تولید برق با استفاده از انرژی باد و توجیه اقتصادی آن

انرژی باد, انرژی حاصل از هوای متحرک می باشد هنگامی که تابش خورشید بطور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می رسد سبب ایجاد تغییرات دما و فشار می گردد و در اثر این تغییرات باد بوجود می آید

● مقدمه :

عرضه و تقاضای انرژی در جهان به صورت یکی از مسائل روز در آمده است. انرژی های فسیلی مانند نفت ، گاز و ذغال سنگ روزی تمام خواهند شد و با پایان یافتن آنها چرخ تمدن بشری که بستگی مستقیم به انرژی دارد متوقف خواهد گشت. این مسأله موجب شده که کشورهای توسعه یافته صنعتی با جدیت هر چه بیشتر استفاده از سایر انرژی های تجدید پذیر موجود در طبیعت مانند انرژی خورشید، باد، گرمای درون زمین و جزر و مد را مورد توجه قرار دهند. اخیراً پیشرفت های زیادی در مورد استفاده از انرژی باد حاصل شده است. انرژی باد اغلب در دسترس بوده و هیچ نوع آلودگی بر جای نمی‌گذارد و می‌تواند از نظر اقتصادی نیز در دراز مدت قابل مقایسه با سایر منابع انرژی باشد.

● انرژی باد چیست ؟

انرژی باد، انرژی حاصل از هوای متحرک می باشد. هنگامی که تابش خورشید بطور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می رسد سبب ایجاد تغییرات دما و فشار می گردد و در اثر این تغییرات باد بوجود می آید. همچنین اتمسفر کره زمین به دلیل حرکت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که این امر نیز باعث به وجود آمدن باد می گردد. جریان اقیانوسی نیز به صورت مشابه عمل نموده و عامل ۳۰% انتقال حرارت کل در جهان می باشد. در مقیاس جهانی این جریانات اتمسفری بصورت یک عامل قوی جهت انتقال حرارت و گرما عمل می نمایند. دوران کره زمین نیز می تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره ای در اتمسفر، انرژی مضاعف ایجاد نماید.

تاریخچه استفاده از انرژی باد

بشر از زمان های بسیار دور انرژی باد را به شیوه های مختلف بکار گرفته است. ایرانیان اولین کسانی بودند که در حدود ۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح برای آردکردن غلات از آسیابهای بادی استفاده کرده اند .همچنین مصریان باستان از نیروی باد برای راندن کشتی های خود روی رودخانه نیل استفاده کردند. در قرن هفدهم میلاد، مردم هلند طرح پایه آسیابهای بادی را بهبود دادند.همین امر باعث شد تا این کشور در زمره غنی ترین و صنعتی ترین کشورهای اروپا قرار گیرد. برخی از کشورها آسیاب های بادی را برای آسیاب گندم و ذرت، پمپ کردن آب و قطع درختان استفاده کرده اند. در آغاز قرن بیستم اولین توربین های بادی سریع و مدرن ساخته شد. امروزه فعالترین کشورها در این زمینه آلمان، ایتالیا، آمریکا، دانمارک و هند می باشند.

● مزایای استفاده از انرژی باد

▪ عدم نیاز توربین های بادی به سوخت که در نتیجه از میزان مصرف سوخت های فسیلی می کاهد.

▪ رایگان بودن انرژی باد

▪ توانایی تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق

▪ کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد در بلندمدت

▪ تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی

▪ عدم نیاز به آب

▪ عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب

▪ ایجاد اشتغال

▪ نداشتن آلودگی زیست محیطی

● ناکارآمدیهای استفاده از انرژی باد

▪ اثر منظره ای:

یکی از بزرگترین موانع بهره برداری از نیروی باد 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، مسلماً پر سر و صداتر و زشت تر از دکلهای آسیاب بادی خواهد بود. صدای متوالی توربین های 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 توربین های سه تیغه‌ای قابل کنترل می‌باشد.

▪ پرندگان :

فعالیت توربین های بادی ممکن است به پرندگان صدمه بزند .این صدمه می تواند به صورت کشته شدن پرندگان در نتیجه برخورد با برج یا پره های روتو و یا از طریق بهم خوردگی تولید مثل یا استراحتگاه پرندگان در مجاورت توربین ظاهر شود .

▪ صدا :

مزاحمتی که صدای تولیدی توسط توربین های بادی ایجاد می نماید شاید مهمترین عامل محدود کننده نصب توربین های بادی در مجاورت نواحی مسکونی است. انتشار صوت توربین های بادی از اجزاء مکانیکی و آیرودینا میکی حاصل می شود . سهم آیرودینامیکی صدای تولید شده تابعی از سرعت باد می باشد.

▪ تداخل مخابراتی :

توربین های بادی برای امواج الکتریستی در محیط ایجاد مزاحمت می نمایند. این امواج ممکن است که تحت تأثیر توربین های بادی منعکس ،پخش و یا شکسته شده برای ارتباطات مخابراتی راه دور ایجاد تداخل نمایند.

▪ ایمنی :

حوادث مرتبط با توربین های بادی نادر بوده اما مانند سایر فعالیت های صنعتی پیش می آیند.در اکثر موارد این حوادث زمانی پیش آمده اند که تکنسین ها سعی کرده اند که توربین های بادی را متوقف کنند.

● انواع توربین های بادی :

توربین های بادی مدرن را می توان به دو گروه تقسیم کرد :

۱) توربین های بادی با محور افقی

۲) توربین های بادی با محور عمودی

توربین های بادی خانگی تشکیل شده است از یک موتور، یک ژنراتور، و معمولا یک دنباله. در اثر عبور باد از روی پره‌ها، روتور، انرژی جنبشی باد را گرفته و به حرکت چرخشی تبدیل می‌کند و ژنراتور را به چرخش در می‌آورد. روتور می‌تواند دو پره یا سه پره داشته باشد. روتور سه پره متداول تر است. مقدار انرژی، که توربین می تواند تولید کند در درجه اول بستگی به قطر روتور دارد .اسکلت توربین متشکل از یک میله محوری محکم است که روتور، ژنراتور و دنباله روی آن نصب شده است. وظیفه دنباله این است که جهت توربین را همیشه سمت باد نگه دارد. توربین بادی یک کیلوواتی می‌تواند نیازهای یک خانه با مصرف۳۰۰ کیلو وات ساعت در ماه را در منطقه‌ای که سرعت متوسط سالیانه باد۵/۲۲کیلومتر بر ساعت است، تأمین کند.

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 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.

در مقیاس کاربردی انرژی باد، معمولا ً‌تعداد زیادی توربین را نزدیک به یکدیگر می‌سازند و بدین ترتیب یک مزرعه بادگیر را تشکیل می‌دهند.

● انواع کاربرد توربین های بادی

الف) کاربردهای غیرنیروگاهی شامل:

▪ پمپ های بادی آبکش جهت :

ـ تأمین آب آشامیدنی حیوانات در مناطق دور افتاده

ـ آبیاری در مقیاس کم

ـ آبکشی از عمق کم جهت پرورش آبزیان

ـ تأمین آب مصرفی خانگی

ـ کاربرد توربینهای بادی کوچک بعنوان تولید کننده برق

ـ تأمین برق جزیره های مصرف

ـ شارژ باتری

▪ نیروگاههای بادی منفرد جهت تأمین انرژی الکتریکی واحدهای مسکونی، تجاری، صنعتی و یا کشاورزی

▪ مزارع برق بادی جهت تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق شبکه .

● بررسی اقتصادی استفاده از انرژی باد

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 بررسی های 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 می یابد، ولی بهای هر کیلو وات انرژی آنها کاهش پیدا می‌کند .لازم به یاد آوری است که در انتخاب دستگاه های بزرگ محدودیت هایی وجود دارد. مثلا اگر سرعت انتهایی پره ماشین بادی به حد سرعت صوت و یا بیشتر برسد سبب گرم شدن و فرسودگی و از کار افتادن سریع ماشین می‌شود.علاوه بر اینکه باید سعی شود تا ماشین های بادی هزینه اصلی (هزینه ساخت روتور ، دکل و ..) کمتری داشته باشند و بایستی در محل هایی نیز که باد قابل ملاحظه‌ای دارند نصب شوند و ماشین برای سرعت باد عملی تنظیم شده باشد. تهیه ماشینی که برای تمام سرعت های باد کار کند، گرانتر تمام می‌شود. ماشین های معمولی بادی اصولاً برای جلوگیری از مصرف سوخت های دیگر در ایام وزش باد بکار می‌روند و همراه با سایر دستگاه های تولید انرژی نیز ار آنها استفاده می‌شود. اگر از ماشین بادی بصورت تنها منبع انرژی استفاده شود، باید دستگاه های ذخیره انرژی در کنار ماشین های بادی بکار گرفته شوند. با اضافه کردن دستگاه های دخیره ، بهای برق تولیدی ممکن است به مراتب افزایش یابد.

در ارزیابی نیروگاههای بادی، هزینه ها و درآمدهای طرح، مدت زمان برگشت سرمایه، قیمت انرژی الکتریکی تولیدی و نرخ بازده داخلی سرمایه، شاخص های نهایی برای مقایسه کامل مؤلفه های مختلف می باشند. از آنجا که برای گسترش سیتسم عرضه انرژی الکتریکی توسعه پایدار را تعقیب می کنیم باید تمام هزینه ها و منافع اجتماعی هر مولد را مدنظر قرار دهیم. باید در نظر داشت از بین صرفه های اقتصادی و غیر اقتصادی تنها هزینه دفع آلاینده های زیست محیطی و تصفیه گازهای مضر متصاعد از نیروگاههای فسیلی می تواند بصورت کمی در محاسبات وارد شود. این هزینه ها در واقع در برگیرنده تمام اثرات زیست محیطی آلاینده ها در کوتاه مدت و بلندمدت از قبیل تولید هیدروکربورها و سایر گازهای سمی، آلودگی آب و خاک و ایجاد باران های اسیدی و تولید گازهای گلخانه ای می باشند.

در ضمن هزینه تولید برق از انرژی باد در دو دهه گذشته بطور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است. برق تولید شده توسط انرژی باد در سال ۱۹۷۵، ۳۰ سنت برای هر کیلووات ساعت بوده اما اکنون به کمتر از ۵ سنت رسیده است. توسعه توربین های جدید قیمت را نیز کمتر خواهند کرد. همچنین در دنیا پنج کشور آلمان، آمریکا، اسپانیا، دانمارک و هند پیشتاز دیگران می باشند و کل ظرفیت نصب توربین های بادی در دنیا تا پایان سال ۲۰۰۴ میلادی برابر ۶۱۶/۴۷ گیگاوات می باشد.

در ضمن کل سرمایه در گردش صنعت انرژی باد جهان در سال ۲۰۰۲ میلادی برابر با ۱۳۸۱ خورشیدی برابر ۷ میلیارد یورو بوده است. قیمت سرمایه گذاری انرژی باد در حدود ۱۰۰۰ دلار بر کیلووات برآورد می شود که در حدود ۷۵۰ دلار آن به هزینه تجهیزات و مابقی به هزینه های آماده کردن سایت و نصب و راه اندازی مرتبط می شود. در چند سال اخیر با بزرگتر شدن سایز توربین های تجاری، قیمت سرمایه گذاری آنها کاهش یافته است. صنعت انرژی باد منافع اقتصادی و اجتماعی مختلفی را به همراه دارد که از جمله مهمترین آنها عبارتند:

▪ نداشتن هزینه های اجتماعی

این هزینه ها در تمام گزینه های متعارف انرژی (فسیلی) وجود دارند، لیکن علیرغم مبالغ قابل توجه آنها معمولاً در بررسی های اقتصادی لحاظ نمی شوند. انجمن انرژی باد جهان (WWEA) این هزینه ها را به کوه یخی تشبیه کرده است که حجم عظیم و ناپیدای آن در زیر آب قرار می گیرد.

▪ کاهش اتکاء به منابع انرژی وارداتی

این مسأله یکی از مهمترین دلایل رویکرد کشورهای صنعتی به انرژی های تجدیدپذیر و انرژی باد است، لیکن در کشورهای تولید کننده نفت نظیر ایران نیز از جنبه دیگری می توان به آن نگریست و آن افزایش فرصت صادرات است.

▪ تقویت ساختار اجتماعی و اقتصادی مناطق روستایی

بدلیل ماهیت انرژی باد که به تولید غیرمتمرکز و اغلب به نقاط دور افتاده و روستایی می پردازد، توسعه این صنعت چه در کشورهای سرمایه داری و پیشرفته و چه در کشورهای در حال توسعه تحولات و پیشرفت های آشکاری را در مناطق روستایی بدنبال خواهد داشت.

▪ اشتغال زایی

ایجاد شغل این صنعت در میان دیگر صنایع انرژی از همه بیشتر است. در اروپا نصب یک مگاوات برق بادی برای ۱۵ الی ۱۹ نفر شغل ایجاد می کند که این رقم در کشورهای در حال توسعه به راحتی می تواند دو برابر شود. در سال ۲۰۰۰ که ظرفیت نصب شده برق بادی در اروپا در حدود ۸۰۰۰ مگاوات بود، بیش از نیم میلیون نفر در این صنعت به کار اشتغال داشتند.

جوانب اقتصادی انرژی باد برای کاربردهای مختلف کاملاً متفاوت هستند .بالاترین سهم در انرژی جهانی متعلق به توربین های بادی متصل به شبکه خواهد بود .

در بحث جنبه های اقتصادی انرژی باد، به وضوح هزینه های تولید انرژی و ارزش انرژی تولید شده می باید به طور کاملاً جداگانه بررسی شوند .

● هزینه های تولید انرژی باد

هزینه های تولید انرژی به وسیله یک سیستم توربین بادی از طریق موارد زیر تعیین می شود :

▪ کل هزینه سرمایه گذاری

▪ عمر مفید سیستم

▪ هزینه های بهره برداری و نگهداری

▪ رژیم باد

▪ راندمان انرژی توربین بادی

▪ دسترسی فنی به سیستم مورد نظر

● هزینه های سرمایه گذاری

کل هزینه های سرمایه گذاری توربین های بادی را می توان به هزینه های مختلف مانند هزینه ساخت (تحویل در کارخانه )، هزینه های زیر بنایی نصب مانند فونداسیون ، کارهای ساختمانی ،مهندسی و هزینه های اتصال به شبکه تقسیم نمود .ارتباط بین این هزینه ها در کشورهای مختلف به وضوح متفاوت است و به عوامل مختلفی مانند شرایط خاک و فاصله تا شبکه بستگی دارد.

● عمر مفید سیستم

جهت بررسی های اقتصادی توربین ها اغلب یک عمر مفید اقتصادی ۲۰ ساله ای در نظر گرفته می شود .که با عمر مفید طراحی سیستم برابر است . با این وجود بایستی توجه کرد که عمر مفید تثبیت شده بهترین توربین ها در حال حاضر ۱۰ تا ۱۵ سال می باشد .

● هزینه های بهره برداری و نگهداری (O& M )

هزینه های O& M سالیانه اغلب به صورت درصدی از کل هزینه های سرمایه گذاری یا هزینه های تولید برق در هر کیلو وات ساعت در نظر گرفته می شوند .

● رژیم باد

از آنجاییکه پتانسیل انرژی باد متناسب است با v۳ (v سرعت باد ) می باشد بنابراین انتخاب مکان های که در آنها سرعت متوسط سالیانه باد تا حد امکان زیاد بوده و وزش باد مداوم در ساعات مصرف پیک برق به کرات صورت می گیرد ، خیلی مهم است. برای اینکه بتوان ارزش بکار گیری باد در سیستم مصرف انرژی را محاسبه کرد می بایستی وابستگی زمانی رژیم باد را هم بدانیم .وزش ثابت و مداوم ،تغییرات روزانه و تلاطم منبع باد می تواند از همان اهمیت میانگین سالیانه سرعت باد برخوردار باشد.

● کارایی انرژی یک سیستم

عموماً برای سهولت در مقایسه انرژی خروجی سیستم های توربین بادی بر مبنای سالیانه بیان می شوند. میانگین خروجی به ازاء هر متر مربع مساحت جارو شده در سال را می توان با عبارت زیر بیان کرد :

E=b(v۳) kwh/m۲/yr

در اینجا b فاکتور کارایی و v سرعت متوسط سالیانه باد است .فاکتورb را می توان به کیفیت کارایی توربین بادی قلمداد کرد. به هر حالb به سرعت میانگین سالیانه باد و توزیع سرعت باد وابسته است . بنابراین b در سراسر جهان ثابت نیست .

● در دسترس بودن فنی سیستم

در دسترس بودن سیستم (فنی)، کسری از زمان در سال می باشد که توربین بطور بالقوه می تواند انرژی تولید نماید. یک توربین بادی ممکن است که به دلیل فعالیت های مربوط به تعمیر یا خرابی های غیر قابل پیش بینی یا حادثه، در دسترس نباشد. ارقام قابل اعتماد در مورد در دسترس بودن انواع گوناگون توربین های بادی تنها موقعی قابل ارائه است که این ارقام برمبناء تجربیات متعدد توربین بادی و در طول فعالیت چندین ساله تهیه شده باشند.درحال حاضر تنها آمریکا و دانمارک دارای تجربه کافی هستند که بتوانند چنین اطلاعاتی را تهیه و در اختیار بگذارند.

زمانی که در دسترس بودن یک توربین بادی مورد ارزیابی قرار می گیرد ،باید پیشرفتی که در بهبود توربین حاصل شده را نیز به طور همزمان بررسی کرد.

● ارزش انرژی باد

ارزش انرژی باد به کاربرد انرژی و هزینه گزینه های دیگر برای پوشش همان کاربرد ،وابسته است.طبق بیان شرکت های تولید برق ،این ارزش را می توان به صورت هزینه های سوخت ،ظرفیت و انتشاراتی که در صورت کاربرد انرژی باد از آنها پیشگیری خواهد شد ،تعریف کرد. به طور کل میزان درک و دریافت اجتماعی از این ارزش ،معادل صرفه جویی خالص در کل هزینه های اجتماعی است .

▪ صرفه جویی در سوخت

زمانی که انرژی باد به یک سیستم تولید برق متصل می شود ، برق تولیدی به وسیله انواع دیگر واحدهای مولد برق را کاهش می دهد. بنابراین در مصرف سوخت صرفه جوئی حاصل می شود .مقدار و نوع سوخت فسیلی که صرفه جویی می شود ، به ترکیب تولید کنندگان برق در حال و آینده بستگی دارد. از طرف دیگر ،صرفه جویی در سوخت بستگی به مشخصات واحدهای تولیدی و به میزان نفوذ انرژی باد در کل سیستم تولید برق دارد.

▪ صرفه جویی در ظرفیت

به دلیل متغیر بون سرعت باد ،انرژی باد اغلب به عنوان یک منبع انرژی که دارای ارزش ظرفیتی نیست، قلمداد می شود لیکن در واقع ،سهم انرژی بادی در قابلیت اعتماد کل سیستم تولید برق ،صفر نیست .این احتمال وجود دارد زمانی که نیروگاههای برق متعارف در دسترس نیستند،نیروگاههای بادی در دسترس باشد .

البته این احتمال برای یک نیروگاه بادی کمتر از واحد متعارف است ،اما نشان دهنده این است که انرژی بادی دارای یک اعتبار ظرفیتی محدودی است.اعتبار ظرفیتی را می توان با بررسی قابلیت اعتماد کل سیستم محاسبه کرد و برای تعیین قابلیت اعتماد کل سیستم می توان از روشهای آماری و با محاسبه حداقل ظرفیت مورد نیاز با، یا بدون احتساب توربین های بادی در سیستم تولید انرژی استفاده کرد.اعتبار ظرفیتی انرژی بادی برای سیستم های تولید انرژی متفاوت تعیین شده اند.

▪ صرفه جویی در انتشارات

به هنگام عملکرد عادی توربین های بادی ، هیچگونه انتشار در هوا ،آب و خاک به وجود نمی آید .تقریباً در تمام سیستم های تولید برق ، این انتشارات به دلیل سوزاندن سوخت های فسیلی به وجود می آید.این بدان معنی است که به ازاء هر Gwh انرژی که به وسیله توربین های بادی تولید می شود ،قدری صرفه جویی در مصرف سوخت فسیلی حاصل شده و در ضمن از انتشار مقدار معین آلودگی نیز جلوگیری می شود .میزان انتشار پیشگیری شده به ترکیب واحدهای مولد برق در منطقه مربوطه و نیز اقداماتی که در جهت کاهش انتشارات انجام می گردد،وابسته است.

● هزینه های صرفه جویی شده سوخت، ظرفیت و انتشارات

برپایه هزینه های صرفه جویی شده در سوخت،ظرفیت و انتشارات می توان میزان هزینه های صرفه جویی شده را که با بهره برداری از انرژی باد حاصل می شود، محاسبه کرد.بر طبق نظر سازمان تأمین انرژی این محاسبات بیانگر ارزش انرژی بادی هستند.

معمولاً فقط صرفه جویی در انتشارات را نیز می توان به هزینه های صرفه جویی شده تبدیل نمود. در برخی از مطالعات ،این هزینه های صرفه جویی شده را با تحقیق در مورد هزینه زیان های وارده به گیاهان ،جانوران ،مصالح ساختمانی و انسانها در اثر بارش بارانهای اسیدی ،افزایش اثرات گلخانه ای و غیره تخمین می زنند. در بعضی مطالعات دیگر،صرفه جویی در هزینه ها را با ارزیابی هزینه اعمال روشهای اضافی کاهش انتشارات در نیروگاههای متعارف ،برای تحقق همان مقدار کاهش انتشارات که از بهره برداری انرژی بادی حاصل می شود،محاسبه می کنند.

منابع:

- محمود، ثقفی. (۱۳۸۴).انرژی های تجدید پذیر نوین .انجمن انرژی ایران و مرکز مطالعات انرژی ایران . دانشگاه تهران

- محمود، ثقفی.(۱۳۷۲). انرژی باد و کاربرد آن در کشاورزی .دانشگاه تهران .

- معاونت امور انرژی ،دفتر انرژی های نو وزارت نیرو .(۱۳۷۸).مجموعه مقالات سمینار مشترک انرژی های نو ایران و ژاپن.

جواد، نصیری.(۱۳۷۵).منابع انرژی تجدید پذیر نوین . دفتر انرژی های نو وزارت نیرو . -

-World Meteorological Organization.Meteorological Aspects of the Utilization of Wind as an Energy Source ,Technical Note ۱۷۵.Geneva,Switzerland,۱۹۸۱.

نازنین امامی