انرژی بادی

منظور از توان بادی، تبدیل انرژی باد به نوعی مفید از انرژی مانند انرژی الکتریکی است که این کار به وسیله توربینهای بادی صورت میگیرد. در آسیابهای بادی از انرژی باد مستقیما برای خرد کردن دانهها و یا پمپ کردن آب استفاده میشود. در انتهای سال ۲۰۰۶ میزان ظرفیت تولیدی برق بادی در سراسر جهان برابر ۷۳٫۹ گیگاوات بود.
گرچه این میزان چیزی در حدود یک درصد از کل انرژی الکتریکی تولیدی جهان در آن سال محسوب میشد اما در طول بازه زمانی بین سالهای ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۶ تقریبا چهار برابر شدهاست. در این میان کشورهای دانمارک با ۲۰ درصد، اسپانیا و پرتغال با ۹ درصد و آلمان با ۷ درصد از نظر درصد تولید برق بادی از کل تولید انرژی الکتریکی در جایگاههای نخست قرار دارند.

مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت

انرژی بادی در مقادیر زیاد در مزارع بادی تولید و به شبکه الکتریکی منتقل میشود. از توربینهای بادی در تعداد کم معمولا فقط برای تامین برق در مناطق دور افتاده استفاده میشود. اما از جمله دلایل تمایل کشورها برای افزایش ظرفیت تولید برق بادی مزایای بسیار زیاد این روش تولید انرژی الکتریکی است چراکه انرژی بادی فراوان، تجدیدپذیر و پاک است و همچنین در مقایسه با استفاده از انرژی سوختهای فسیلی میزان کمتری گاز گلخانهای منتشر میکند.
تاریخچه

قدیمیترین روش استفاده از انرژی باد، به ایران باستان باز میگردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو یا چرخ چاه را به گردش درآورده و آب را از عمق چاه به سطح مزارع برسانند.

مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت

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 در خشکیها تغییرات دما با سرعت بیشتری انجام میپذیرد و بنابراین خشکیهای زمین نسبت به دریاها زودتر گرم و زودتر سرد میشوند. این تفاوت دمای جهانی موجب به وجود آمدن یک سیستم جهانی تبادل حرارتی می شود که از سطح زمین تا بالای جو، 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.

مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت

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.

توان پتانسیل توربین

انرژی موجود در باد را میتوان با عبور آن از داخل پرهها 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:

مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت

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 استخراج کند و به این ترتیب α در معادله بالا هرگز بیشتر از ۰٫۵۹ نخواهد شد.

مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت

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 دائما تغییر میکند میزان متوسط مشخص شده برای یک منطقه خاص صرفا نمیتواند میزان تولید توریبن بادی نصب شده در آن منطقه را مشخص کند. برای مشخص کردن فراوانی سرعت باد در یک منطقه معمولا 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.

مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
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 معمولا به بهای سوخت و زمان مورد نیاز برای انجام عملیات تعمیر بستگی دارد. از آنجایی که نیروگاههای هستهای دارای هزینه سوخت نسبتا پایینی هستند بنابراین محدویتهای مربوط به تامین سوخت این نیروگاهها نسبتا 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 معمولا تنها در زمان اوج مصرف به تولید میپردازند. به همین دلیل ضریب ظرفیت این توربینها پایین بوده و معمولاً بین ۵ تا 25 درصد 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 تقریبا 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 روشهای ذخیره سازی برق در شبکه میتوان 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 میشود. 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 مصرف کنندهها است.

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 ذاتا 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 معمولا 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.

مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت

بهره برداری 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 ۲۰۱۰ظرفیت 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 گذاری 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 نیز 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.

مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت

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 ۲۰۰۵در 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 افزوده است. تولید برق بادی در ایالات متحده در بازه زمانی بین فوریه ۲۰۰۶ تا فوریه۲۰۰۷ 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 دورافتاده 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.

مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت