انرژی باد، انرژی حاصل از هوای متحرک

باد هوای در حال حركت است. باد به وسیلهٔ گرمای غیر یكنواخت كه سطح كرهٔ زمین كه حاصل عملكرد خورشید است، بوجود می‌آید. از آنجائیكه سطح زمین از سازنده‌های خشكی و آبی قنوعی تشكیل شده‌اند، اشعهٔ خورشید را بطور غیریكنواخت جذب می‌كند. وقتی خورشید در طول روز می‌تابد، هوای روی سرزمین‌های خشكی سریعتر از هوای روی سرزمین‌های آبی گرم می‌شود. هوای گرم روی خشكی ضبط شده و بالا می‌رود و هوای خنك تر و سنگین تر روی آب جای آنرا می‌گیرد كه این فرآیند بادهای محلی را می‌سازد. در شب، از آنجا كه هوا روی خشكی سریعتر از هوای روی آب خنك می‌شود، جهت باد برعكس می‌شود.
به همین طریق بادهای بزرگ جوی كه زمین را دور می‌زنند به علت اینكه هوای سطحی نزدیك استوا در اثر گرمای خورشید بیشتر از هوای قطب شمال و جنوب گرم شده، بوجود می‌آیند. از آنجا كه باد تا زمانیكه خورشید به زمین می‌تابد، بطور پیوسته تولید خواهد شد، آنرا منبع انرژی تجدید شونده می‌نامند. امروزه، انرژی بادی عمدتاً برای تولید برق بكار برده می‌شود.
● تاریخچهٔ باد
در طی تاریخ، انسانها باد را به شیوه‌های مختلف به كار بردند. بیش از پنج هزار سال پیش، مصریان باستان از نیروی باد برای راندن كشتی‌های خودروی رود نیل استفاده كردند. بعد از آن، انسان آسیاب بادی را برای آسیاب كردن بذر خود ساخت. جدیدترین آسیاب بادی متعلق به ایران است. این آسیاب شبیه به پاروهای بسیار بزرگ بوده.
قرن‌ها بعد، مردم هلند طرح پایهٔ آسیاب بادی را بهبود دادند. آنها تیغه‌های پروانه مانند ساخته شده از پره‌های نو به آسیاب بادی اضافه كردند و روشی برای تغییر جهت آن مطابق با جهت باد ابداع كردند. آسیاب‌های بادی به هلندی‌ها كمك كردند كه در قرن ۱۷ صنعتی ترین كشور جهان باشند.
برخی از كشورها آسیاب‌های بادی را برای آسیاب گندم و ذرت، پمپ كردن آب و قطع درختان به كار می‌بردند. در سال ۱۹۲۰ در كشورهای توسعه یافته از آسیابهای كوچك برای تولید برق روستایی بدون خدمات برق به كار بردند. در سال ۱۹۳۰ زمانیكه خطوط نیرو شروع به انتقال برق از نواحی روستایی كرد، آسیابهای محلی كمتر و كمتر شدند، اگرچه در حال حاضر نیز می‌توان آنها را دید.
ذخایر نفت در سال ۱۹۷۰ تصویر انرژی را برای كشورهای جهان عوض كرد. این امر محیطی بازتر برای منابع جایگزین انرژی خلق كرد و راه را برای ورود مجدد آسیاب‌های بادی به چشم انداز آمریكایی در تولید برق هموار كرد.
● مكانیسم‌های آسیاب‌های بادی
آسیابهای بادی چون سرعت باد را كم می‌كنند، می‌توانند كار كنند. باد روی تیغه‌های ورقه مانند نازكی جریان یافته و آنها را بلند می‌كند و باعث چرخش آنها می‌شوند (مانند تأثیر باد روی بالهای هواپیما) تیغه‌ها به میلهٔ هدایت متصل است و آن نیز یك مولد برق را چرخانده و الكتریسیته تولید می‌كند.
▪ مكانیسم‌های بادی نو
مكانیسم‌های بادی امروزه از لحاظ فنی بسیار پیشرفته‌تر از انواع قدیمی هستند. در این مكانیسم همچنان برای جمع‌آوری انرژی حركتی باد از تیغه‌ها استفاده می‌شود اما این تیغه‌ها كه از فایبرگلاس یا هر مادهٔ محكم دیگر ساخته شده‌اند.
مكانیسم‌های بادی مدرن هنوز با مشكلاتی دست و پنجه نرم می‌كند، مثلاً اینكه وقتی باد نمی‌وزد باید چه كرد. توربین‌های بزرگ به شبكهٔ نیرویی خدماتی متصل شده‌اند. برخی از آنها هنگامی كه بادی نمی‌وزرد، جمع می‌شوند. توربین‌های كوچك گاهی اوقات به مولدهای الكتریكی ـ دیزلی متصلند و یا گاهی اوقات دارای باتری برای ذخیرهٔ برق اضافی جمع آوری شده در هنگام وزش بادهای شدید، هستند.
▪ انواع آسیابهای بادی
امروزه عموماً دو نوع مكانیسم بادی استفاده می‌شود، محور افقی با تیغه‌های شبیه به پرهٔ هواپیما و محور عمودی كه شبیه به فرفره است.
مكانیسم بادی محور افقی به علت اینكه مواد كمتری برای یك واحد برق نیاز دارد، بیشتر مورد استفاده است. حدود ۹۵ درصد مكانیسم‌های بادی افقی محور هستند. ماشین بادی افقی ویژه‌ای دارای ارتفاعی به اندازهٔ یك ساختمان ۲۰ طبقه و سه تیغه دارد كه قطر چرخش آن ۲۰۰ متر است. بزرگترین ماشین‌های بادی دنیا تیغه‌هایی بزرگتر از یك زمین فوتبال دارند! ماشینهای بادی برای اینكه باد بیشتری را به دام بیندازند، بلند و عریض هستند.
▪ ماشین‌های آسیاب بادی افقی
ماشینهای بادی با محور قائم تنها پنج درصد ماشینهای بادی بكار برده شده در دنیای امروز را به خود اختصاص داده است. نوع نمونه آن ۱۰۰ متر طول و ۲۰ 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 كار با یك دم روی ماشینهای كوچك انجام می‌گیرد. در ماشینهای بزرگ، یا یك گردانند در بخش پایینی برج قرار دارد كه كاری شبیه به بادنمای هواشناسی را انجام می‌دهد و یا یك موتور هدایت كننده به كار برده می‌شود، ماشینهای با محور قائم می‌توانند باد را در هر جهتی قبول كنند.
● دستگاههای نیروی بادی
دستگاههای نیروی بادی یا فراری بادی، سری ماشینها بادی است كه برای تولید برق بكار برده می‌شوند. یك مزرعهٔ بادی معمولاً دارای چندین ماشین پخش شده در ناحیهٔ وسیعی است. دستگاههای هسته‌ای یا ذغالی و بسیاری از دستگاههای بادی غالباً به شركت‌های با منافع عمومی داده نمی‌شوند. در عوض آنها توسط تاجرانی كه برق تولید شده از مزرعهٔ بادی را برای خدمات رفاهی می‌فروشند، اداره و مدیریت می‌شود. این شركت‌های خصوصی به عنوان «تولید كننده‌های مستقل نیرو» شناخته می‌شوند.
به كار اندازی یك دستگاه نیروی بادی كار آسانی نیست و مالكان آن باید برای تعیین موقعیت نصب آن به دقت برنامه ریزی كنند. آنها باید میزان وزش باد، شرایط هواشناسی محلی، نزدیكی خطوط انتقال برق و كدهای منطقه‌بندی محلی را در نظر بگیرند.
دستگاههای بادی به زمین‌های زیادی نیاز دارند. یك ماشین بادی حدوداً به دو جریب زمین نیاز دارد. یك دستگاه نیروی بادی صدها جریب زمین نیاز دارد. از طرف دیگر، كشاورزان می‌توانند در اطراف ماشینهای بادی محصولات خود را به بار آورده و یا به چرای گله‌هاشان بپردازند.
وقتی یك دستگاه شناخته شد، هنوز هزینه‌هایی باقی می‌ماند. در برخی حالات، هزینه‌های باقیمانده با بخشش‌های مالیاتی كه به منابع تجدیدپذیر انرژی داده می‌شود، حیران می‌شوند. دستگاه سیالیست‌های منظم منافع عمومی یا PURPA هم برای خریداری برق از تولید كننده‌های مستقل نیرو با قیمت‌های منصفانه به شركت‌هایی نیاز دارد.
● منابع بادی
بهترین محل برای نصب یا ساخت دستگاه بادی كجاست؟ میانگین سرعت باد برای به صرفه بودن تبدیل انرژی باد به برق حدود ۲۳ كیلومتر در ساعت است. میانگین سرعت باد در برخی از كشورها۱۶ كیلومتر در ساعت است. به علت دسترسی آسان به باد با دوام و همیشگی، برخی شركت‌ها نصب ماشینها را در مناطق و دور از ساحل مدنظر دارند.
▪ آنمومتر
دانشمندان از وسیله‌ای به نام آنمومتر (anemometer) برای اندازه‌گیری سرعت باد استفاده می‌كنند. آنمومتر شبیه یك بادنمای هواشناسی است با ظاهری مدرن. این وسیله سه پرده با فنجان‌هایی در سد آنها و روی میلهٔ چرخانی كه با وزش باد می‌چرخد دارد. این وسیله به متری وصل است كه سرعت باد را نشان می‌دهد. یك بادنما جهت باد را نشان می‌دهد اما سرعت باد را نشان نمی‌دهد. براساس یك قانون طبیعی سرعت باد در نواحی پهناور و بدون وقفه در وزش باد، با عرض جغرافیایی افزایش می‌یابد. مكانهایی مناسب برای دستگاههای بادی بالای تپه‌های گرد و صاف، دشت یا سواحل باز و فواصل كوهی كه مثل قیف عمل می‌كنند، هستند .
● تولید باد
چقدر می‌توانیم از باد انرژی بدست آوریم؟ دو اصطلاح وجود دارد كه تولید پایهٔ برق را توضیح می‌دهد. عامل كارایی و عامل گنجایش.
كارایی به این موضوع بر می‌گردد كه چقدر می‌توان انرژی مفید (در این مورد، برق) از منبع انرژی كسب كرد. یك ماشین انرژی صد درصد كارا، می‌تواند تمام انرژی را به انرژی مفید تبدیل كند و هیچ انرژی را هدر نمی‌دهد هیچ ماشین با كارایی یا بهره وری صد درصد وجود ندارد. بعضی انرژی‌ها همیشه وقتیكه شكلی از انرژی به شكل دیگر تبدیل می‌شود، از دست می‌روند. انرژی هدر رفته معمولاً به شكل گرمای پراكنده شده در هوا است و نمی‌توان از آن بهرهٔ اقتصادی مجدد برد. ماشین‌های بادی چقدر كارایی دارند؟ ماشینهای بادی تنها به اندازهٔ دستگاههای دیگر مانند دستگاههای زغال بهره وری دارند. ماشین‌های بادی ۳۰ تا ۴۰ درصد انرژی متحرك باد را به برق تبدیل می‌كند، یك دستگاه مولد نیروی زغال سوز، حدود ۳۰ تا ۳۵ درصد انرژی شیمیایی زغال را به الكتریسیتهٔ قابل استفاده تبدیل می‌كند.واژهٔ گنجایش به توانایی دستگاه نیرو در تولید برق بر می‌گردد. یك دستگاه نیرو با گنجایش صد درصد تمام روز و هر روز هفته با تمام نیرو كار می‌كند. در چنین شرایطی هیچ وقتی برای تعمیر یا سوختگیری صرف نمی‌شود كه اینچنین چیزی برای هر دستگاهی غیرممكن است. مشخصاً دستگاههای زغالی اگر تمام روزهای سال و بطور شبانه روزی كار كنند، دارای ظرفیت ۷۵ 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 ۲۴ ساعته كار كنند. یك توربین بادی در یك مزرعهٔ بادی شاخص در ۶۵ تا ۸۰ درصد زمان كار می‌كند، اما معمولاً كمتر از گنجایش كامل خود، زیرا سرعت باد همیشه در بیشترین مقدار خود نیست. بنابراین عامل گنجایش ۳۰ تا ۳۵ درصد است. علم اقتصاد نیز بخش عظیمی از گنجایش را داشته باشند، اما این امر خود اقتصادی نیست. تصمیم در این مورد براساس خروجی الكتریسیته در هر دلار سرمایه‌گذاری است.
یك ماشین بادی می‌تواند ۵/۱ تا ۴ میلیون كیلو وات ساعت (kWh) برق در سال تولید كند. این میزان برق برای ۱۵۰ تا ۴۰۰ خانه در سال كافی‌ست. در این كشور، ماشینهای بادی ۱۰ میلیارد كیلو وات ساعت انرژی در سال تولید می‌شود. انرژی بادی حدود ۱/۰ درصد برق ملت را كه مقدار كمی هست تأمین می‌كند. این میزان برق برای كارهای خانگی یك میلیون خانه كه به اندازهٔ شهرهای شیكاگو و ایلی نویز است، كافی‌ست. كالیفرنیا بیشترین برق بادی را نسبت به سایر ایالت‌ها تولید می‌كند و تگزاس، منیسوتا و آیوا بعد از آن قرار دارند، ۱۳۰۰ ماشین بادی موجود بیشتر از یك درصد برق كالیفرنیا كه حدود نصف میزان برق تولیدی در یك دستگاه نیروی هسته‌ای است را تولید می‌كند.
در سه سال گذشته گنجایش باد كل 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 كشورهای اروپایی در حال برنامه‌ریزی برای تأسیس صنایع بادی جدید هستند. بسیاری از طرحهای جدید باد به علت عدم كنترل قانونی صنعت برق به تعویق درآورند. شركت‌های خدماتی رفاهی و اجتماعی اطمینان نداشتند كه چقدر عدم كنترل (deregulation) روی تكنولوژی‌های جدید تأثیر می‌گذارد. آیا دولت هنوز شركت‌های خدمات رفاهی برای سرمایه‌گذاری روی طرحهای انرژی‌های تجدیدپذیر تشویق می‌كند؟ آیا بازاری برای انرژی تولید شده وجود دارد؟ چنین سئوالاتی هنوز بی‌جواب مانده. با این وجود سرمایه گذاری روی انرژی بادی به علت هزینهٔ كم و تكنولوژی در حال پیشرفتش در حال افزایش است. باد در حال حاضر یكی از رقابتی‌ترین منابع برای تولید است.
نشانهٔ امیدوار كنندهٔ دیگر برای صنعت بادی تقاضای مصرف كننده برای انرژی‌های سبز انرژی‌هایی كه به محیط زیست آسیبی نمی‌رسانند) است. بسیاری از شركت‌های خدماتی به تازگی به مصرف كنندگان اجازه داده كه 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 اینكه یك دستگاه بادی بسیار ارزان تر از دستگاه انرژی موسوم از نظر ساخت ساخته شده است. دستگاههای باد می‌توانند به ماشینهای بادی به راحتی اضافه كردند بطوریكه تقاضای برق تقاضا پیدا می‌كند. دومین خبر اینكه هزینهٔ تولید برق از باد در دو دههٔ گذشته بطور برجسته‌ای كاهش یافته است. برق تولید شده توسط باد در سال ۱۹۷۵، ۳۰ سنت برای هر كیلو وات ساعت بود، اما حالا به كمتر از ۵ سنت رسیده است. توربین‌های جدید قیمت را كمتر هم خواهند كرد.
● باد و محیط زیست
در سال ۱۹۷۰، ذخایر نفت بر توسعهٔ منابع جایگزین انرژی فشار آورد. در سال ۱۹۹۰، از دیدگاه تجدیدپذیری محیط زیست، در برابر مطالعهٔ دانشمندان كه نشاندهندهٔ تغییرات بالقوهٔ آب و هوای جهانی درصورت افزایش استفادهٔ مداوم از سوخت‌های فسیلی فشاری نیز بوجود آمد. انرژی بادی یك گزینهٔ اقتصادی و راهبردی برای دستگاههای نیروی سنتی در بسیاری از نواحی كشور ارائه می‌دهد، باد سوخت پاكی است و مزاع بادی از آنجا كه هیچ سوختی را نمی‌سوزانند، هیچ آلودگی آبی با هوایی نیز ایجاد نمی‌كنند.
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 كه حدود ۸۷ متر قطر دارند، توربین Vestas V۴۴-۶۰۰ بزرگترین توربین بادی در حال فعالیت است. این توربین كه در ۹۶ متری روی برجی در غرب شهر تراورس (Traverse) میشیگان قرار داد، كمتر از یك درصد روشنایی و نیروی خروجی مجموع شركت‌ها را فراهم می‌كند. اما این تعداد برای حدود ۲۰۰ مصرف كننده ساكن در شهر كافی‌ست. این دسته از مردم كه تمام برق خود را از نیروی باد به دست می‌آورند، با پرداخت حدود ۲۰ درصد بیشتر به عنوان بهای برق به منظور حمایت از این طرح موافقند. توربین در دانمارك ساخته شد. تیغه‌ها طوری طراحی شده‌اند كه بیشترین انرژی را از بادها بگیرد و سرعت مولد و موتور چرخاننده می‌تواند برای یكنواخت كردن نوسانات نیرو كمی تغییر كند. در بادهای متوسط ۲۴ تا ۲۵، سالیانه از توربین بادی بین ۱/۱ تا ۲/۱ میلیون كیلو وات ساعت تخمین زده می‌شود.
● توربین Vestas V۴۴-۶۰۰
وارپ (WARP) سیستم متفاوت مبدل انرژی باد به برق بوسیله یك مهندس هوانورد در كنتاكی طراحی شدن بسكوی چرخان شدت یافته بود انكو (Eneco) یا همان WARP (Wind Amplified Rotor Platform) از تیغه‌های بزرگ استفاده نمی‌كند هر مدل یك جفت توربین پر ظرفیت سوار شده روی هردو سطح كانال مدل تشدید كنندهٔ هوای مقعر دارد. سطوح مقعر كانال هوا، باد را به سمت توربین‌ها هدایت كرده و سرعت آن را ۵۰ درصد افزایش می‌دهند. انكو، برای بازاریابی تكنولوژی نیروی سكوهای نفتی دور از ساحل و سیستم‌های ارتباطات بی سیم از راه دور برنامه ریزی می‌كند. بنابراین در آینده طرح انكو می‌تواند با تولید نیروی برای خدمات رسانی رفاهی مردم بكار برده شود. نواحی WARP عظیم می‌تواند با برج‌های چندین متری كه هركدام چندین مگاوات برق تولید می‌كند، ساخته شود. حتی توربین‌ها می‌توانند برای تهیه نیروی ساكنین یك ساختمان، با ساختمان یكی شود.

منبع : پایگاه ملی داده های علوم زمین كشور

منبع : شبکه فیزیکی هوپا