انرژی باد

باد هواي در حال حركت است. باد به وسيلة گرماي غير يكنواخت كه سطح كرة زمين كه حاصل عملكرد خورشيد است، بوجود مي‌آيد. از آنجائيكه سطح زمين از سازنده‌هاي خشكي و آبي قنوعي تشكيل شده‌اند، اشعة خورشيد را بطور غيريكنواخت جذب مي‌كند. وقتي خورشيد در طول روز مي‌تابد، هواي روي سرزمين‌هاي خشكي سريعتر از هواي روي سرزمين‌هاي آبي گرم مي‌شود. هواي گرم روي خشكي ضبط شده و بالا مي‌رود و هواي خنك تر و سنگين تر روي آب جاي آنرا مي‌گيرد كه اين فرآيند بادهاي محلي را مي‌سازد. در شب، از آنجا كه هوا روي خشكي سريعتر از هواي روي آب خنك مي‌شود، جهت باد برعكس مي‌شود.

به همين طريق بادهاي بزرگ جوي كه زمين را دور مي‌زنند به علت اينكه هواي سطحي نزديك استوا در اثر گرماي خورشيد بيشتر از هواي قطب شمال و جنوب گرم شده، بوجود مي‌آيند. از آنجا كه باد تا زمانيكه خورشيد به زمين مي‌تابد، بطور پيوسته توليد خواهد شد، آنرا منبع انرژي تجديد شونده مي‌نامند. امروزه، انرژي بادي عمدتاً براي توليد برق بكار برده مي‌شود.
تاريخچة باد
در طي تاريخ، انسانها باد را به شيوه‌هاي مختلف به كار بردند. بيش از پنج هزار سال پيش، مصريان باستان از نيروي باد براي راندن كشتي‌هاي خودروي رود نيل استفاده كردند. بعد از آن، انسان آسياب بادي را براي آسياب كردن بذر خود ساخت. جديدترين آسياب بادي متعلق به ايران است. اين آسياب شبيه به پاروهاي بسيار بزرگ بوده.
قرن‌ها بعد، مردم هلند طرح پاية آسياب بادي را بهبود دادند. آنها تيغه‌هاي پروانه مانند ساخته شده از پره‌هاي نو به آسياب بادي اضافه كردند و روشي براي تغيير جهت آن مطابق با جهت باد ابداع كردند. آسياب‌هاي بادي به هلندي‌ها كمك كردند كه در قرن ۱۷ صنعتي ترين كشور جهان باشند.

برخي از كشورها آسياب‌هاي بادي را براي آسياب گندم و ذرت، پمپ كردن آب و قطع درختان به كار مي‌بردند. در سال ۱۹۲۰ در كشورهاي توسعه يافته از آسيابهاي كوچك براي توليد برق روستايي بدون خدمات برق به كار بردند. در سال ۱۹۳۰ زمانيكه خطوط نيرو شروع به انتقال برق از نواحي روستايي كرد، آسيابهاي محلي كمتر و كمتر شدند، اگرچه در حال حاضر نيز مي‌توان آنها را ديد.

ذخاير نفت در سال ۱۹۷۰ تصوير انرژي را براي كشورهاي جهان عوض كرد. اين امر محيطي بازتر براي منابع جايگزين انرژي خلق كرد و راه را براي ورود مجدد آسياب‌هاي بادي به چشم انداز آمريكايي در توليد برق هموار كرد.
مكانيسم‌هاي آسياب‌هاي بادي

آسيابهاي بادي چون سرعت باد را كم مي‌كنند، مي‌توانند كار كنند. باد روي تيغه‌هاي ورقه مانند نازكي جريان يافته و آنها را بلند مي‌كند و باعث چرخش آنها مي‌شوند (مانند تأثير باد روي بالهاي هواپيما) تيغه‌ها به ميلة هدايت متصل است و آن نيز يك مولد برق را چرخانده و الكتريسيته توليد مي‌كند.

مكانيسم‌هاي بادي نو

مكانيسم‌هاي بادي امروزه از لحاظ فني بسيار پيشرفته‌تر از انواع قديمي هستند. در اين مكانيسم همچنان براي جمع‌آوري انرژي حركتي باد از تيغه‌ها استفاده مي‌شود اما اين تيغه‌ها كه از فايبرگلاس يا هر مادة محكم ديگر ساخته شده‌اند.
مكانيسم‌هاي بادي مدرن هنوز با مشكلاتي دست و پنجه نرم مي‌كند، مثلاً اينكه وقتي باد نمي‌وزد بايد چه كرد. توربين‌هاي بزرگ به شبكة نيرويي خدماتي متصل شده‌اند. برخي از آنها هنگامي كه بادي نمي‌وزرد، جمع مي‌شوند. توربين‌هاي كوچك گاهي اوقات به مولدهاي الكتريكي ـ ديزلي متصلند و يا گاهي اوقات داراي باتري براي ذخيرة برق اضافي جمع آوري شده در هنگام وزش بادهاي شديد، هستند.
انواع آسيابهاي بادي
امروزه عموماً دو نوع مكانيسم بادي استفاده مي‌شود، محور افقي با تيغه‌هاي شبيه به پرة هواپيما و محور عمودي كه شبيه به فرفره است.
مكانيسم بادي محور افقي به علت اينكه مواد كمتري براي يك واحد برق نياز دارد، بيشتر مورد استفاده است. حدود ۹۵ درصد مكانيسم‌هاي بادي افقي محور هستند. ماشين بادي افقي ويژه‌اي داراي ارتفاعي به اندازة يك ساختمان ۲۰ طبقه و سه تيغه دارد كه قطر چرخش آن ۲۰۰ متر است. بزرگترين ماشين‌هاي بادي دنيا تيغه‌هايي بزرگتر از يك زمين فوتبال دارند! ماشينهاي بادي براي اينكه باد بيشتري را به دام بيندازند، بلند و عريض هستند.

ماشين‌هاي آسياب بادي افقي
ماشينهاي بادي با محور قائم تنها پنج درصد ماشينهاي بادي بكار برده شده در دنياي امروز را به خود اختصاص داده است. نوع نمونه آن ۱۰۰ متر طول و ۵۰ متر پهنا دارد.
هر ماشين باري امتيازات و ايرادات خود را دارد. ماشينهاي با محور افقي نياز به روشي براي نگهداشتن گرداننده رو به باد دارد. اين كار با يك دم روي ماشينهاي كوچك انجام مي‌گيرد. در ماشينهاي بزرگ، يا يك گردانند در بخش پاييني برج قرار دارد كه كاري شبيه به بادنماي هواشناسي را انجام مي‌دهد و يا يك موتور هدايت كننده به كار برده مي‌شود، ماشينهاي با محور قائم مي‌توانند باد را در هر جهتي قبول كنند.
دستگاههاي نيروي بادي
دستگاههاي نيروي بادي يا فراري بادي، سري ماشينها بادي است كه براي توليد برق بكار برده مي‌شوند. يك مزرعة بادي معمولاً داراي چندين ماشين پخش شده در ناحية وسيعي است. دستگاههاي هسته‌اي يا ذغالي و بسياري از دستگاههاي بادي غالباً به شركت‌هاي با منافع عمومي داده نمي‌شوند. در عوض آنها توسط تاجراني كه برق توليد شده از مزرعة بادي را براي خدمات رفاهي مي‌فروشند، اداره و مديريت مي‌شود. اين شركت‌هاي خصوصي به عنوان «توليد كننده‌هاي مستقل نيرو» شناخته مي‌شوند.
به كار اندازي يك دستگاه نيروي بادي كار آساني نيست و مالكان آن بايد براي تعيين موقعيت نصب آن به دقت برنامه ريزي كنند. آنها بايد ميزان وزش باد، شرايط هواشناسي محلي، نزديكي خطوط انتقال برق و كدهاي منطقه‌بندي محلي را در نظر بگيرند.
دستگاههاي بادي به زمين‌هاي زيادي نياز دارند. يك ماشين بادي حدوداً به دو جريب زمين نياز دارد. يك دستگاه نيروي بادي صدها جريب زمين نياز دارد. از طرف ديگر، كشاورزان مي‌توانند در اطراف ماشينهاي بادي محصولات خود را به بار آورده و يا به چراي گله‌هاشان بپردازند.

وقتي يك دستگاه شناخته شد، هنوز هزينه‌هايي باقي مي‌ماند. در برخي حالات، هزينه‌هاي باقيمانده با بخشش‌هاي مالياتي كه به منابع تجديدپذير انرژي داده مي‌شود، حيران مي‌شوند. دستگاه سياليست‌هاي منظم منافع عمومي يا PURPA هم براي خريداري برق از توليد كننده‌هاي مستقل نيرو با قيمت‌هاي منصفانه به شركت‌هايي نياز دارد.
منابع بادي

بهترين محل براي نصب يا ساخت دستگاه بادي كجاست؟ ميانگين سرعت باد براي به صرفه بودن تبديل انرژي باد به برق حدود ۲۳ كيلومتر در ساعت است. ميانگين سرعت باد در برخي از كشورها۱۶ كيلومتر در ساعت است. به علت دسترسي آسان به باد با دوام و هميشگي، برخي شركت‌ها نصب ماشينها را در مناطق و دور از ساحل مدنظر دارند

آنمومتر
دانشمندان از وسيله‌اي به نام آنمومتر (anemometer) براي اندازه‌گيري سرعت باد استفاده مي‌كنند. آنمومتر شبيه يك بادنماي هواشناسي است با ظاهري مدرن. اين وسيله سه پرده با فنجان‌هايي در سد آنها و روي ميلة چرخاني كه با وزش باد مي‌چرخد دارد. اين وسيله به متري وصل است كه سرعت باد را نشان مي‌دهد. يك بادنما جهت باد را نشان مي‌دهد اما سرعت باد را نشان نمي‌دهد. براساس يك قانون طبيعي سرعت باد در نواحي پهناور و بدون وقفه در وزش باد، با عرض جغرافيايي افزايش مي‌يابد. مكانهايي مناسب براي دستگاههاي بادي بالاي تپه‌هاي گرد و صاف، دشت يا سواحل باز و فواصل كوهي كه مثل قيف عمل مي‌كنند، هستند .
توليد باد

چقدر مي‌توانيم از باد انرژي بدست آوريم؟ دو اصطلاح وجود دارد كه توليد پاية برق را توضيح مي‌دهد. عامل كارايي و عامل گنجايش.
كارايي به اين موضوع بر مي‌گردد كه چقدر مي‌توان انرژي مفيد (در اين مورد، برق) از منبع انرژي كسب كرد. يك ماشين انرژي صد درصد كارا، مي‌تواند تمام انرژي را به انرژي مفيد تبديل كند و هيچ انرژي را هدر نمي‌دهد هيچ ماشين با كارايي يا بهره وري صد درصد وجود ندارد. بعضي انرژي‌ها هميشه وقتيكه شكلي از انرژي به شكل ديگر تبديل مي‌شود، از دست مي‌روند. انرژي هدر رفته معمولاً به شكل گرماي پراكنده شده در هوا است و نمي‌توان از آن بهرة اقتصادي مجدد برد. ماشين‌هاي بادي چقدر كارايي دارند؟ ماشينهاي بادي تنها به اندازة دستگاههاي ديگر مانند دستگاههاي زغال بهره وري دارند. ماشين‌هاي بادي ۳۰ تا ۴۰ درصد انرژي متحرك باد را به برق تبديل مي‌كند، يك دستگاه مولد نيروي زغال سوز، حدود ۳۰ تا ۳۵ درصد انرژي شيميايي زغال را به الكتريسيتة قابل استفاده تبديل مي‌كند
واژة گنجايش به توانايي دستگاه نيرو در توليد برق بر مي‌گردد. يك دستگاه نيرو با گنجايش صد درصد تمام روز و هر روز هفته با تمام نيرو كار مي‌كند. در چنين شرايطي هيچ وقتي براي تعمير يا سوختگيري صرف نمي‌شود كه اينچنين چيزي براي هر دستگاهي غيرممكن است. مشخصاً دستگاههاي زغالي اگر تمام روزهاي سال و بطور شبانه روزي كار كنند، داراي ظرفيت ۷۵ درصد خواهند بود.
دستگاههاي نيروي باد متفاوت از دستگاههاي مولد نيروي سوخت سوز هستند. بهره‌وري آنها به ميزان باد و ميزان سرعت باد بستگي دارد. بنابراين ماشين‌هاي بادي نمي‌توانند در طول سال بطور ۲۴ ساعته كار كنند. يك توربين بادي در يك مزرعة بادي شاخص در ۶۵ تا ۸۰ درصد زمان كار مي‌كند، اما معمولاً كمتر از گنجايش كامل خود، زيرا سرعت باد هميشه در بيشترين مقدار خود نيست. بنابراين عامل گنجايش ۳۰ تا ۳۵ درصد است. علم اقتصاد نيز بخش عظيمي از گنجايش را داشته باشند، اما اين امر خود اقتصادي نيست. تصميم در اين مورد براساس خروجي الكتريسيته در هر دلار سرمايه‌گذاري است.
يك ماشين بادي مي‌تواند ۵/۱ تا ۴ ميليون كيلو وات ساعت (kWh) برق در سال توليد كند. اين ميزان برق براي ۱۵۰ تا ۴۰۰ خانه در سال كافي‌ست. در اين كشور، ماشينهاي بادي ۱۰ ميليارد كيلو وات ساعت انرژي در سال توليد مي‌شود. انرژي بادي حدود ۱/۰ درصد برق ملت را كه مقدار كمي هست تأمين مي‌كند. اين ميزان برق براي كارهاي خانگي يك ميليون خانه كه به اندازة شهرهاي شيكاگو و ايلي نويز است، كافي‌ست. كاليفرنيا بيشترين برق بادي را نسبت به ساير ايالت‌ها توليد مي‌كند و تگزاس، منيسوتا و آيوا بعد از آن قرار دارند، ۱۳۰۰ ماشين بادي موجود بيشتر از يك درصد برق كاليفرنيا كه حدود نصف ميزان برق توليدي در يك دستگاه نيروي هسته‌اي است را توليد مي‌كند.

در سه سال گذشته گنجايش باد كل جهان بيش از دو برابر شده است. متخصصان انتظار دارند در چند سال بعد، توليد انرژي از ماشينهاي بادي، سه برابر شود. هند و بسياري از كشورهاي اروپايي در حال برنامه‌ريزي براي تأسيس صنايع بادي جديد هستند. بسياري از طرحهاي جديد باد به علت عدم كنترل قانوني صنعت برق به تعويق درآورند. شركت‌هاي خدماتي رفاهي و اجتماعي اطمينان نداشتند كه چقدر عدم كنترل (deregulation) روي تكنولوژي‌هاي جديد تأثير مي‌گذارد. آيا دولت هنوز شركت‌هاي خدمات رفاهي براي سرمايه‌گذاري روي طرحهاي انرژي‌هاي تجديدپذير تشويق مي‌كند؟ آيا بازاري براي انرژي توليد شده وجود دارد؟ چنين سئوالاتي هنوز بي‌جواب مانده. با اين وجود سرمايه گذاري روي انرژي بادي به علت هزينة كم و تكنولوژي در حال پيشرفتش در حال افزايش است. باد در حال حاضر يكي از رقابتي‌ترين منابع براي توليد است.

نشانة اميدوار كنندة ديگر براي صنعت بادي تقاضاي مصرف كننده براي انرژي‌هاي سبز انرژي‌هايي كه به محيط زيست آسيبي نمي‌رسانند) است. بسياري از شركت‌هاي خدماتي به تازگي به مصرف كنندگان اجازه داده كه به طور داوطلبانه براي برق توليد شده از منابع تجديدپذير پول بيشتري بدهند. صنعت بادي براي برگشت به حالت تعويق يا موازنه درآمده است.
اقتصاد انرژي باد

از لحاظ اقتصادي، خبرهاي خوب زيادي براي انرژي بادي وجود دارد، اولين خبر اينكه يك دستگاه بادي بسيار ارزان تر از دستگاه انرژي موسوم از نظر ساخت ساخته شده است. دستگاههاي باد مي‌توانند به ماشينهاي بادي به راحتي اضافه كردند بطوريكه تقاضاي برق تقاضا پيدا مي‌كند. دومين خبر اينكه هزينة توليد برق از باد در دو دهة گذشته بطور برجسته‌اي كاهش يافته است. برق توليد شده توسط باد در سال ۱۹۷۵، ۳۰ سنت براي هر كيلو وات ساعت بود، اما حالا به كمتر از ۵ سنت رسيده است. توربين‌هاي جديد قيمت را كمتر هم خواهند كرد.

باد و محيط زيست

در سال ۱۹۷۰، ذخاير نفت بر توسعة منابع جايگزين انرژي فشار آورد. در سال ۱۹۹۰، از ديدگاه تجديدپذيري محيط زيست، در برابر مطالعة دانشمندان كه نشاندهندة تغييرات بالقوة آب و هواي جهاني درصورت افزايش استفادة مداوم از سوخت‌هاي فسيلي فشاري نيز بوجود آمد. انرژي بادي يك گزينة اقتصادي و راهبردي براي دستگاههاي نيروي سنتي در بسياري از نواحي كشور ارائه مي‌دهد، باد سوخت پاكي است و مزاع بادي از آنجا كه هيچ سوختي را نمي‌سوزانند، هيچ آلودگي آبي با هوايي نيز ايجاد نمي‌كنند.
جدي ترين آسيب زيست محيطي ماشينهاي بادي شايد تأثير منفي آنها روي جمعيت پرندگان وحشي و بر خود ديداري غيرطبيعي در چشم انداز محيط زيست باشد، براي برخي افراد، برق زدن تيغه‌هاي آسيابهاي بادي در افق مي‌تواند آزار دهنده باشد و براي برخي ديگر آنها جايگزين زيبايي براي دستگاههاي نيروي سنتي هستند.

استفاده بهينه از باد
با تيغه‌هايي كه حدود ۸۷ متر قطر دارند، توربين Vestas V44-600 بزرگترين توربين بادي در حال فعاليت است. اين توربين كه در ۹۶ متري روي برجي در غرب شهر تراورس (Traverse) ميشيگان قرار داد، كمتر از يك درصد روشنايي و نيروي خروجي مجموع شركت‌ها را فراهم مي‌كند. اما اين تعداد براي حدود ۲۰۰ مصرف كننده ساكن در شهر كافي‌ست. اين دسته از مردم كه تمام برق خود را از نيروي باد به دست مي‌آورند، با پرداخت حدود ۲۰ درصد بيشتر به عنوان بهاي برق به منظور حمايت از اين طرح موافقند. توربين در دانمارك ساخته شد. تيغه‌ها طوري طراحي شده‌اند كه بيشترين انرژي را از بادها بگيرد و سرعت مولد و موتور چرخاننده مي‌تواند براي يكنواخت كردن نوسانات نيرو كمي تغيير كند. در بادهاي متوسط ۲۴ تا ۲۵، ساليانه از توربين بادي بين ۱/۱ تا ۲/۱ ميليون كيلو وات ساعت تخمين زده مي‌شود.

توربين Vestas V44-600
وارپ (WARP)
سيستم متفاوت مبدل انرژي باد به برق بوسيله يك مهندس هوانورد در كنتاكي طراحي شدن بسكوي چرخان شدت يافته بود انكو (Eneco) يا همان WARP (Wind Amplified Rotor Platform) از تيغه‌هاي بزرگ استفاده نمي‌كند هر مدل يك جفت توربين پر ظرفيت سوار شده روي هردو سطح كانال مدل تشديد كنندة هواي مقعر دارد. سطوح مقعر كانال هوا، باد را به سمت توربين‌ها هدايت كرده و سرعت آن را ۵۰ درصد افزايش مي‌دهند. انكو، براي بازاريابي تكنولوژي نيروي سكوهاي نفتي دور از ساحل و سيستم‌هاي ارتباطات بي سيم از راه دور برنامه ريزي مي‌كند. بنابراين در آينده طرح انكو مي‌تواند با توليد نيروي براي خدمات رساني رفاهي مردم بكار برده شود. نواحي WARP عظيم مي‌تواند با برج‌هاي چندين متري كه هركدام چندين مگاوات برق توليد مي‌كند، ساخته شود. حتي توربين‌ها مي‌توانند براي تهيه نيروي ساكنين يك ساختمان، با ساختمان يكي شود