انرژی باد

حرکت توده هوا از ناحیه پر فشار به ناحیه کم فشار، اساس کلی تشکیل باد است. باد انرژی جنبشی قابل توجهی دارد و در صورت عدم استفاده مفید از آن می تواند خسارت آفرین باشد.در این مقاله قصد داریم ابتدا به سوالات کلی زیر پاسخ داده و سپس هر کدام را به صورت مفصل تشریح کنیم.

1. انرژی باد چیست؟
2. هزینه (های) استفاده از انرژی باد چیست؟
3. مشکلات استفاده از انرژی باد چیست؟
4. انواع توربین بادی و نحوه عمکلرد هر یک به چه صورت است؟

برای پاسخگویی به این سوالات می توانید به مدت 5 دقیقه مقاله “انرژی باد” را بخوانید.

انرژی باد چیست ؟

از 4 هزار سال قبل از میلاد، انرژی باد برای راه اندازی قایق‌های بادبانی، آسیاب غلات، پمپاژ آب برای مزارع مورد استفاده قرار می گرفت. اخیرا از این انرژی مفید برای تولید برق بهره برده می شود. از دهه 1850 میلادی تنها در ایالات متحده، بیش از 6 میلیون آسیاب بادی کوچک که اکثر آن‌ها کمتر از 5 اسب بخار قدرت دارند، برای پمپ کردن آب مورد استفاده قرار گرفت. همچنین از سال 1900 آسیاب‌ های بادی کوچک برای تولید برق به کار گرفته شدند، اما توسعه توربین‌ های بادی مدرن در پاسخ به بحران‌ های انرژی به تازگی در اوایل دهه 1970 انجام شده است. نیروی بادی یکی از منابع انرژی است که به کارگیری آن سریع‌ترین رشد را در جهان دارد.

استفاده از انرژی باد در آسیاب های بادی و قایق های بادبانی

به کمک تاسیسات اخیر در سراسر جهان، کل ظرفیت انرژی بادی جهان تا پایان سال 2017 به 539 گیگاوات افزایش یافته است. چین با ظرفیت انرژی بادی 188 گیگاوات پیشرو در جهان است. ایالات متحده با ظرفیت 89 گیگاوات در رتبه دوم قرار دارد. آلمان، هند و اسپانیا به ترتیب با ظرفیت‌های 56، 33 و 23 گیگاوات این فهرست را دنبال می‌کنند. افزایش نیروی باد برای سال های 2014، 2015، 2016 و 2017 به ترتیب 16.6، 17.2، 11.8 و 10.8 درصد بوده است. مجموع ظرفیت فعلی این انرژی می‌تواند بیش از 5 درصد تقاضای جهانی برق را پوشش دهد. Altamont pass در کالیفرنیا بزرگترین مزرعه بادی جهان با 15000 توربین بادی مدرن است. این مزرعه و دو مزرعه دیگر در کالیفرنیا حدود 3 میلیارد کیلو وات ساعت در سال برق تولید می‌کنند که برای تامین برق مورد نیاز سانفرانسیسکو کافی است.

مزرعه بادی Altamont Pass در کالیفرنیا

هزینه استفاده از انرژی باد

هزینه انرژی بادی چقدر است؟ هزینه انرژی بادی از حدود 0.5 دلار در هر کیلو وات ساعت در اوایل دهه 1980 به حدود 0.05 دلار در هر کیلو وات ساعت در اواسط دهه 1990 کاهش یافته است. هزینه فعلی برق بادی شامل هزینه های سرمایه و عملیاتی برابر با 0.082 دلار در کیلو وات ساعت است. این موضوع به طور قابل توجهی کمتر از هزینه زغال سنگ و نیروگاه‌ های هسته‌ای پیشرفته با ارزش متوسط 0.11 دلار در هر کیلو وات ساعت است. با این حال، نیروگاه‌ های گاز طبیعی پیشرفته با هزینه 0.063 دلار در هر کیلو وات ساعت برق تولید می‌کنند. مناطق با سرعت متوسط باد در حدود 6 متر بر ثانیه یا بیشتر، مکان‌های بالقوه‌‌ی اقتصادی برای تولید برق توسط نیروی باد هستند. اکثر توربین های بادی تجاری از 100 کیلو وات تا 3.2 مگاوات برق هر کدام در شرایط اوج طراحی تولید می‌کنند. یک مدل توربین بادی که اخیرا نصب شده است ظرفیت تولید بیش از 8 مگاوات برق را دارد. سرعت چرخش روتور های توربین‌ های بادی معمولا کمتر از 40 دور در دقیقه (برای توربین‌های بزرگ زیر 20 دور در دقیقه) است. قطر دهانه پره (یا روتور) توربین بادی 3.2 مگاواتی که توسط شرکت مهندسی بوئینگ ساخته شده است، 97.5 متر است. بنابر این فراهم کردن شرایط استفاده از این نوع انرژی تجدید پذیر هزینه های زیادی به همراه دارد که این یکی از معایب استفاده از انرژی باد است.

مقایسه اندازه توربین های بادی در ظرفیت های مختلف

مشکلات استفاده از انرژی باد

اگرچه انرژی باد رایگان و قابل تجدید است، توربین‌های بادی مدرن، گران هستند و در مقایسه با اکثر دستگاه‌ های تولید برق دیگر یک نقطه ضعف آشکار دارند. توربین‌های بادی فقط زمانی که باد می‌وزد، توان تولید می‌کنند و بنابراین خروجی انرژی یک توربین بادی ذاتا ناپایا است. علاوه بر آن به دلیل ماهیت توربین‌ های بادی، این تجهیزات در جایی قرار گیرند که باد وزش دارد. این نواحی اغلب از شبکه‌های برق قدیمی، دور است و نیاز به ساخت خطوط برق فشار قوی دارد. با این وجود، انتظار می‌رود که توربین‌ های بادی نقش فزاینده‌ ای در عرضه جهانی انرژی برای آینده پیش‌ بینی کنند.

اگرچه استفاده از توربین بادی منجر به کاهش انتشار آلایندگی های هوا خواهد شد، اما احداث مزارع بادی با مشکلاتی از قبیل از بین بردن پوشش گیاهی منطقه جهت آماده سازی و بتن ریزی بستر توربین می گردد. همچنین برخورد پرندگان به پره های توربین منجر به نابودی آن ها خواهد شد.

از بین رفتن پرندگان در برخورد به پره های توربین بادی

انواع توربین بادی و منحنی عملکرد نیرو در آن

طرح‌ های ابتکاری معتددی برای توربین‌ های بادی در طول قرن‌ ها پیشنهاد و آزمایش شده‌اند که نمونه هایی از آن در شکل های زیر نشان داده شده است. ما به طور کلی توربین‌ های باد را بر اساس جهت‌ گیری محور چرخش دسته‌ بندی می‌کنیم:

• • توربین‌ های باد محور افقی 
  • توربین‌ های باد محور عمودی

در طبقه‌بندی دیگر توربین‌های باد براساس مکانیزمی که گشتاور را به محور چرخان اعمال می‌کند به دو دسته استفاده از نیروی لیفت (Lift Force) و درگ (ِDrag Force) تقسیم می شود.

طراحی‌های مختلف توربین باد محور افقی و دسته‌ بندی آن ها

در شکل زیر طرح های مختلف توربین باد محور عمودی نشان داده شده است. تاکنون هیچ یک از طرح‌های توربین‌های محور عمودی یا توربین هایی که با استفاده از نیروی درگ عمل می کنند به بازده توربین‌های محور افقی دست نیافته‌اند. به همین دلیل است که اکثریت قریب به اتفاق توربین‌های بادی که در سرتاسر جهان ساخته می‌شوند از نوع محور افقی است.

طراحی‌های مختلف توربین بادی محور عمودی و دسته‌ بندی آن ها

هر توربین بادی دارای یک منحنی عملکرد مطابق شکل زیر است که در آن توان الکتریکی خروجی به عنوان تابعی از سرعت باد (V) در ارتفاع محور توربین ترسیم شده است. ما سه مکان کلیدی را در مقیاس سرعت باد شناسایی می‌کنیم. در نمودار پایین Cut-in حداقل سرعت باد است که در آن توان مفید تولید می‌شود. Rated speed سرعت باد است که در آن توان نامی استحصال می‌ شود. Cut-out حداکثر سرعت باد مجازی است که در آن توربین بادی برای تولید نیرو طراحی شده است. برای مسائل ایمنی در سرعت باد بیشتر از سرعت Cut-out، پره‌های توربین توسط نوعی مکانیزم ترمز متوقف می‌شوند تا آسیبی نبینند. بخش کوتاه خط منحنی نقطه‌ چین نشان دهنده توانی است که در صورت عدم اجرای Cut-out تولید می‌ شود. طراحی مقاطع پره‌ های توربین محور افقی شامل باریک شدن و پیچش برای به حداکثر رساندن عملکرد است. در حالی که مکانیک سیالات در طراحی توربین باد نقش حیاتی دارد، منحنی عملکرد نیرو نیز تحت تاثیر ژنراتور الکتریکی، گیربکس و مسائل ساختاری است. (برگرفته از کتاب مبانی و کاربردهای انرژی تجدید پذیر Mehmet kanoglu).

منحنی عملکرد توربین بادی

در این مقاله به پاسخ سه سوال اساسی در زمینه انرژی تجدید پذیر بادی پرداختیم:

• • انرژی باد چیست و انواع توربین های بادی کدام هستند.
  • هزینه های استفاده از انرژی باد چیست.
  • مشکلات استفاده از این نوع انرژی چیست.

استفاده از این نوع انرژی از سویی دارای هزینه پایین و از سوی دیگر با شرایط سختی برای تولید، راه اندازی و نصب همراه است. از این رو باید همواره بین این عوامل تعادل برقراری کرد تا استفاده از انرژی باد دارای حداکثر بازده در تمامی ابعاد باشد.