انرژی باد چیست؟

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

همچنین اتمسفر کره زمین بدلیل حرکت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که این امر نیز باعث بوجود آمدن باد می گردد. جریان اقیانوسی نیز بصورت مشابه عمل نموده و عامل 30% 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 زمانهای بسیار دور انرژی باد را به شیوه های مختلف بکار گرفته است. ایرانیان اولین کسانی بودند که در حدود 200 سال قبل از میلاد مسیح برای آردکردن غلات از آسیابهای بادی استفاده کرده اند که امروزه آثار آن در نواحی خواف و تایباد در شرق کشور  به چشم می خورد. 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 توربینهای بادی به سوخت که در نتیجه از میزان مصرف سوختهای 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
• 3-6- قدرت مانور زیاد جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه (از چند وات تا چندین مگاوات)
• عدم نیاز به آب
• عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
• ایجاد اشتغال
• نداشتن آلودگی زیست محیطی

4) انرژی باد و توربینهای بادی

بهره برداری از انرژی باد توسط توربینهای بادی تفکر بسیار قدیمی می با شد. مثلاً سیستم های اولیه انرژی باد در چین باستان و خاور نزدیک زمانهای طولانی بکار گرفته می شدند. یک دوره نیز در قرن پانزدهم که فعالیتهای اقتصادی در اروپای غربی افزایش پیدا کرد از توربینهای بادی جهت تأمین نیروی مکانیکی برای پمپاژ آب و آسیاب غلات استفاده می کردند.

امروزه گستره فعالیتها و کاربرد توربینهای بادی طیف وسیعی از صنایع را تحت پوشش قرار می دهد مثلاً برای پمپاژ آب یا شارژ باتری از این توربینها استفاده می شود. از نظر عملکردی در توربین های بادی انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد.

این توربینها را می توان جهت استفاده بهینه و تولید بیشتر قدرت با سلولهای خورشیدی (فتوولتائیک) نیز ترکیب نمود. در حال حاضر بیشترین ظرفیت توربینهای بادی نصب شده در چند دهه گذشته از نوع متصل به شبکه بوده است. البته گاهی اوقات در نواحی دور افتاده از توربینهای بادی منفصل از شبکه نیز استفاده شده است. شارژ باتری و تولید انرژی مکانیکی جهت پمپاژ آب نیز از نمونه کاربردهای دیگر توربینهای بادی می باشد. سیستم های شارژ باتری و پمپهای بادی با وجود کوچک بودن از اهمیت ویژه ای برخوردارند.

انواع توربین های بادی و مکانیسم کار آنها

 

 

الف- توربینهای بادی با محور چرخش عمودی

 این توربینها از دو بخش اصلی تشکیل شده اند: یک میله اصلی که رو به باد قرار می گیرد و میله های عمودی دیگر که عمود بر جهت باد کار گذاشته می شوند. این توربینها شامل قطعاتی با اشکال گوناگون بوه که باد را در خود جمع کرده و باعث چرخش محور اصلی می گردد. ساخت این توربینها بسیار ساده بوده و همچنین بازده پایین نیز دارند. عمده ترین توربین های بادی محور عمودی عبارتند (ساوینیوس داریوس، صفحه ای و کاسه ای).

در این نوع توربینها در یک طرف توربین، باد بیشتر از طرف دیگر جذب می شود و باعث می گردد که سیستم لنگر پیدا کرده و بچرخد. یکی از مزایای این سیستم وابسته نبودن آن به جهت وزش بادمی باشد.

ب – توربینهای بادی با محور چرخش افقی

این توربینها نسبت به مدل محور عمودی رایج تر بوده همچنین از لحاظ تکنولوژیک پیچیده تر و گرانتر نیز می باشند. ساخت آنها مشکلتر از نوع محور عمودی بوده ولی راندمان بسیار بالایی دارند. در سرعتهای پایین نیز توانایی تولید انرژی الکتریکی را داشته و توانایی تنظیم جهت در مسیر وزش باد را نیز دارند. این توربینها 3 یا در مواردی 2 پره می باشند که روی یک برج بلند نصب می شوند. این پره ها همواره در جهت وزش باد قرار می گیرند.

    ج- مکانیسم کار توربین های بادی و اجزا آن

  مراحل کار یک توربین کاملاً عکس مراحل کار پنکه می باشد. در پنکه انرژی الکتریسیته به انرژی مکانیکی تبدیل شده و باعث چرخیدن پره می شود. در توربینهای بادی چرخش پره ها انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده، سپس الکتریسیته تولید می گردد. باد به پره ها برخورد می کند و آنها را می چرخاند. چرخش پره ها باعث چرخش محور اصلی می شود و این محور به یک ژنراتور برق متصل می باشد. چرخش این ژنراتور، برق متناوب تولید می نماید. در ضمن شکل زیر اجزا یک توربین بادی محور افقی را نشان می دهد.

انواع کاربرد توربینهای بادی

الف- کاربردهای غیرنیروگاهی شامل:

• پمپهای بادی آبکش جهت :
• تأمین آب آشامیدنی حیوانات در مناطق دور افتاده
• آبیاری در مقیاس کم
• آبکشی از عمق کم جهت پرورش آبزیان
• تأمین آب مصرفی خانگی
• کاربرد توربینهای بادی کوچک بعنوان تولید کننده برق
• تأمین برق جزیره های مصرف
• شارژ باتری

ب – کاربردهای نیروگاهی

• 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

 

 

انرژی باد و محیط زیست

انرژی باد در بین انرژیهای تجدیدپذیر یکی از بهترین و اقتصادی ترین روشهای تولید برق می باشد که آلودگی زیست محیطی در پی نداشته و پایان ناپذیر نیز می باشد. طبق آمار موجود تولید یک کیلووات ساعت انرژی برق بادی از انتشار آلاینده های زیست محیطی به شرح زیر جلوگیری می نماید.

گرم 850= CO₂ (دی اکسید کربن)

گرم 9/2= SO₂ (دی اکسیدگوگرد)

گرم 6/2= NO_X (اکسیدنیتروژن)

گرم 1/0= خاک

گرم 55= خاکستر

بطور کلی با جایگزینی انرژی برق بادی به جای انرژی برق تولیدی از نیروگاههای سوخت فسیلی می توان از انتشار گازهای گلخانه ای کاست. از طرف دیگر جاذبه های طبیعی و چشم انداز سیستم های انرژی بادی نمادی از انرژی پاک برای مردم تلقی می گردند. در ضمن از سطح زمینی که برای احداث مزرعه برق بادی اختصاص می یابد 99% آن می تواند مورد استفاده فعالیتهای کشاورزی و دامپروری قرار گیرد و تنها حدود یک درصد از کل سطح مزارع برق بادی توسط توربینها استفاده می گردد.

8) بررسی اقتصادی استفاده از انرژی باد

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 Sox و Nox و Cox و هیدروکربورها و سایر گازهای سمی، آلودگی آب و خاک و ایجاد بارانهای 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 1975، 30 سنت برای هر کیلووات ساعت بوده اما اکنون به کمتر از 5 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 توربینهای بادی در دنیا تا پایان سال 2004 میلادی برابر 616/47 گیگاوات می باشد.

در ضمن کل سرمایه در گردش صنعت انرژی باد جهان در سال 2002 میلادی برابر با 1381 خورشیدی برابر 7 میلیارد یورو بوده است. قیمت سرمایه گذاری انرژی باد در حدود 1000 دلار بر کیلووات برآورد می شود که در حدود 750 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 توربینهای 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 از:

• نداشتن هزینه های اجتماعی – این هزینه ها در تمام گزینه های متعارف انرژی (فسیلی) وجود دارند، لیکن علیرغم مبالغ قابل توجه آنها معمولاً در بررسیهای 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 مسئله یکی از مهمترین دلایل رویکرد کشورهای صنعتی به انرژیهای تجدیدپذیر و انرژی باد است، لکن 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 پیشرفتهای 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 15 الی 19 نفر شغل ایجاد می کند که این رقم در کشورهای در حال توسعه براحتی می تواند دو برابر شود. در سال 2000 که ظرفیت نصب شده برق بادی در اروپا در حدود 8000 مگاوات بود، بیش از نیم میلیون نفر در این صنعت به کار اشتغال داشتند.

در کشورمان ایران علیرغم اینکه مشاهده می شود با در نظر گرفتن هزینه های خصوصی نیروگاههای بادی و فسیلی، توسعه نیروگاههای بادی برای تولید برق هم اکنون در حال اقتصادی شدن می باشد ولی اگر هزینه های اجتماعی نیروگاههای فسیلی که در برگیرنده اثرات برونزایی منفی است مبنای مقایسه قرار گیرد هزینه تولید در مولدهای بادی کمتر از فسیلی خواهد بود و برق حاصل از آن می تواند بعنوان یک انرژی پایدار در توسعه اقتصادی – اجتماعی کشور مورد استفاده قرار گیرد.

 

 

9) روند تحولات تکنولوژی انرژی باد در سالهای اخیر

بزرگترین شرکتهای سازنده توربین بادی جهان در حال حاضر شرکت وستاس، شرکت انرکون و شرکت NEG مایکون هستند که به ترتیب 3/23، 6/14 و 4/12 درصد از بازار جهان را در اختیار دارند.

 برخی اطلاعات که از بررسی بازار تکنولوژی باد در آلمان بعنوان پیشتاز صنعت باد جهان بدست آمده بیانگر روند تحولات در سالهای اخیر در این صنعت می‎باشد و لذا توجه به آنها در پیش‎بینی آینده سودمند خواهد بود:

• میانگین ظرفیت توربینهای بادی نصب شده در آلمان در حدود 900 کیلووات است، اما اگر فقط توربینهای نصب شده در نیمه اول سال 2003 را در نظر بگیریم، میانگین ظرفیت توربینهای جدید در حدود 1560 کیلووات می‎باشد. لذا روند آشکاری از افزایش سایز توربینهای بادی مدرن قابل مشاهده است.
• در بازار توربینهای بادی 58 مدل توربین وجود دارد که از این 58 مدل فقط 4 مدل آن بدون گیربکس هستند که روی سایزهای متوسط و بزرگ آزمایش شده‎اند. اما 54 مدل دیگر (شامل سایز های متوسط، بزرگ و خیلی بزرگ) هنوز از گیربکس استفاده می‎کنند. بنابراین توربینهای بدون گیربکس هنوز در ابتدای راه هستند و وضعیت آنها پس از سالها تجربه و بهره برداری روشن خواهد شد.
• اغلب توربینهای بزرگ از نوع پیچ کنترل هستند، یعنی هر چه توربینها بزرگتر شوند از تعداد مدلهای استال کنترل کاسته و به مدلهای پیچ کنترل افزوده می‎شود. در توربینهای خیلی بزرگ (بالاتر از 3000 کیلووات) اصلاً سیستم استال کنترل وجود ندارد. قابل ذکر است که پره‎های استال کنترل بزرگتر و سنگینتر از انواع پیچ کنترل می‎باشند.
• لازم به اشاره است که در سیستم پیچ کنترل پره‎ها حول محور طولی خود میتوانند بچرخند و تغییر زاویه بدهند. اما در سیستم استال کنترل پره‎ها به هاب فیکس می‎شوند و آزادی گردش حول محور طولی را ندارند.
• در گذشته توربینهای بادی با یک سرعت دورانی ثابت (دور روتور) کار می‎کردند، اما مدلهای امروزی تقریباً سیستم یک سرعته را کنار گذاشته و به سیستم های دوسرعته یا سرعت متغیر روی آورده‎اند. از میان 58 مدل موجود در بازار، فقط 2 مدل از نوع یک سرعته هستند و 23 مدل دو سرعته و 34 مدل با سرعت متغیر دیده می‎شوند.

10) آینده انرژی باد در ایران  

بازار تأمین انرژی یک بازار رقابتی است که در آن  تولید برق در نیروگاههای بادی در مقایسه با نیروگاههای سوخت های فسیلی برتری های نوینی را پیش روی کاربران قرار داده است. از برتری های نیروگاههای بادی این است که در طول مدت زمان عمر خود، سالهای زیادی انرژی را بدون نیاز به هزینه سوخت تولید خواهد کرد

در حالی که هزینه دیگر منابع تولید انرژی در طول این سالها افزایش خواهد یافت. فعالیت گسترده بسیاری از کشورهای جهان برای تولید الکتریسیته از انرژی باد، سرمشقی برای دیگر کشورهایی است که در این زمینه راه درازی در پیش دارند. بسیاری از منابع اقتصادی در حال رشد، در منطقه آسیا واقع شده اند و اقتصاد رو به رشد کشورهای آسیایی از جمله ایران، باعث شده تا این کشورها بیش از پیش به تولید الکتریسیته احساس نیاز کرده و اقدام به تولید الکتریسیته از منابع غیرفسیلی کنند. افزون بر این موارد، نبود شبکه برق سراسری در بسیاری از بخشهای روستایی در کشورهای آسیایی نیز مهر تأییدی بر سیستم های تولید الکتریسیته از انرژی باد زده است.

پس در خصوص دورنمای آینده اقتصادی استفاده از انرژی باد در ایران می بایست گفت استفاده از این انرژی موجب صرفه جویی فرآورده های نفتی بعنوان سوخت می شود. صرفه جویی حاصله در درجه اول موجب حفظ فرآوردهای نفتی گشته که امکان صادرات و مهمتر اینکه تبدیل آنرا به مشقات بسیار زیاد پتروشیمی با ارزش افزوده بالا فراهم می سازد.

در درجه دوم تولید الکتریسیته از این انرژی فاقد هر گونه آلودگی زیست محیطی بوده که همین عامل کمک شایانی به حفظ طبیعت سالم محیط زیست بشری نموده ودر نتیجه مسیر برای نیل به توسعه پایدار اقتصادی، اجتماعی فراهم می گردد.

استفاده از انرژی باد در ایران علاوه بر عمران و آبادانی موجبات ایجاد مشاغل جدید شده و بالاخره با بومی سازی فن‌آوری انرژی باد اقتصاد کشور رشد بیشتری می یابد.