انرژی باد
تاریخچه

قدیمی‌ترین روش استفاده از انرژی باد، به ایران باستان باز می‌گردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو (دولاب) یا چرخ چاه را به گردش درآورده و از چاه‌های آب خود، آب را به سطح مزارع برسانند. احتمالاً نخستین ماشین بادی توسط ایرانیان باستان ساخته شده است و یونانیان برای خرد کردن دانه‌ها و مصریها ، رومی‌ها و چینی‌ها برای قایقرانی و آبیاری از انرژی باد استفاده کرده‌اند.





در قرن 13 این فناوری توسط سربازان صلیبی به اروپا برده شد و هلندیها فعالیت زیادی در توسعه دستگاههای بادی داشتند، بطوری که در اواسط قرن نوزدهم در حدوود 9 هزاز ماشین بادی به منظورهای گوناگون مورد استفاده قرار می‌گرفته است. در زمان انقلاب صنعتی در اروپا استقاده از ماشینهای بادی رو به کاهش گذاشت. استفاده از انرژی باد در ایالات متحده از سال 1854 شروع شد. از این ماشینها بیشتر برای بالا کشیدن آب از چاههای آب و بعدها برای تولید الکتریسیته استفاده شد. بزرگترین ماشین بادی در زمان جنگ جهانی دوم توسط آمریکائیها ساخته شد.

در شوروی سابق در سال 1931 ماشینی بادی با محور افقی بکار انداختند که انتظار می‌رفت 100 کیلو وات برق به شبکه بدهد. ارتفاع برج 23 متر و قطر پره‌ها 30.5 متر بود.





انرژی باد

منشا باد یک موضوع پیچیده‌است. 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.





مزاياي انرژي بادي

از آنجاي كه انرژي باد در زمستان با توجه به وزش باد بيشتر مي باشد و همين وزش شديد باعث ميشود كه الكتريسيته بيشتري توليد گردد انرزي باد نه آلودگي ايجاد ميكند و جزوء‌انرژي هاي پايان ناپذير مي باشد و اين فناوري باعث شده كه هزينه اين انرژي به مراتب كمتر از هزينه الكتريسيته توليد شده توسط زغال سنگ و شكافت هسته اي باشد





ناکار آمديهاي انرژي بادي

يكي از مسائل مهم در ناكارآمدي انرژي باد مساله زيست محيطي مي باشد، با توجه به اينكه اين مولدهاي برق داراي ظاهر ناخوشايند و داراي سر و صداي بالاي هستند




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:: P = \begin{matrix}\frac{1}{2}\end{matrix}\alpha\rho\pi r^2 v^3

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

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 ۰٫۵۹ نخواهد شد.

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

حجم هوایی که از منطقه جاروب شده توسط پره‌ها عبور می‌کند به میزان سرعت باد و چگالی هوا وابسته‌است. 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 وابسته‌است 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 دائماً 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 ۱۵٪ 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 ۳۵٪ دارد.

برعکس نیروگاه‌های سوختی ضریب ظرفیت در یک نیروگاه بادی به شدت به خصوصیات ذاتی باد وابسته‌است. ضریب ظرفیت در انواع دیگر نیروگاه‌ها معمولاً به بهای سوخت و زمان مورد نیاز برای انجام عملیات تعمیر بستگی دارد. از آنجایی که نیروگاه‌های هسته‌ای دارایهزینه 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 ۹۰٪ 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 معمولاً بین ۵-۲۵٪ می‌باشد.

بنا به یک تحقیق در دانشگاه استندورد که در نشریه کاربردی هواشناسی و اقلیم‌شناسی نیز به چاپ رسیده در صورت ساخت بیش از ده مزرعه بادی در مناطق مناسب و به طور پراکنده می‌توان تقریباً از ۳/۱ 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 وابسته‌است 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 ۲۵٪ 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.




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 ذاتاً 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 معمولاً 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

در جهان هزاران توربین بادی در حال بهره‌برداری وجود دارد که ظرفیت تولیدی آنها به ۷۳٫۹۰۴ مگاوات می‌رسد و در این میان اتحادیه اروپا ۶۵٪ از کل توان بادی جهان را تولید می‌کند. تولید برق بادی در میان دیگر روش‌های تولید انرژی الکتریکی دارای بیشتری شتاب رشد در قرن ۲۱ بوده‌است به طوری که تولید توان بادی جهان در بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۶ چهار برابر شده‌است. در دانمارک و اسپانیا برق بادی حدود ۱۰٪ یا بیشتر ازکل تولید انرژی الکتریکی را تشکیل می‌دهد. گرچه ۸۱٪ 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 ۷۱٪ در سال ۲۰۰۴ به ۵۵٪ در سال ۲۰۰۵ کاهش یافته‌است.

انجمن جهانی انرژی بادی پیش‌بینی کرده در سال ۲۰۱۰ ظرفیت تولیدی برق بادی به ۱۶۰ گیگاوات برسد. با توجه به میزان تولید کنونی ۷۳٫۹ مگاوات این رقم پیش‌بینی یک رشد ۲۱٪ 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 ۱۹۷۰ ملزم شد تا تولید انرژی الکتریکی از انرژی باد را به ۵۰٪ کل تولید برق برساند و تا به امروز برق بادی ۲۰٪ (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 ۵۶ را دراست). آلمان و دانمارک دو کشور پیشتاز در زمینه صادرات توربین‌های بزرگ (۰٫۶۶ تا ۵ مگاوات) به حساب می‌آیند.

آلمان یکی از کشورهای پیشتاز در زمینه تولید برق بادی بوده‌است به طوری که در سال ۲۰۰۶ این کشور ۲۸٪ از کل توان بادی تولید شده در جهان (۷٫۳٪ در آلمان) را به خود اختصاص داده‌است. این در حالی است که آلمان برنامه دارد تا سال ۲۰۱۰ ۱۲٫۵٪ از کل توان تولیدی خود را از منابع تجدیدپذیر تامین نماید. کشور آلمان دارای حدود ۱۸۶۰۰ 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 ۲۰۰۵ دولت اسپانیا قانونی را تصویب کرد که بر طبق آن نصب ۲۰۰۰۰ مگاوات ظرفیت بادی تا سال ۲۰۱۲ در برنامه دولت قرار گرفت. البته در سال ۲۰۰۶ یارانه‌ها و پشتیبانی دولت از ساخت این ظرفیت‌ها به ناگهان قطع شد. قابل ذکر است که در سال ۲۰۰۵ 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 افزوده‌است. تولید برق بادی در ایالات متحده در بازه زمانی بین فوریه ۲۰۰۶ تا فوریه ۲۰۰۷ ۳۱٫۸٪ رشد را نشان می‌دهد. ایالت تگزاس با پیشی گرفتن از کالیفرنیا اکنون بیشترین تولید برق بادی را دربین ایالت‌های مختلف این کشور دارد. تگزاس در سال ۲۰۰۹ نزدیک به ۱۷٪ برق خود را از باد بدست آورد، و تگزاس اکنون بزرگترین مزرعه بادی جهان را با ۷۸۲ مگاوات ظرفیت در روستایی بنام راسکو در اختیار دارد.





برق بادی در مقیاس‌های کوچک

تجهیزات تولید برق بادی در مقیاس کوچک (۱۰۰ کیلووات یا کمتر) معمولاً 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 ۱ تا ۱۰ 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.



پمپاژ اب در مناطق دور افتاده

یکی از کاربرد های مهم غیر نیرو گاهی انرژی حاصل از استحصال انرژی بادی پمپاژ آب میباشد.با توجه به برتری انرژی برق . در سال های انقلاب صنعتی ورونق پمپ های الکترو موتور به جای پمپ های بادی هنوز پمپ های بادی در مناطقی از چین وافریقای جنوبی ارژانتین وایالات متحده امریکا به فروش میرسد. پمپ های بادی عمدتا از نوع توربین های بادی پر پره کلاسیک میباشد.که تکنولوژی در این زمینه دز دهه های اخیر به مداوم بهبود یافته است. موارد استفاده از پمپ های بادی جهت پمپاژ اب عبارتند از : الف-تامین اب مصرفی ب-آ بیاری زمین در مقیاس کم ج-آبیاری حجم کم جهت پرورش ابزیان د-تامین اب اشامیدنی حیوانات در مناطق دور افتاده.


2-توربین های کوچک تولید کننده برق

جزیره مصرف به منطقه ای که برق رسانی به ان از طریق شبکه ی سراسری برق غیر منطقی و غیر اقتصادی باشدوهمچنین تامین برق ان از طریق مولد های کوچک برقی تامین میشود گفته میشود.توربین بادی نقش موثری در بهبود تامین برق جزیره مصرف ویا به عنوان اصلی ترین کاربرد غیر نیروگاهی به حساب می اید . از نظر هزینه اولیه توربین های برق بادی در مقایسه با مجموع موتور برق و هزینه سوخت ان کاملا مقرون به صرفه میباشد. امروزه این توربین ها در مقیاس پایین تا قدرت 10 کیلو وات برای تامین برق مورد نیاز مناطق جزیره مصرف مورد استفاده قرار میگیرد. که میتوان ازآن به حالت ترکیبی با منابع فتولتاییک با ژنراتورهای دیزلی مورد استفاده قرار گیرد.


3-شارژ باتری

سومین دسته کاربرد غیر نیروگاهی شارژ باتری میباشد. جهت شارژ باتری استفاده از توربین های باقیمت ارزان و توربین های با روتور قطر 3 متر کاربرد دارد. که استفادهاز آن در مصرف خانگی وکاربرد های تجاری میباشد ودر مصارف مشابه تامین برق دستگاه های کمک ناوبری ومخابرات نیز کاربرد فراوان دارد.





کاربرد نیروگاهی

کاربرد های نیروگاهی توربین های برق بادی شامل کاربرد های متصل به شبکه برق رسانی کلی است که جهت استحصال انرژی برق در مقیاس های رده بندی شده زیر استفاده میشود.


1-توربین های بادی منفرد

اندازه این توربین هااز10 تا 100 کیلو وات که کاربردان در نزدیکی کشتزارها واستفاده گروهی خانه های مسکونی ویا صنعتی کشاورزی استفاده میشود.


2-توربین های گروهی تولید باد




الف-نیروگاههای کوچک:

عمده مصرف این نیرگاهها مصرف خصوصی بوده که تا ظرفیت تولید ان به 80 کیلو وات میرسد.قطر روتور در این توربین ها میانگین به 20 متر میرسد.




ب-نیرو گاهها حجم متوسط

معمولا صا حبا ن این نیروگاهها تعاونی های برق بادی ویا خصوصی هستند که به شبکه سراسری برق میفروشند. ظرفیت تولید این نیروگاهها از 80 تا 750 کیلو وات میباشد وقطر روتور ان از 20 تا 45 متر میرسد.




ج-نیرو گاهها ی بزرگ

سرمایه گذاری های لازم جهت این احداث این نیرو گاهها به چند میلیون یورو میرسد .ظرفیت تولیدی بیش از 750 کیلو وات وقطر روتور ان به بیش از 45 متر میرسد. 
... page1 - page2 - page3 - page4 - page5 - page6 - page7 ...