منابع انرژی ، باد و توربین

مقدمه
گستردگي نياز انسان به منابع انرژي همواره از مسائل اساسي مهم در زندگي بشر بوده و تلاش براي دستيابي به يك منبع تمام نشدني انرژي از آرزوهاي ديرينه انسان بوده است، از نقوش حك شده بر ديوار غارها مي‌توان دريافت كه بشر اوليه توانسته بود نيروي ماهيچه‌اي را به عنوان يك منبع انرژي مكانيكي به خوبي شناخته و از آن استفاده كند. ولي از آنجايي كه اين نيرو بسيار محدود و ضعيف است انسان همواره در تصورات خود نيرويي تمام نشدني را جستجو مي‌كرد كه همواره در هر زمان و مكان در دسترس باشد. اين موضوع را مي‌توان در داستانهاي مختلف كه ساخته تخيل و ذهن بشر نخستين بوده، به خوبي دريافت، كم‌كم با پيشرفت تمدن بشري، چوب و پس از آن ذغال سنگ، نفت و گاز وارد بازار انرژي گرديده‌اند. اما به دليل افزايش روز افزون نياز به انرژي و

محدوديست منابع فسيلي از يك سو افزايش آلودگي محيط‌زيست ناشي از سوزاندن اين منابع از سوي ديگر استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير را روز به روز با اهميت‌تر و گسترده‌تر نموده است. انرژي باد يكي از انواع اصلي انرژي‌هاي تجديدپذير مي‌باشد كه از ديرباز ذهن بشر را به خود معطوف كرده بود. به طوري كه وي همواره به فكر كاربرد اين انرژي در صنعت بوده است. بشر از انرژي باد براي به حركت در آوردن قايق‌ها و كشتي‌هاي بادباني و آسيابهاي بادي استفاده مي‌كرده است. در شرايط كنوني نيز با توجه به موارد ذكر شده و توجيه‌پذيري اقتصادي انرژي باد در مقايسه با ساير منابع

انرژي‌هاي نو، پرداختن به انرژي باد امري حياتي و ضروري به نظر مي‌رسد. در كشور ما ايران- قابليت‌ها و پتانسيل‌هاي مناسبي جهت نصب و راه‌اندازي توربين‌هاي برق بادي وجود دارد، كه با توجه به توجيه‌پذيري آن و تحقيقات، مطالعات و سرمايه‌گذاري كه در اين زمينه صورت گرفته، توسعه و كاربرد اين تكنولوژي چشم‌انداز روشني را فرا روي سياست‌گذاران بخش انرژي كشور در اين زمينه قرار داده است.

فصل اول كلياتي درباره انرژي باد
۱-۱- انرژي باد:
انرژي باد نظير ساير منابع انرژي تجديدپذير از نظر چغرافيايي گسترده و در عين حال به صورت پراكنده و غير متمركز و تقريباً هميشه در دسترس مي‌باشد، انرژي باد طبيعتي نوسان و متناوب داشته و ورزش دائمي ندارد. هزاران سال است كه انسان با استفاده از آسياب‌هاي بادي، تنها جزء بسيار كوچكي از آن را استفاده مي‌كند. اين انرژي تا پيش از انقلاب صنعتي به عنوان يك منبع انرژي، به طور گسترده‌اي مورد بهره‌برداري قرار مي‌گرفت، ولي در دوران انقلاب صنعتي، استفاده از سوخت‌هاي فسيلي به دليل ارزاني و قابليت اطمينان بالا، جايگزين انرژي باد شد. در اين دوره،

توربين‌هاي بادي قديمي ديگر از نظر اقتصادي قابل رقابت با بازار انرژي‌هاي نفت و گاز نبودند. تا اينكه در سال‌هاي ۱۹۷۳ و ۱۹۷۸ دو شوك بزرگ نفتي، ضربه بزرگي به اقتصاد انرژي‌هاي حاصل از نفت و گاز وارد آورد. به اين ترتيب هزينه انرژي توليد شده به وسيله توربين‌هاي بادي، در مقايسه با نرخ جهاني قيمت انرژي بهبود يافت. پس از آن مراكز و موسسات تحقيقاتي و آزمايشگاهي متعددي در سراسر دنيا به بررسي تكنولوژي‌هاي مختلف جهت استفاده از انرژي باد به عنوان يك منبع بزرگ انرژي پرداختند. به علاوه اين بحران باعث ايجاد تمايلات جديدي در زمينه كاربرد تكنولوژي انرژي باد

جهت توليد برق متصل به شبكه، پمپاژ آب و تامين انرژي الكتريكي نواحي دور افتاده شد. همچنين در سال‌هاي اخير، مشكلات زيست محيطي و مسائل مربوط به تغيير آب و هواي كره زمين به علت استفاده از منابع انرژي فسيلي بر شدت اين تمايلات افزوده است. از سال ۱۹۷۵ پيشرفت‌هاي شگرفي در زمينه توربين‌هاي بادي در جهت توليد برق بعمل آمده است. در سال ۱۹۸۰ اولين توربين برق بادي متصل به شبكه سراسري نصب گرديد. بعد از مدت كوتاهي اولين مزرعه برق بادي چ

ند مگاواتي در امريكا نصب و به بهره‌برداري رسيد.
در پايان سال ۱۹۹۰ ظرفيت توربين‌هاي برق بادي متصل به شبكه در جهان به MW200 رسيد كه توانايي توليد سالانه Gwh3200 برق را داشته كه تقريباً تمام اين توليد مربوط به ايالت كاليفرنيا آمريكا و كشور دانمارك بود. امروزه كشورهاي ديگر نظير هلند، آلمان، بريستانيا، ايتاليا هندوستان برنامه‌هاي ملي ويژه‌اي را در جهت توسعه و عرضه تجاري انرژي باد آغاز كرده‌اند. در طي دهه گذشته، هزينه توليد انرژي به كمك توربين‌هاي بادي به طور قابل ملاحظه‌اي كاهش يافته است.
در حال حاضر توربين‌هاي بادي از كارآيي و قابليت اطمينان بيشتري در مقايسه با ۱۵ سال پيش برخوردارند. با اين همه استفاده وسيع از سيستم‌هاي مبدل انرژي باد (W E C S) هنوز آغاز نگرديده است. در مباحث مربوط به انرژي باد، بيشتر تاكيدات بر توربين‌هاي بادي مولد برق جهت اتصال به شبكه است زيرا اين نوع از كاربرد انرژي باد مي‌تواند سهم مهمي در تامين برق مصرفي جهان داشته باشد. براساس برنامه سياست‌هاي جاري (cp)، تخمين زده مي‌شود كه سهم انرژي باد در تامين انرژي جهان در سال ۲۰۲۰ تقريباً برابر با twh375 در سال خواهد بود. اين ميزان انرژي با استفاده از توربين‌هاي بادي، به ظرفيت مجموع Gwh180 توليد خواهد گرديد. اما در قالب برنامه ضرورت‌هاي زيست محيطي (ED) سهم اين انرژي در سال ۲۰۲۰ بالغ بر twh970 در سال خواهد بود، كه با استفاده از توربين‌هاي بادي به ظرفيت مجموع Gw470 توليد خواهد شد. به طور كلي با استفاده از انرژي باد، به عنوان يك منبع انرژي در دراز مدت مي‌توان دو برابر مصرف انرژي الكتريكي فعلي جهان را تامين كرد.
۱-۲ تاريخچه استفاده از انرژي باد:
بشر از زمان‌هاي بسيار دور به نيروي لايزال باد پي برده و سالها بود كه از اين انرژي براي به حركت در آوردن كشتي‌ها و آسياب‌هاي بادي بهره مي‌گرفت.
طي ساليان دراز ثابت شده است كه مي‌توان انرژي باد را به انرژي مكانيكي و يا انرژي الكتريكي تبديل كرد و مورد استفاده قرار داد. منابع تاريخي نشان مي‌دهند كه ساخت آسياب‌ها در ايران، عراق، مصر و چين قدمت باستاني داشته و در اين تمدن‌ها، از آسياب‌هاي بادي براي خردكردن دانه‌ها و پمپاژ آب استفاده مي‌شده است. چنانچه از شواهد تاريخي برمي‌آيد، در قرن ۱۷ قبل از ميلاد، هامورابي پادشاه بابل طرحي ارائه داده بود تا بتوان به كمك آن دشت حاصلخيز بين‌النهرين را توسط انرژي حاصل از باد آبياري نمود. آسياب‌هايي كه در آن زمان ساخته مي‌شدند از نوع ماشين‌هاي محور قائم و شبيه به آنهايي هستند كه امروزه آثار آنها در نواحي خواف و تايباد ايران به چشم مي‌خورد. ايرانيان اولين كساني بودند كه در حدود ۲۰۰ سال قبل از ميلاد مسيح براي آردكردن غلات از آسياب‌هاي بادي با محور قائم استفاده كردند. مثلاً در كتاب‌هاي قديمي

نوشته‌اند: ديار سيستان ديار باد و ريگ است و همان شهري است كه گويند باد آنجا آسياب‌ها را گرداند و آب از چاه كشد و باغها را سيراب كند و در همه دنيا شهري نيست كه بيشتر از آنجا از باد سود ببرند. و نيز نوشته‌اند كه در سيستان بادهاي سخت مدام مي‌وزد و به همين دليل در آنجا آسيابهاي بادي براي آرد كردن گندم ساخته‌اند. از ديگر استان‌هاي داراي قدمت كاربرد انرژي باد مي‌توان به كرمان، اصفهان و يزد اشاره نمود كه در اين مكانها در زمان‌هاي قديم براي خنك‌كردن

منازل از كانال‌هاي مخصوص جهت هدايت باد استفاده مي‌كردند. بعد از ايران كشورهاي عربي و اروپايي پي به قدرت باد در تبديل انرژي بردند. در قرن سوم قبل از ميلاد، يك محقق مصري كه در زمينه نيروي هواي فشرده تحقيق مي‌كرد، آسياب بادي چهار پره‌اي را با محور افقي طراحي نمود كه از هواي فشرده آن جهت نواختن يك ارگ استفاده مي‌كرد. با توجه به شواهد موجود مي‌توان ادعا كرد كه زادگاه ماشين‌هاي بادي از نوع محور قائم، حوزه شرقي مديترانه و چين بوده است.

در قرون وسطي، آسياب‌هاي بادي در ايتاليا، فرانسه، اسپانيا و پرتقال متداول گرديده و كمي بعد در بريتانيا، هلند و آلمان به كار گرفته شد. برخي از مورخان اظهار داشته‌اند كه ورود اين آسياب‌ها به اروپا بايد مديون شركت‌كنندگان در جنگ‌هاي صليبي دانست كه از خاورميانه باز گشتند. آسياب‌هاي بادي كه در اروپا ساخته مي‌شدند از نوع آسياب‌هاي محور افقي و چهارپره بودند كه براي آرد كردن حبوبات و گندم به كار مي‌رفتند. مردم هلند آسياب‌هاي بادي را از سال ۱۳۵۰ ميلادي به منظور خشك كردن زمين‌هاي پست ساحلي و همچنين گرفتن روغن از دانه‌ها و بريدن

چوب و تهيه پودر رنگ براي رنگرزي به كار گرفتند. آنچه كه هلند را در قرن هفدهم ميلادي در زمره غني‌ترين و صنعتي‌ترين مردم اروپا قرار داد، صنعت كشتي‌سازي و ساخت آسياب‌هاي بادي در آن كشور بود. توربين‌هاي بادي بطني كه شامل پره‌هاي متعدد هستند، بعدها متداول شدند، در آغاز قرن بيستم اولين توربين‌هاي بادي سريع و مدرن ساخته شدند. امروزه فعال‌ترين كشورها در اين زمينه آلمان، اسپانيا، دانمارك، هندوستان و امريكا مي‌باشند.
۱-۳ منشاء باد:
هنگامي كه تابش خورشيد به طور نامساوي به سطوح ناهموار زمين مي‌رسد سبب ايجاد تغييرات در دما و فشار مي‌گردد و در اثر اين تغييرات باد به وجود مي‌آيد.
همچنين اتمسفر كره زمين به دليل حركت وضعي زمين، گرما را از مناطق گرمسيري به مناطق قطبي انتقال مي‌دهد كه اين امر نيز باعث به وجود آمدن باد مي‌گردد. جريانات اقيانوسي نيز به صورت مشابه عمل نموده و عامل ۳۰% انتقال حرارت كلي در جهان مي‌باشند. در مقياس جهاني اين جريانات اتمسفري به صورت يك عامل قوي جهت انتقال حرارت و گرما عمل مي‌نمايند. دوران كره زمين نيز مي‌تواند در برقراري الگوهاي نيمه دائم جريانات سياره‌اي در اتمسفر، انرژي مضاعف ايجاد نمايد.
پس همانطور كه عنوان شد باد يكي از صورت‌هاي مختلف انرژي حرارت خورشيدي مي‌باش

د كه داراي يك الگوي جهاني نيمه پيوسته مي‌باشد.
تغييرات سرعت باد، ساعتي، روزانه و فصلي بوده و متاثر از هوا و توپوگرافي سطح زمين مي‌باشد. بيشتر منابع انرژي باد در نواحي ساحلي و كوهستاني واقع شده‌اند. ۱-۴ توزيع جهاني باد:
به طور كلي جريان باد در جهان داراي دو نوع توزيع مي‌باشد:
الف- جريان چرخشي هادلي (Hadly)

بين عرض‌هاي جغرافيايي ۳۰ درجه شمالي و ۳۰ درجه جنوبي، هواي گرم شده در استوا به بالا صعود كرده و هواي سردتري كه از شمال و جنوب مي‌آيد جايگزين آن مي‌شود. اين جريان را چرخش هادلي مي‌نامند. در سطح زمين اين جريان بديع معني است كه بادهاي سرد به اطراف استوا مي‌وزند و از طرف ديگر هوايي كه در ۳۰ درجه شمالي و ۳۰ درجه جنوبي به پائين مي‌آيد خيلي خشك است و به دليل آنكه سرعت دوران زمين در اين عرض‌هاي جغرافيايي به مراتب كمتر از سرعت دوران زمين در استوا است، به سمت شرق حركت مي‌كند. معمولاً در اين عرض‌هاي جغرافيايي نواحي بياباني مانند صحرا قرار دارند.
ب- جريان چرخشي راسبي (Rossby):
بين عرض‌هاي جغرافيايي ۳۰ درجه شمالي (جنوبي) و ۷۰ درجه شمالي (جنوبي) عمدتاً بادهاي غربي در جريان هستند. اين بادها تشكيل يك چرخش موجي را مي‌دهند و هواي گرم سرد را به جنوب و هواي گرم را به شمال انتقال مي‌دهند. اين الگو را جريان راسبي مي‌نامند.
۱-۵ اندازه‌گيري پتانسيل انرژي باد:
پتانسيل انرژي باد به عنوان يك منبع قدرت در مناطق مختلف و براساس اطلاعات موجود در مورد منابع باد قابل دسترس در هر نقطه مورد مطالعه قرار گرفته است.
پتانسيل مربوط به منابع باد به طور كلي به پنج دسته تقسيم مي‌شود:
۱- پتانسيل هواشناسي:
اين پتانسيل بيانگر منبع انرژي باد در دسترس مي‌باشد.
۲- پتانسيل محلي:
اين پتانسيل بر مبناي پتانسيل هواشناسي بنا شده ولي محدود به محل‌هايي است كه از نظر جغرافيايي براي توليد انرژي در دسترس هستند.
۳- پتانسيل فني:

اين پتانسيل با در نظر گرفتن نوع تكنولوژي در دسترس (كارايي، اندازه توربين و ….) از پتانسيل محلي محاسبه مي‌شود.
۴- پتانسيل اقتصادي:
اين پتانسيل، استعداد بالقوه فني است كه به صورت اقتصادي و بر پايه سياست‌هاي اقتصادي قابل تحقيق و اجراست.
۵- پتانسيل اجرايي:

اين پتانسيل با در نظر گرفتن محدوديت‌ها و عوامل تشويقي براي تعيين ظرفيت توربين‌هاي بادي قابل اجراء در يك محدوده زماني خاص تعيين مي‌شود. مانند تعرفه‌هاي تشويقي كه طبق سياست‌هاي دولت‌هاي مختلف به توليدكنندگان انرژي برق بادي حاصل از توربين‌هاي بادي تخصيص داده مي‌شود.
۱-۶ قدرت باد:
انرژي جنبشي باد همواره متناسب با توان دوم سرعت باد است هنگامي كه باد به يك سطح برخورد مي‌كند انرژي جنبشي از آن به فشار (نيرو) روي آن سطح تبديل مي‌شود. حاصلضرب نيروي باد در سرعت باد مساوي قدرت باد مي‌شود نيروي باد متناسب با مربع سرعت باد است پس قدرت باد متناسب با مكعب سرعت باد خواهد بود. بنابراين هر چه سرعت باد بيشتر باشد قدرت آن نيز بيشتر خواهد شد. مثلاً اگر سرعت باد دو برابر شود قدرت آن هشت برابر و اگر سرعت باد سه برابر گردد قدرت باد بيست و هفت برابر خواهد شد.
روند تحولات تكنولوژي
انرژي باد در سالهاي اخير بزرگترين شركت‌هاي سازنده توربين‌هاي بادي در جهان در حال حاضر شركت وستاس، شركت انركون و شركت NEG مايكون هستند كه به ترتيب ۳/۲۳، ۶/۱۴، ۴/۱۲ درصد از بازار جهان را در اختيار دارند.
اطلاعاتي كه از بررسي بازار تكنولوژي باد در آلمان به عنوان كشوري پيشتاز در صنعت باد جهان به دست آمده، بيانگر روند تحولات اين صنعت در سالهاي اخير مي‌باشد. و لذت و توجه به اين داده‌ها در پيش‌بيني‌هاي مربوط به آينده اين انرژي سودمند خواهد بود. ميانگين ظرفيت هر توربين بادي نصب شده در آلمان تقريباً ۹۰۰ كيلو وات است، اما اگر فقط توربين‌هاي نصب شده در نيمه اول سال ۲۰۰۳ را در نظر بگيريم. ميانگين ظرفيت توربين‌هاي جديد ۱۵۶۰ كيلووات مي‌باشد. لذا روند آشكاري از افزايش سايز توربين‌هاي بادي مدرن قابل مشاهده است.
در بازار توربين‌هاي بادي ۵۸ مدل توربين وجود دارد كه از اين ۵۸ مدل فقط ۴ مدل آن بدون گيربكس هستند كه روي سايزهاي متوسط و بزرگ آزمايش شده‌اند. اما ۵۴ مدل ديگر (شامل سايزهاي متوسط، بزرگ و خيلي بزرگ) هنوز از گيربكس استفاده مي‌كنند. بنابراين توربين‌هاي بدون گيربكس هنوز در ابتداي راه هستند و وضعيت آنها پس از سالها تجربه و بهره‌برداري روشن خواهد شد.
در گذشته توربين‌هاي بادي با يك سرعت دوراني ثابت (دور روتور) كار مي‌كردند، اما مدلهاي امروزي تقريباً سيستم يك ساعته را كنار گذاشته و به سيستم‌هاي دو سرعت يا سرعت متغير روي آورده‌اند. از ميان ۵۸ مدل موجود در بازار، فقط ۲ مدل از نوع يك سرعته هستند و ۲۲ مدل دو سرعته و ۳۴ مدل با سرعت متغير ديده مي‌شوند.
۱-۷ مزاياي بهره‌برداري از انرژي باد

انرژي باد نيز مانند ساير منابع انرژي تجديدپذير از ويژگي‌ها و مزاياي بالاتري نسبت به ساير منابع انرژي برخوردار است كه اهم اين مزايا عبارتند از:
۱- عدم نياز به توربين‌هاي بادي به سوخت، كه در نتيجه از ميان مصرف سوخت‌هاي فسيلي مي‌كاهد.
۲- رايگان بودن انرژي باد
۳- توانايي تامين بخشي از تقاضاي انرژي برق

۴- كمتر بودن نسبي قيمت انرژي حاصل از باد نسبت به انرژي‌هاي فسيلي
۵- كمتربودن هزينه‌هاي جاري و هزينه‌هاي سرمايه‌گذاري انرژي باد در بلندمدت
۶- تنوع بخشيدن به منابع انرژي و ايجاد سيستم پايدار انرژي
۷- قدرت مانور زياد، جهت بهره‌برداري در هر ظرفيت و اندازه (از چند وات تا چندين مگاوات)
۸- عدم نياز به آب
۹- عدم نياز به زمين زياد براي نصب
۱۰- نداشتن آلودگي محيط‌زيست نسبت به سوخت‌هاي فسيلي.
۱۱- افزايش قابليت اطمينان در توليد انرژي برق
۱۲- ايجاد اشتغال
آينده انرژي باد در ايران
بازار تامين انرژي يك بازار رقابتي است كه در آن توليد برق از نيروگاه‌هاي بادي در مقايسه با نيروگاههاي سوخت فسيلي برتري‌هاي جديدي پيش روي دست‌اندكاران بخش انرژي قرار داده است. همچنين فعاليت گسترده تعدادي از كشورهاي جهان براي توليد الكتريسيته از انرژي باد، سرمشقي براي ديگر كشورهايي است كه در اين زمينه راه‌ درازي در پيش دارند.
بسياري از منابع اقتصادي در حال رشد، در منطقه آسيا واقع شده‌اند. اقتصاد رو به رشد كشورهاي آسيايي از جمله ايران، باعث شده تا اين كشورها بيش از پيش به توليد الكتريسيته احساس نياز كرده و اقدام به توليد الكتريسيته از منابع غير فسيلي كنند. افزون بر اين موارد، نبود شبكه برق سراسري در بسياري از بخش‌هاي روستايي در كشورهاي آسيايي، مهر تاييدي بر سيستم‌هاي توليد الكتريسيته از انرژي باد زده است. در خصوص دورنماي آينده اقتصادي استفاده از انرژي باد در ايران مي‌بايست گفت استفاده از اين انرژي موجب صرفه‌جويي فرآورده‌هاي نفتي به عنوان سوخت مي‌شود. صرفه‌جويي حاصله در درجه اول موجب حفظ فرآورده‌هاي نفتي گشته كه امكان صادرات و مهمتر اينكه تبديل آن را به مشتقات بسيار زياد پتروشيمي با ارزش افزوده بالا فراهم مي‌سازد. در درجه دوم توليد الكتريسيته از اين انرژي فاقد هر گونه آلودگي زيست محيط

ي بوده كه همين عامل كمك شاياني به حفظ طبيعت زيست بشري نموده و در نتيجه مسير براي نيل به توسعه پايدار اقتصادي اجتماعي فراهم مي‌گردد. استفاده از انرژي باد در ايران علاوه بر عمران و آباداني موجبات ايجاد مشاغل جديد شده و بالاخره با بومي‌سازي فناوري انرژي باد اقتصاد كشور رشد بيشتري مي‌يابد.

۱-۸ پتانسيل‌سنجي سطحي انرژي باد:
پتانسيل‌سنجي چيست؟
لفظ پتروشيمي در مباحث مربوط به انرژي از اهميت خاصي برخوردار است، پتروشيمي در واقع به نيروي موجودي اطلاق مي‌گردد كه در صورت شناخت كافي و صحيح از آن مي‌توان به منبع بزرگي از انرژي دست يافت، انرژي باد نيز از اين قاعده مستثني نيست.
با بررسي انرژي بالقوه باد در هر مكان راه‌حلهاي توليد انرژي در ابعاد وسيع مورد بررسي قرار گرفته و اهداف مشخصي در ارتباط با بهره‌برداري از انرژي باد در آينده تعيين مي‌گردد. در ارزيابي مربوط به پتانسيل‌سنجي به بررسي عواملي همچون فاكتورهاي اقتصادي، آب، هوايي و نيز فاكتورهاي فني و سازماني پرداخته مي‌شود. استعداد جهاني براي توليد انرژي از باد، به طوري كه به توان آن را به عنوان پتانسيل نهايي تعريف كرد، در چندين مطالعه به صورت كلي بررسي شده است، كه در يك بررسي كلي، پتانسيل تئوريك انرژي باد در جهان در حدود (هر اگا ژول معادل ژول) معادل بشكه نفت خام برآورده شده كه پتانسيل قابل بهره‌برداري آن حدود EJ110 معادل بشكه نفت خام بوده كه از اين مقدار تا اواسط سال ۱۳۸۲ خورشيدي (۲۰۰۳ سال) ۳۳۴۰۰ مگاوات معادل بشكه نفت خام در سال، ظرفيت نصب شده مي‌باشد و پيش‌بيني شده است كه تا سال ۲۰۲۰ ميلادي ۱۰ درصد از برق جهان توسط انرژي باد توليد شده و تكنولوژي فوق‌الذكر ۷/۱ ميليون شغل ايجاد نمايد.
در ضمن لابراتوار شمال غربي اقيانوس آرام (PNL) در مطالعه‌اي كه براي سازمان هواشناسي جهاني (WMC) انجام داد نقشه‌هايي براي منابع باد در سطح جهان تهيه كرد كه در آن متوسط

سرعت چگالي انرژي باد براي مناطق مختلف جهان ارائه شده است به طور كلي در طول سال‌هاي مختلف ممكن است تا ۲۵% در متوسط سرعت باد تغيير حاصل شود. در اغلب نواحي جغرافيايي اختلافات قابل توجه فصلي در سرعت متوسط باد نيز ممكن است مشاهده شود. عمدتاً بادهاي زمستاني داراي سرعت متوسط بالاتري هستند ولي در اين موارد استثناء نيز وجود دارد براي نمونه در كاليفرنيا بادهاي تابستاني به علت توپوگرافي محل و اثرات نسيم دريا از ساير مواقع قوي‌تر مي‌باشند. از آنجايي كه به سبب تغييرات فصلي، انرژي بالقوه باد جهت توليد قدرت مي‌تواند به طور قابل توجهي بيشتر از آنچه كه سرعت متوسط ساليانه باد ارائه مي‌دهد باشد. بنابراين در محاسبه

ميزان برق توليدي توربين‌هاي بادي در يك منطقه، مي‌بايست علاوه بر سرعت متوسط باد، توزيع تناوبي سرعت باد را نيز مد نظر قرار داد چونكه به اين ترتيب سرعت باد بسته به شرايط اتمسفري و زبري سطح با ارتفاع تغيير مي‌نمايد. افزايش سرعت باد همواره با افزايش ارتفاع و معمولاً بر حسب قانون توان با توابع لگاريتمي بيان مي‌شود. تغييرات ساعتي و روزانه نيز در سرعت باد وجود دارند

. اين تغييرات براي شركت‌هاي توليدكننده برق از انرژي باد بسيار مهم مي‌باشند. زيرا آنها مجبورند توليد نيروگاههاي متعارف را طوري تنظيم كنند كه بتوانند هماهنگي‌هاي لازم با تقاضاي انرژي الكتريكي را به وجود آورند. تغييرات سرعت باد در مقياس دقيقه و ثانيه براي سازندگان توربين‌هاي بادي مهم مي‌باشد چون در طراحي بهينه توربين بادي موثر است.
۱-۹ بادسنج‌ها و انواع آنها
براي اندازه‌گيري سرعت باد در نواحي كه مستعد تشخيص داده شده‌اند. لازم است كه ايستگاه‌هاي بادسنجي نصب شود. اين ايستگاه‌ها علاوه بر سرعت باد پارامترهاي ديگري مانند:
• جهت باد
• دماي منطقه
• ميزان رطوبت
• شدت تشعشع
• ميزان فشار هوا
را اندازه‌گيري مي‌كنند. براي سنجش هر كدام از عوامل فوق حس‌گر مخصوص اين كميت نصب و توسط آن، مقدار كميت سنجيده مي‌شود. به عنوان مثال حس‌گري كه شدت رطوبت

هوا را اندازه‌گيري مي‌كند Humidity ناميده مي‌شود.
سرعت باد مهمترين عاملي است كه در يك دستگاه بادسنجي اندازه‌گيري مي‌شود. هر ايستگاه بادسنجي حداقل داراي ۳ حس‌گر بادسنج است كه در ارتفاع ۱۰ و ۲۰ و ۴۰ متري نصب شده و سرعت باد را اندازه‌گيري مي‌كنند. طبق آخرين استانداردهاي سازمان هواشناسي اطراف ايستگاه بادسنجي تا شعاع ۹۰ متري نبايد هيچگونه موانع طبيعي يا مصنوعي قرار داشته باشد. سنسورهاي بادسنجي امروزه از نظر ساخت تنوع بسيار زيادي دارند ولي از نظر ساختاري به دو دسته بزرگ تقسيم‌ مي‌شوند:
۱- نوع مكانيكي
۲- الكترونيكي يا اولتراسونيك

بادسنج نوع مكانيكي، از سه نيم كره تو خالي مانند كاسه كه هر كدام توسط يك بازو به محور اصلي متصل است ساخته شده به همين دليل آن را بادسنج كاسه‌اي نيز مي‌نامند.
۱-۱۰- پتانسيل باد در ايران
كشور ايران ۱۹۵/۶۴۸/۱ كيلومتر مربع وسعت دارد و در غرب قاره آسيا واقع شده و جزء كشورهاي خاورميانه محسوب مي‌شود. در مجموع محيط ايران ۸۷۳۱ كيلومتر مي‌باشد. حدوداً ۹۰ درصد خاك ايران در محدوده فلات ايران واقع است. بنابراين ايران كشورهاي كوهستاني محسوب مي‌شود. بيش از نيمي از مساحت ايران را كوه‌ها و ارتفاعات يك چهارم را صحراها و كمتر از يك چهارم را اراضي قابل كشت تشكيل مي‌دهند. ايران داراي آب و هواي متنوع و متفاوت است و با مقايسه نقاط كشور اين تنوع را به خوبي مي‌توان مشاهده كرد.
ارتفاع كوههاي شمالي، غربي و جنوبي به قدري زياد است كه از تاثير بادهاي درياي خزر، درياي مديترانه و خليج‌فارس در نواحي داخلي ايران جلوگيري مي‌كند. به همين سبب دامنه‌هاي خارجي اين‌ كوه‌ها داراي آب و هواي مرطوب بوده و دامنه‌هاي داخلي آن خشك است. در رابطه با بادهاي ايران مي‌توان گفت كه ايران با موقعيت جغرافيايي كه دارد، در آسيا بين شرق و غرب و نواحي گرم جنوب و معتدل شمالي واقع شده است و در مسير جريان‌هاي عمده هوايي بين آسيا، اروپا، آفريقا، اقيانوس هند و اقيانوس اطلس است كه تاكنون آنچه مسلم است قرارگرفتن ايران در مسير جريان‌هاي مهم هوايي زير مي‌باشد.

۱- جريان مركز فشار آسياي مركزي در زمستان
۲- جريان مركز فشار اقيانوس هند در تابستان
۳- جريان غربي از اقيانوس اطلس و درياي مديترانه مخصوصاً در زمستان
۴- جريان شمال غربي در تابستان در خصوص تعيين پتانسيل باد ايران در مطا

لعه فاز صفر پروژه (تعيين پتانسيل باد در ايران) كه توسط معاونت امور انرژي وزارت نيرو انجام گرفته بود، ۲۶ منطقه كشور در ۴۵ سايت مورد مطالعه قرار گرفته است كه براساس نتايج اين مطالعه، ايران كشوري با باد متوسط مي‌باشد كه در برخي از مناطق آن باد مناسب و مداوم تري براي توليد برق موجود مي‌باشد.
براساس بررسي‌هاي اوليه انجام شده در پروژه فوق‌الذكر، توان بالقوه انرژي باد در سايت‌هاي مطالعه شده حدود ۶۵۰۰ مگاوات برآورد گرديده است. در اين راستا، دفتر باد و امواج سازمان انرژيهاي نو ايران (سانا) به منظور توسعه، ترويج و برنامه‌ريزي جهت اجراي طرح‌ها و بهره‌برداري از انرژي بادي، اقدام به نصب سايت‌هاي ثبت آمار لحظه‌اي باد براي امكان سنجي احداث مزارع برق بادي به شرح زير نموده است.
۱- نصب ۱۰ واحد ايستگاه بادسنجي ۱۰ ، ۲۰ و ۴۰ متري در استان گيلان
۲- نصب ۷ واحد ايستگاه بادسنجي ۱۰ ، ۲۰ و ۴۰ متري در استان آذربايجان شرقي، غربي و اردبيل
۳- پروژه پتانسيل سنجي و تهيه اطلس باد كشور
۱-۱۱ نقشه‌ها و اطلس‌هاي موجود باد
در طي دهه گذشته، در بسياري از كشورها مطالعاتي جهت تخمين منابع انرژي باد در دسترس در هر منطقه انجام گرفته است، برخي از اين مطالعات منجر به تهيه اطلس باد مانند اطلس ملي منابع باد ايالات متحده آمريكا و اطلس ملي باد اروپا و اطلس ملي باد آمريكاي لاتين و كارائيب گشته‌اند. همچنين نقشه‌هاي باد براي كشورهاي چين، اسپانيا، پرو، مصر، ايران، سومالي و تعدادي از كشورهاي مشترك المنافع به چاپ رسيده است.
به علاوه يك نقشه باد هم براي كل دنيا چاپ شده است.
همانطور كه قبلاً نيز ذكر شد در كشور ما، تهيه اطلس باد كشور به عنوان يكي از مهمترين پروژه‌هاي جاري سازمان انرژي‌هاي نو ايران (سانا) مي‌باشد كه در حال اجراء است.

فصل دوم استحصال انرژي از باد توسط توربين‌هاي بادي
انرژي بادي و توربين‌هاي بادي
از نظر عملكردي در توربين‌هاي بادي انرژي جنبشي باد به انرژي مكانيكي و سپس به انرژي الكتريكي تبديل مي‌گردد.

بهره‌برداري از انرژي باد توسط توربين‌هاي بادي تفكر بسيار قديمي است. مثلاً سيستم‌هاي اوليه انرژي باد در چين باستان و خاور نزديك زمان‌هاي طولاني به كار گرفته مي‌شدند. يك دوره نيز در قرن پانزدهم كه فعاليت‌هاي اقتصادي در اروپاي غربي افزايش پيدا كرد از توربين‌هاي بادي جهت تامين نيروي مكانيكي براي پمپاژ آب و آسياب غلات استفاده مي‌كردند. امروزه گستره فعاليت‌ها و كاربرد توربين‌هاي بادي طيف وسيعي از صنايع را تحت پوشش قرار مي‌دهد مثلاً براي پمپاژ آب يا

شارژ باتري از اين توربين‌ها استفاده مي‌شود. مي‌توان اين توربين‌ها را جهت استفاده بهينه‌ و توليد بيشتر قدرت سلول‌هاي خورشيدي (فتوولتاتيك) نيز تركيب نمود. در حال حاضر بيشترين ظرفيت توربين‌هاي بادي نصب شده در چند دهه گذشته از نوع متصل به شبكه بوده است. البته گاهي اوقات در نواحي دور افتاده از توربين‌هاي بادي منفصل از شبكه استفاده شده است.
شارژ باتري از كاربردهاي مهم ديگري است كه توربين‌هاي بادي دارند.

توليد انرژي مكانيكي جهت پمپاژ آب نيز از نمونه كاربردهاي ديگر توربين‌هاي بادي است. سيستم‌هاي شارژ باتري و پمپ‌هاي بادي با وجود كوچك بودن از اهميت ويژه‌اي برخوردارند.
۲-۱- تقسيم‌بندي مبدلهاي بادي
محققين مبدلهاي بادي را از جنبه‌هاي گوناگون بررسي نموده‌اند و بهمين دليل آنها را به روشهاي مختلفي دسته‌بندي كرده‌اند. در اين تقسيم‌بنديها، خصوصيات هندسي مبدل و يا خصوصيات و عملكردهاي نيروهاي روي مبدل و يا توان مبدل و يا عوامل ديگر بعنوان معيار تقسيم‌بندي مطرح شده‌اند. معمولترين روشهاي دسته‌بندي مبدلها، دسته‌بندي براساس يكي از سه معيار زير مي‌باشد:
الف – راستاي محور دوران مبدل، كه نوعي تقسيم‌بندي هندسي است.
ب – جهت دوران پره نسبت به جهت باد، كه نوعي تقسيم‌بندي نيرويي است.
ج – ميزان توان خروجي
هريك از اين دسته‌بنديها بنحوي خصوصيات معيني از مبدلها را مورد توجه قرار مي‌دهند ك شامل برخي مزايا و معايب آنها نيز مي‌باشند. در اينجا سه نوع دسته بندي فوق مختصراً مورد بررسي قرار مي‌گيرند.
۲-۲- دسته‌بندي با معيار هندسي
مبدلهاي بادي از نظر «راستاي محور دوران» به يكي از دو دسته كلي زير تقسيم مي‌شوند:
الف – مبدلهاي بادي محور قائم
ب – مبدلهاي بادي محور افقي
كه به سادگي با مشاهده هر مبدل مي‌توان آنرا در يكي از اين دو دسته قرار داد. البته اين سادگي سبب كاسته شدن از ارزش اين تقسيم‌بندي نمي‌شود، زيرا اين روش ساده هندسي با توجه به اينكه راستاي وزش باد نيز افقي مي‌باشد، بنحوي يك تقسيم‌بندي نسبت به وزش باد مي‌باشد.
ويژگيهاي اصلي مبدلها در هريك از دو گروه فوق عبارتنداز:
۱- حساسيت نسبت به جهت وزش باد : اغلب طرحهاي مبدلهاي محور قائم مي‌توانند مستقل از جهت وزش باد به دوران خود ادامه دهند. يعني باد از هر جهتي بوزد، مبدل مي‌تواند آن را جذب و تبديل به انرژي مفيد نمايد. اما مبدلهاي محور افقي كاملاً نسبت به جهت باد حساسند و براي آنكه بتوانند كارآيي مناسب خود را داشته باشند، بايد رو به باد قرار داده شوند يعني صفحه دوران مبدل عمود بر جهت وزش باد باشد. بدين ترتيب مبدلهاي محور افقي پيچيدگي ساختاري بيشتري دارند

.
۲- ايمني و سادگي : در اغلب مبدلهاي محور قائم سيستم تبديل نيرو و توليد برق روي زمين يا نزديك سطح زمين مي باشد و مبدل تقريباً بر روي سطح زمين و بطور قائم رو به بالا قرار دارد. در حاليكه مبدلهاي محور افقي بر روي برجي قرار مي‌گيرند و معمولاً مكانيزم تبديل نيرو و توليد برق آنها نيز در بالاي برج قرار داده مي‌شود. در نتيجه مبدلهاي محور قائم داراي ايمني بيشتر و مكانيزم

ساده‌تري هستند.
۳- راندمان نسبي : مبدلهاي محور افقي در ارتفاع متوسط بالاتري واقع شده و عمل مي‌كنند. از طرفي ثابت شده است كه سرعت وزش باد با افزايش ارتفاع از سطح زمين بيشتر مي‌شود و نيز توان توليدي يك مبدل با افزايش سرعت وزش باد زيادتر مي‌شود. در نتيجه بطور مشخص مبدلهاي افقي راندمان نسبي بالاتري دارند.
۴- جهت دوران : مبدلهاي محور افقي هميشه در هنگام راه افتادن در يك جهت معين حركت مي‌كنند. ولي برخي از طرحهاي مبدلهاي محور قائم (بويژه بسياري از طرحهاي جديد كه راندمان بسيار زيادي دارند) جهت راه‌اندازي معيني ندارند و بايد يك مكانيزم ويژه، در جهت معيني راه‌اندازي شوند. و يا توسط يك مانع، بخشي از مبدل پوشانيدهشود تا باد فقط روي بخشي از آن اثر گردد و مبدل در جهت معيني حركت كند.
وجوه تمايز عمومي ديگري را نيز مي‌توان بين مبدلهاي محور قائم و افقي برشمرد. به هرحال سادگي اين دسته‌بندي در عين كارآيي بسيار زياد آن، سبب شده است كه عمومي‌ترين روش تقسيم‌بنديي باشد كه توسط محققين بكار مي‌رود.