای هر کیلو وات ساعت بود، اما حالا به کمتر از 5 سنت رسیده است. توربین‌های جدید قیمت را کمتر هم خواهند کرد.
 

باد و محیط زیست

در سال 1970، ذخایر نفت بر توسعة منابع جایگزین انرژی فشار آورد. در سال 1990، از دیدگاه تجدیدپذیری محیط زیست، در برابر مطالعة دانشمندان که نشاندهندة تغییرات بالقوة آب و هوای جهانی درصورت افزایش استفادة مداوم از سوخت‌های فسیلی فشاری نیز بوجود آمد. انرژی بادی یک گزینة اقتصادی و راهبردی برای دستگاههای نیروی سنتی در بسیاری از نواحی کشور ارائه می‌دهد، باد سوخت پاکی است و مزاع بادی از آنجا که هیچ سوختی را نمی‌سوزانند، هیچ آلودگی آبی با هوایی نیز ایجاد نمی‌کنند.

جدی ترین آسیب زیست محیطی ماشینهای بادی شاید تأثیر منفی آنها روی جمعیت پرندگان وحشی و بر خود دیداری غیرطبیعی در چشم انداز محیط زیست باشد، برای برخی افراد، برق زدن تیغه‌های آسیابهای بادی در افق می‌تواند آزار دهنده باشد و برای برخی دیگر آنها جایگزین زیبایی برای دستگاههای نیروی سنتی هستند.

استفاده بهینه از باد

با تیغه‌هایی که حدود 87 متر قطر دارند، توربین Vestas V44-600 بزرگترین توربین بادی در حال فعالیت است. این توربین که در 96 متری روی برجی در غرب شهر تراورس (Traverse) میشیگان قرار داد، کمتر از یک درصد روشنایی و نیروی خروجی مجموع شرکت‌ها را فراهم می‌کند. اما این تعداد برای حدود 200 مصرف کننده ساکن در شهر کافی‌ست. این دسته از مردم که تمام برق خود را از نیروی باد به دست می‌آورند، با پرداخت حدود 20 درصد بیشتر به عنوان بهای برق به منظور حمایت از این طرح موافقند. توربین در دانمارک ساخته شد. تیغه‌ها طوری طراحی شده‌اند که بیشترین انرژی را از بادها بگیرد و سرعت مولد و موتور چرخاننده می‌تواند برای یکنواخت کردن نوسانات نیرو کمی تغییر کند. در بادهای متوسط 24 تا 25، سالیانه از توربین بادی بین 1/1 تا 2/1 میلیون کیلو وات ساعت تخمین زده می‌شود.
 

وارپ (WARP)

سیستم متفاوت مبدل انرژی باد به برق بوسیله یک مهندس هوانورد در کنتاکی طراحی شدن بسکوی چرخان شدت یافته بود انکو (Eneco) یا همان WARP (Wind Amplified Rotor Platform) از تیغه‌های بزرگ استفاده نمی‌کند هر مدل یک جفت توربین پر ظرفیت سوار شده روی هردو سطح کانال مدل تشدید کنندة هوای مقعر دارد. سطوح مقعر کانال هوا، باد را به سمت توربین‌ها هدایت کرده و سرعت آن را 50 درصد افزایش می‌دهند. انکو، برای بازاریابی تکنولوژی نیروی سکوهای نفتی دور از ساحل و سیستم‌های ارتباطات بی سیم از راه دور برنامه ریزی می‌کند. بنابراین در آینده طرح انکو می‌تواند با تولید نیروی برای خدمات رسانی رفاهی مردم بکار برده شود. نواحی WARP عظیم می‌تواند با برج‌های چندین متری که هرکدام چندین مگاوات برق تولید می‌کند، ساخته شود. حتی توربین‌ها می‌توانند برای تهیه نیروی ساکنین یک ساختمان، با ساختمان یکی شود .

منشا باد یک موضوع پیچیده است. از آنجاییکه زمین بطور نامساوی به وسیله نور خورشید گرم می‌شود بنابراین در قطب‌ها انرژی گرمایی کمتری نسبت به مناطق استوایی وجود دارد همچنین درخشکی‌ها تغییرات دما با سرعت بیشتری انجام می‌پذیرد و بنابراین خشکی‌ها زمین نسبت به دریاها زودتر گرم و زودتر سرد می‌شوند. این تفاوت دمای جهانی موجب به وجود آمدن یک سیستم جهانی تبادل حرارتی خواهد شد که از سطح زمین تا هوا کره، که مانند یک سقف مصنوعی عمل می‌کند، ادامه دارد. بیشتر انرژی که در حرکت باد وجود دارد را می‌توان در سطوح بالای جو پیدا کرد جایی که سرعت مداوم باد به بیش از ۱۶۰ کیلومتر در ساعت می‌رسد و سرانجام باد انرژی خود را در اثر اصطکاک با سطح زمین و جو از دست می‌دهد.

یک برآورد کلی اینگونه می‌گوید که ۷۲ تراوات (TW) انرژی باد بر روی زمین وجود دارد که پتانسیل تبدیل به انرژی الکتریکی را دارد و این مقدار قابل ترقی نیز هست.

توان پتانسیل توربین
انرژی موجود در باد را می‌توان با عبور آن از داخل پره‌های و سپس انتقال گشتاور پره‌ها به روتور یک ژنراتور استخراج کرد. در این حالت میزان توان تبدیلی با تراکم باد, مساحت ناحیه جاروب شده توسط پره و مکعب سرعت باد بستگی دارد. به این ترتیب میزان توان قابل تبدیل در باد را می‌توان به این ترتیب به دست آورد:

که در این فرمول P توان تبدیلی به وات، α ضریب بهره‌وری (که به طراحی توربین وابسته است)، ρ تراکم باد بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب، r شعاع پره‌های توربین برحسب متر و v سرعت باد برحسب متر بر ثانیه است.

زمانی که توربین انرژی باد را می‌گیرد سرعت باد کم خواهد شد که این خود باعث جدا شدن باد می‌شود. آلبرت بتز (Albert Betz) فیزیکدان آلمانی در ۱۹۱۹ اثبات کرد که یک توربین حداکثر می‌تواند ۵۹ درصد از انرژی بادی را که در مسیر آن می‌وزد را استخراج کند و به این ترتیب α در معادله بالا هرگز بیشتر از 0.59 نخواهد شد.

از ترکیب این قانون با معادله بالا می‌توان اینگونه نتیجه گرفت:
 

نمودار میزان و پیشبینی استفاده از برق بادی در سال‌های 1997 تا 2010

• حجم هوایی که از منطقه جاروب شده توسط پره‌ها عبور می‌کند به میزان سرعت باد و چگالی هوا وابسته است. برای مثال در روزی سرد با دمای ۱۵ درجه سانتی‌گراد (۵۹ درجه فارنهایت) در سطح دریا، چگالی هوا برابر ۱٫۲۲۵ کیلوگرم بر متر مکعب است. در این حالت عبور بادی با سرعت ۸ متر بر ثانیه در روتوری به شعاع ۱۰۰ متر تقریباً موجب عبور ۷۷٬۰۰۰ کیلوگرم باد در منطقه جاروب شده توسط پره‌ها خواهد شد.

• انرژی جنبشی حجم مشخصی هوا به مجذور سرعت آن وابسته است و از آنجایی که حجم هوای عبور از توربین به صورت خطی با سرعت رابطه دارد، میزان توان قابل دسترسی در یک توربین با مکعب سرعت نسبت مستقیم دارد. مجموع توان در مثال بالا در توربینی با شعاع جاروب ۱۰۰ متر برابر ۲٫۵ مگاوات است که بر طبق قانون بتز بیشترین میزان انرژی استخراج شده از آن تقریباً برابر ۱٫۵ مگاوات خواهد بود.

توزیع سرعت باد

میزان باد دائما تغییر می‌کند میزان متوسط مشخص شده برای یک منطقه خاص صرفاً نمی‌تواند میزان تولید توریبن بادی نصب شده در آن منطقه را مشخص کند. برای مشخص کردن فراوانی سرعت باد در یک منطقه معمولاً از یک ضریب توزیع در اطلاعات جمع‌آوری شده مربوط به منطقه استفاده می‌کنند. مناطق مختلف دارای مشخصه توزیع سرعت متفاوتی هستند. مدل رایلی (Rayleigh model) به طور دقیقی میزان ضریب توزیع سرعت در بسیاری مناطق را منعکس می‌کند.

از آنجاییکه بیشتر توان تولیدی در سرعت بالای باد تولید می‌شود, بیشتر انرژی تولیدی در بازه‌های زمانی کوتاه تولید می‌شود. بر طبق الگوی لی رنچ نیمی از انرژی تولیدی تنها در 15٪ از زمان کارکرد توربین تولید می‌شود و در نتیجه نیروگاه‌های بادی مانند نیروگاه‌های سوختی دارای تولید انرژی پایداری نیستند. تاسیساتی که از برق بادی استفاده می‌کنند باید از ژنراتورهای پشتیبانی برای مدتی که تولید انرژی در توربین بادی پایین است استفاده کنند.
 

ضریب ظرفیت

تا زمانی که سرعت باد ثابت نباشد تولید سالیانه انرژی الکتریکی توسط نیروگاه بادی هرگز برابر حاصل ضرب توان تولیدی نامی در مجموع ساعت کار آن در یک سال نخواهد شد. نسبت میزان توان حقیقی تولید شده توسط نیروگاه و ماکزیمم ظرفیت تولیدی نیروگاه را ضریب ظرفیت می‌نامند. یک نیروگاه بادی نصب شده در یک محل مناسب در ساحل ضریب ظرفیتی سالیانه‌ای در حدود 35٪ دارد. برعکس نیروگاه‌های سوختی ضریب ظرفیت در یک نیروگاه بادی به شدت به خصوصیات ذاتی باد وابسته است. ضریب ظرفیت در انواع دیگر نیروگاه‌ها معمولا به بهای سوخت و زمان مورد نیاز برای انجام عملیات تعمیر بستگی دارد. از آنجایی که نیروگاه‌های هسته‌ای دارای هزینه سوخت نسبتاً پایینی هستند بنابراین محدویت‌های مربوط به تامین سوخت این نیروگاه‌ها نسبتاً پایین است که این خود ضریب ظرفیت این نیروگاه‌ها را به حدود 90٪ می‌رساند. نیروگاه‌هایی که از توربین‌های گاز طبیعی برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند به علت پر هزینه بودن تامین سوخت معمولاً تنها در زمان اوج مصرف به تولید می‌پردازند. به همین دلیل ضریب ظرفیت این توربین‌ها پایین بوده و معمولا بین 5-25٪ می‌باشد.

بنا به یک تحقیق در دانشگاه استندورد که در نشریه کاربردی هواشناسی و اقلیم شناسی نیز به چاپ رسیده در صورت ساخت بیش از ده مزرعه بادی در مناطق مناسب و به طور پراکنده می‌توان تقریباً از 3/1 انرژی تولیدی آنها برای تغذیه مصرف کننده‌های دائمی استفاده کرد.
 

محدودیت‌های ادواری و نفوذ

میزان انرژی الکتریکی تولیدی توسط نیروگاه‌های بادی می‌تواند به شدت به چهار مقیاس زمانی ساعت به ساعت, روزانه و فصلی وابسته باشد. این میزان به تحولات آب و هوایی سالیانه نیز وابسته است اما تغییرات در این مقیاس زیاد محسوس نیستند. از آنجایی که برای ایجاد ثبات در شبکه, میزان انرژی الکتریکی تامین شده و میزان مصرف باید در تعادل باشند از این جهت تغییرات دائم در میزان تولید این ضرورت را به وجود می‌آورد که از تعداد بیشتری نیروگاه بادی برای تولیدی متعادل‌تر در شبکه استفاده شود. از طرفی ادواری بودن طبیعی تولید انرژی باد موجب افزایش هزینه‌های تنظیم و راه اندازی می‌شود و (در سطوح بالا) ممکن است نیازمند اصول مدیریت تقاضای انرژی یا ذخیره‌سازی انرژی باشد.

از ذخیره‌سازی با استفاده از نیروگاه‌های آب تلمبه‌ای یا دیگر روش‌ها ذخیره سازی برق در شبکه می‌توانند برای به وجود آوردن تعادل در میزان تولید نیروگاه‌های بادی استفاده کرد اما در مقابل استفاده از این روش‌ها موجب افزایش 25٪ هزینه‌های دائم اجرای چنین طرح‌هایی می‌شوند. ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی موجب به وجود آمدن تعادل بین دو بازه زمانی کم مصرف و پر مصرف خواهد شد و از این جهت میزان صرفه‌جویی عاید از ذخیره‌سازی انرژی هزینه‌های اجرای آن را جبران می‌کند. یکی دیگر از راهکارهای ایجاد تعادل در تولید و مصرف سازگار کردن میزان مصرف با میزان تولید با استفاده از ایجاد تعرفه‌های متفاوت زمانی برای مصرف‌کننده‌هاست.
 

یک نیروگاه بادی در غرب ایالت تگزاس در آمریکا

پیش‌بینی پذیری

با توجه به تغییرات باد قابلیت پیش‌بینی محدودی (ساعتی یا روزانه) برای خروجی نیروگاه‌های بادی وجود دارد. مانند دیگر منابع انرژی تولید باد نیز باید از قابلیت برنامه ریزی برخوردار باشد اما طبیعت باد این پدیده را ذاتا متغیر می‌کند. گرچه از روش‌هایی برای پیش‌بینی تولید توان این نیروگاه‌ها استفاده می‌شود اما در کل قابلیت پیش‌بینی پذیری این نیروگاه‌ها پایین است. این عیب این گونه نیروگاه‌ها معمولا باستفاده از روش‌های ذخیره سازی انرژی مانند استفاده از نیروگاه‌های آب تلمبه‌ای تا حدودی بر طرف می‌شود.
 

جاگذاری توربین

انتخاب مکان مناسب برای نصب نیروگاه بادی و جهت نصب توربین‌ها در محل از نکات حیاتی برای توسعه اقتصادی این گونه نیروگاه‌هاست. گذشته از دسترسی باد مناسب در محل مورد بحث, عوامل مهم دیگری مانند دسترسی به خطوط انتقال, قیمت زمین مورد استفاده, ملاحظات استفاده از زمین و مسائل زیست محیطی ساخت و بهره‌برداری نیز در انتخاب یک محل برای نصب نیروگاه‌ها موثر است. از این رو استفاده از نیروگاه‌های بادی در مناطق دور از ساحل ممکن است هزینه‌های مربوط به ساخت یا ضریب ظرفیت را با استفاده از کاهش هزینه‌های تولید برق جبران کنند.

 

بهره‌برداری از برق بادی

توان بادی نصب شده به مگاوات
رتبه کشور 2005 2006 2007
1 آلمان
18,415 20,622 22,247
2 ایالات متحده آمریکا
9,149 11,603 16,818
3 اسپانیا
10,028 11,615 15,145
4 هندوستان
4,430 6,270 8,000
5 جمهوری خلق چین
1,260 2,604 6,050
6 دانمارک
3,136 3,140 3,129
7 ایتالیا
1,718 2,123 2,726
8 فرانسه
757 1,567 2,454
9 پادشاهی متحده
1,332 1,963 2,389
10 پرتغال
1,022 1,716 2,150
11 کانادا
683 1,459 1,856
12 هلند
1,219 1,560 1,747
13 ژاپن
1,061 1,394 1,538
14 اتریش
819 965 982
15 یونان
573 746 871
16 استرالیا
708 817 824
17 ایرلند
496 745 805
18 سوئد
510 572 788
19 نروژ
267 314 333
20 زلاند نو
169 171 322
21 مصر
145 230 310
22 بلژیک
167 193 287
23 تایوان
104 188 282
24 لهستان
83 153 276
25 برزیل
29 237 247
26 کره جنوبی
98 173 191
27 ترکیه
20 51 146
28 جمهوری چک
28 50 116
29 مراکش
64 124 114
30 فنلاند
82 86 110
31 اوکرائین
77 86 89
32 مکزیک
3 88 87
33 کستاریکا
71 74 74
34 بلغارستان
6 36 70
35 ایران
23 48 66
36 مجارستان
18 61 65
بقیه اروپا 129 163
بقیه آمریکا 109 109
بقیه آسیا 38 38
بقیه آفریقا و خاورمیانه 31 31
بقیه اقیانوسیه 12 12
کل جهان (MW) 59,091 74,223 ~ 94,000
 

یک مزرعه بادی در نزدیکی منجیل

در جهان هزاران توربین بادی در حال بهره‌برداری وجود دارد که ظرفیت تولیدی آنها به 73.904 مگاوات می‌رسد و در این میان اتحادیه اروپا 65٪ از کل توان بادی جهان را تولید می‌کند. تولید برق بادی در میان دیگر روش‌های تولید انرژی الکتریکی دارای بیشتری شتاب رشد در قرن 21 بوده است به طوری که تولید توان بادی جهان در بین سال‌های 2000 تا 2006 چهار برابر شده است. در دانمارک و اسپانیا برق بادی حدود 10٪ یا بیشتر ازکل تولید انرژی الکتریکی را تشکیل می‌دهد. گرچه 81٪ از توان بادی تولید شده در جهان به ایالات متحده و اتحادیه اروپا تعلق دارد اما سهم پنج کشور اول تولید کننده برق بادی از 71٪ در سال 2004 به 55٪ در سال 2005 کاهش یافته است.

انجمن جهانی انرژی بادی پیش‌بینی کرده در سال 2010 ضرفیت تولیدی برق بادی به 160 گیگاوات برسد. با توجه به میزان تولید کنونی 73.9 مگاوات این رقم پیش‌بینی یک رشد 21٪ را در هر سال نشان می‌دهد.

از جمله کشورهایی که سرمایه گذلری زیادی در این زمینه انجام داده‌اند می‌توان به آلمان, اسپانیا, ایالات متحده,هند و دانمارک اشاره کرد. کشور دانمارک یکی از کشورهای برجسته در تولید تجهیزات و استفاده از توان بادی است. دولت دانمارک در دهه 1970 ملزم شد تا تولید انرژی الکتریکی از انرژی باد را به 50٪ کل تولید برق برساند و تا به امروز برق بادی 20٪ (بیشترین میزان تولید برق بادی از نظر درصد تولید) از کل تولید انرژی الکتریکی در این کشور را تشکیل می‌دهد؛ این کشور هچنین پنجمین تولید کننده بزرگ برق بادی محسوب می‌شود (در حالی که دانمارک از نظر میزان مصرف در جهان رتبه 56 را دراست). آلمان و دانمارک دو کشور پیشتاز در زمینه صادرات توربین‌های بزرگ (0.66 تا 5 مگاوات) به حساب می‌آیند.

آلمان یکی از کشورهای پیشتاز در زمینه تولید برق بادی بوده است به طوری که در سال 2006 این کشور 28٪ از کل توان بادی تولید شده در جهان (7.3٪ در آلمان) را به خود اختصاص داده است. این در حالی است که آلمان برنامه دارد تا سال 2010 12.5٪ از کل توان تولیدی خود را از منابع تجدیدپذیر تامین نماید. کشور آلمان دارای حدود 18600 توربین بادی است که بیشتر آنها در شمال آلمان نصب شده‌اند که در این میان سه توربین از بزرگترین توربین‌های جهان نیز وجود دارند.

در سال 2005 دولت اسپانیا قانونی را تصویب کرد که بر طبق آن نصب 20000 مگاوات ظرفیت بادی تا سال 2012 در برنامه دولت قرار گرفت. البته در سال 2006 یارانه‌ها و پشتیبانی دولت از ساخت این ظرفیت‌ها به ناگهان قطع شد. قابل ذکر است که در سال 2005 در هر دو کشور آلمان و اسپانیا تولید انرژی الکتریکی از راه استفاده از نیروگاه‌های بادی از تولید انرژی الکتریکی به وسیله نیروگاه‌های برق آبی بیشتر بود.

در سال‌های اخیر ایالات متحده از هر کشور دیگری بیشتر توربین بادی به شبکه برق خود افزوده است و پیش‌بینی می‌شود که ظرفیت تولیدی این کشور در سال 2007 افزایشی 3 گیگاواتی داشته باشد. تولید برق بادی در ایالات متحده در بازه زمانی بین فوریه 2006 تا فوریه 2007 31.8٪ رشد را نشان می‌دهد. ایالت تگزاس با پیشی گرفتن از کالیفرنیا اکنون بیشترین تولید برق بادی را دربین ایالت‌های مختلف این کشور دارد این ایالت پیش‌بینی کرده که در سال 2007 در مجموع 2 گیگاوات به توان فعلی خود بیفزاید. پیش‌بینی می‌شود که ایالت‌های ایووا و مینه سوتا هر یک در انتهای سال 2007 1 گیگاوات برق بادی تولید کنند.

برق بادی در مقیاس‌های کوچک

تجهیزات تولید برق بادی در مقیاس کوچک (100 کیلووات یا کمتر) معمولا برای تغذیه منازل, زمین‌های کشاورزی یا مراکز تجاری کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در برخی از مکان‌های دور افتاده که مجبور به استفاده از ژنراتورهای دیزلی هستند مالکان محل ترجیح می‌دهند که از توربین‌های بادی استفاده کنند تا از ضرورت سوزاندن سوخت‌ها جلوگیری شود. در برخی موارد نیز برای کاهش هزینه‌های خرید برق یا برای استفاده برق پاک از این توربین‌ها استفاده می‌شود.

برای تغذیه منازل دورافتاده از توربین‌های بادی با اتصال به باتری استفاده می‌شود. در ایالات متحده استفاده از توربین‌های بادی متصل به شبکه در رنج‌های 1 تا 10 کیلووات برای تغذیه منازل به طور فزاینده‌ای در حال گسترش است. توربین‌های متصل به شبکه در هنگام کار نیاز به استفاده از برق شبکه را از بین می‌برند. در سیستم‌های جدا از شبکه یا باید از برق به صورت دوره‌ای استفاده کرد و یا از باتری برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده کرد.

در مناطق شهری که امکان استفاده از باد در مقیاس‌های زیاد وجود ندارد نیز ممکن است از انرژی بادی در کاربردهای خاصی مانند پارک مترها یا درگاه‌های بی‌سیم اینترنت با استفاده از یک باتری یا یک باتری خورشیدی استفاده شود تا ضرورت اتصال به شبکه از بین برود.
 

انرژی باد ، با صرفه ترین گزینه برای تولید برق

در زمان های دور تنها وظیفه باد خنک کردن یا خشک کردن بود، اما امروزه در عوض نقش ارزنده ‌تری را ایفا می‌کند و آن تولید انرژی است .

به گزارش موج ، روز به روز بر تعداد جمعیت جهان افزوده می‌شود و به تبع آن نیز مصرف انرژی روند رو به رشدی را در پیش گرفته است.

استفادۀ بیش از حد انرژی در سراسر جهان، گرم شدن بیش از اندازه کرۀ زمین و نگرانی از تمام شدن منابع انرژی‌های فسیلی باعث شده‌ تا از انرژی ‌های نو یا انرژی ‌های تجدیدپذیر به عنوان جایگزینی مناسب برای انرژی ‌های فسیلی نام ببرند.

مهمترین دلیل رویکرد کشورهای جهان به این نوع از انرژی‌ها را می‌توان در زوال ناپذیری آنها جستجو کرد.

امروزه در بسیاری از کشورها، به‌خصوص در کشورهای پیشرفته، میزان استفاده از انرژی خورشیدی، نیروی آب، باد و انرژی حاصل از زیست توده روز به روزدر حال افزایش است.

در میان این انرژی‌های نوظهور، انرژی بادی از جایگاه ویژه‌ای برخوردار است.

عدم نیاز به نیروی انسانی برای استخراج این نوع انرژی و همچنین به ‌دست آمدن نتیجه مستقیم بدون انتظار طولانی مدت، از مزایایی است که کارشناسان برای انرژی بادی بر شمرده‌اند.

هزینه‌های کمتر تولید این انرژی در مقایسه با انرژی خورشیدی نیز عامل مهم دیگری بوده است تا بسیاری از کشورهای جهان به فکر ساخت توربین ‌های بادی بزرگ و کوچک و همچنین تأسیس مزارع بادی بیفتند.

انرژی بادی، از طبیعت و دمساز با طبیعت عامل مهم دیگری بوده است تا بسیاری از کشورهای جهان به فکر ساخت توربین‌ های بادی بزرگ و کوچک و همچنین تأسیس مزارع بادی بیفتند.

بر اساس گزارشی که سازمان ملل به تازگی در این زمینه منتشر کرده است، سرمایه ‌گذاری در زمینه بهره‌ برداری از منابع تجدید پذیر انرژی، مانند انرژی بادی و سوخت ‌های زیستی در سال گذشته به ۱۰۰ میلیارد دلار رسیده است، که شاید بتوان دلیل عمده این میزان بالای سرمایه ‌گذاری را در بالا رفتن قیمت نفت و فراورده‌ های نفتی در بازارهای جهان جستجو کرد.

به همین جهت مدت ها است زنگ خطر برای بسیاری از کشورها به صدا در آمده است که این موضوع اهمیت دادن هرچه بیشتر دولت‌ها به استفاده از انرژی‌های جایگزین را به دنبال داشته است.

برای نمونه در بیش از ۲۴ ایالت آمریکا، مدارس این کشور بر روی طرح‌های انرژی بادی کار می‌کنند.

در برنامه ‌ای آزمایشی تحت عنوان "نیروی باد برای مدارس"، توربین ‌های بادی در مدارسی که دارای منابع مناسب باد هستند، نصب می‌شوند و از این طریق نیروی برق مورد نیاز مدرسه تولید می‌شود.

مازاد برق تولیدی نیز به شرکت ها یا مراکز مختلف فروخته می‌شود.

این برنامه، برای نخستین بار در سال ۱۹۹۳ در مدرسه اسپیریت لیک ، واقع در ایالت آیوا به اجرا در آمد.

شایان ذکر است این تنها آمریکا نیست که به ارزش نیروی باد واقف است. در اروپا با توجه به خاصیت ویژه این انرژی مبنی بر عدم آلودگی محیط زیست، سرمایه ‌گذاری های متعددی در جهت استفاده هرچه بیشتر از آن انجام گرفته است.
 

آثار زیست محیطی

انتشار CO2 و آلودگی

توربین‌ها بادی برای راه‌اندازی و بهره‌برداری نیاز به هیچ گونه سوختی ندارند و بنابراین در قبال انرژی الکتریکی تولید آلودگی مستقیمی ایجاد نمی‌کنند. بهره‌برداری از این توربین‌ها دی‌اکسید کربن, دی‌اکسید گوگرد, جیوه, ذرات معلق یا هیچ گونه عامل آلوده کننده هوا تولید نمی‌کند. اما توربین‌ها بادی در مراحل ساخت از منابع مختلفی استفاده می‌کنند. در طول ساخت نیروگاه‌های بادی باید از موادی مانند فولاد, بتن,آلمینیوم و ... استفاده کرد که تولید و انتقال آنها نیازمند مصرف انواع سوخت‌هاست. دی‌اکسید کربن تولید شده در این مراحل پس از حدود 9 ماه کار کردن نیروگاه جبران خواهد شد.

نیروگاه‌های سوخت فسیلی که برای تنظیم برق تولیدی در نیروگاه‌های بادی مورد استفاده قرار می‌گیرند موجب ایجاد آلودگی خواهند شد: بعضی از اوقات به این نکته اشاره می‌شود که نیروگاه‌های بادی نمی‌توانند میزان دی‌اکسید کربن تولیدی را کاهش دهند چراکه برق تولیدی از طریق نیروگاه بادی به دلیل نامنظم بودن همیشه باید به وسیله یک نیروگاه سوخت فسیلی پشتیبانی شود. نیروگاه‌های بادی نمی‌توانند به طور کامل جایگزین نیروگاه‌های سوخت فسیلی شوند اما با تولید انرژی الکتریکی مبنای تولیدی نیروگاه‌های حرارتی را کاهش داده و از تولید آنها می‌کاهند که به این ترتیب میزان انتشار دی‌اکسید کربن کاهش می‌یابد.
 

تاثیرات بوم شناختی

برخلاف نیروگاه‌های هسته‌ای و نیروگاه‌های سوخت فسیلی که مقدار زیادی آب را برای خنک کردن منتشر می‌کنند, نیروگاه‌های بادی نیازی به آب برای تولید انرژی الکتریکی ندارند.

درباره نشت روغن یا آب سیالی که در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد حوادث متعددی گزارش شده. در برخی موارد سیال وارد آب شرب مناطق اطراف نیز می‌شود که خسارت‌هایی را بر جای خواهد گذاشت. این سیال‌های معمولا در اثر حرکت در پره توربین موادی را در خود حل کرده و سپس در محیط پراکنده می‌کنند.
 

استفاده از زمین

توربین‌های بادی باید ده برابر قطرشان در راستای باد غالب و پنج برابر قطرشان در راستای عمودی از هم فاصله داشته باشند تا کمترین تلفات حاصل شود. در نتیجه توربین‌های بادی تقریباً به 0.1 کیلومترمربع مکان خالی به ازای هر مگاوات توان نامی تولیدی نیازمند هستند.

معمولا برای نصب این توربین‌ها نیازی به پاکسازی درختان منطقه نیست. کشاورزان می‌توانند برای ساخت این توربین‌ها زمین‌های خود را به شرکت‌های سازنده اجاره می‌دهند. در ایالات متحده کشاورزان حدود 2 تا 5 هزار دلار به ازای هر توربین در هر سال دریافت می‌کنند. زمین‌ها مورد استفاده قرار گرفته برای توربین‌ها بادی همچنان می‌توانند برای کشاورزی و چرای دام مورد استفاده قرار بگیرند چراکه تنها 1٪ از زمین برای ساخت پی توربین و راه دسترسی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به عبارت دیگر 99٪ زمین هنوز قابل استفاده است.

توربین‌های بادی عموما در مناطق شهری نصب نمی‌شوند چراکه ساختمان‌ها جلوی وزش باد را سد می‌کنند و قیمت زمین نیز معمولا زیاد است. با این حال پروژه نمایشی تورنتو اثبات کرد که نصب توربین‌های بادی در چنین مکان‌هایی نیز ممکن است.
 

آثار بر روی حیات وحش

پرندگان

برخی از توربین‌های بادی موجب کشته شدن پرنده‌ها به ویژه پرنده‌های شکاری می‌شوند البته مطالعات نشان می‌دهد که تعداد پرنده‌های کشته شده توسط توربین‌های بادی در مقابل عوامل انسانی دیگر کشته شدن پرندگان مانند خطوط برق, ترافیک, شکار, ساختمان‌های بلند و به ویژه استفاده از منابع آلوده انرژی تعداد بسیار ناچیزی است؛ برای مثال در انگلستان که در آن چندین هزار توربین گازی وجود دارد تقریباً در هر سال تنها یک پرنده در هر توربین کشته می‌شود در حالی که تنها در اثر آثار مخرب استفاده از خودروها هر سال در حدود 10 میلیون پرنده کشته می‌شوند. در ایالات متحده توربین‌ها هر سال در حدود 70,000 پرنده را می‌کشند که در مقابل 57 میلیون پرنده کشته شده در اثر استفاده از خودروها یا 97.5 میلیون پرنده کشته شده در اثر برخورد با شیشه‌ها مقدار اندکی است. مقاله‌ای در رابطه با طبیعت اظهار داشته که هر توربین به طور متوسط هر سال 0.03پرنده یا به عبارتی 1 پرنده در طول 30 سال می‌کشد.
 

بزرگترین توربین بادی جهان

بزرگترین توربین بادی جهان درحال حاضر در دریای شمال در فاصله ۲۴ کیلومتری سواحل اسکاتلند نصب شده و در حال آزمایش است. این نخستین باری است که توربین‌هایی به این ابعاد در دریا آزمایش می‌شوند. ژنراتور توربین‌ها در عمق ۴۴ متری سطح دریا کار گذاشته شده است که در نوع خود رکورد جدیدی است. [۱] توربین‌هایی در این ابعاد برای نصب در دریا و دور از ساحل مناسب هستند تا از وزش پیوسته و بدون تلاطم باد بهره‌گیری کنند. انتظار می‌رود این توربین‌ها ۹۶ درصد اوقات شبانه‌روز (۸۴۴۰ ساعت در سال) در حال کار باشند.


منابع :
1. باد چیست؟ http://aftab.ir
2. انرژی باد چیست؟ http://aftab.ae
3. انرژی باد، انرژی حاصل از هوای متحرک http://www.hupaa.com
4. انرژی باد ، با صرفه ترین گزینه برای تولید برق http://www.sabainfo.ir
5. باد http://daneshnameh.roshd.ir
6. انرژی باد http://daneshnameh.roshd.ir
7. انرژی بادی http://fa.wikipedia.org