انرژی باد، انرژی حاصل از هوای متحرک

باد هوای در حال حرکت است. باد به وسیلة گرمای غیر یکنواخت که سطح کرة زمین که حاصل عملکرد خورشید است، بوجود می‌آید. از آنجائیکه سطح زمین از سازنده‌های خشکی و آبی قنوعی تشکیل شده‌اند، اشعة خورشید را بطور غیریکنواخت جذب می‌کند. وقتی خورشید در طول روز می‌تابد، هوای روی سرزمین‌های خشکی سریعتر از هوای روی سرزمین‌های آبی گرم می‌شود. هوای گرم روی خشکی ضبط شده و بالا می‌رود و هوای خنک تر و سنگین تر روی آب جای آنرا می‌گیرد که این فرآیند بادهای محلی را می‌سازد. در شب، از آنجا که هوا روی خشکی سریعتر از هوای روی آب خنک می‌شود، جهت باد برعکس می‌شود.

 به همین طریق بادهای بزرگ جوی که زمین را دور می‌زنند به علت اینکه هوای سطحی نزدیک استوا در اثر گرمای خورشید بیشتر از هوای قطب شمال و جنوب گرم شده، بوجود می‌آیند. از آنجا که باد تا زمانیکه خورشید به زمین می‌تابد، بطور پیوسته تولید خواهد شد، آنرا منبع انرژی تجدید شونده می‌نامند. امروزه، انرژی بادی عمدتاً برای تولید برق بکار برده می‌شود.

 

در طی تاریخ، انسانها باد را به شیوه‌های مختلف به کار بردند. بیش از پنج هزار سال پیش، مصریان باستان از نیروی باد برای راندن کشتی‌های خودروی رود نیل استفاده کردند. بعد از آن، انسان آسیاب بادی را برای آسیاب کردن بذر خود ساخت. جدیدترین آسیاب بادی متعلق به ایران است. این آسیاب شبیه به پاروهای بسیار بزرگ بوده.

 

قرن‌ها بعد، مردم هلند طرح پایة آسیاب بادی را بهبود دادند. آنها تیغه‌های پروانه مانند ساخته شده از پره‌های نو به آسیاب بادی اضافه کردند و روشی برای تغییر جهت آن مطابق با جهت باد ابداع کردند. آسیاب‌های بادی به هلندی‌ها کمک کردند که در قرن 17 صنعتی ترین کشور جهان باشند.

 

برخی از کشورها آسیاب‌های بادی را برای آسیاب گندم و ذرت، پمپ کردن آب و قطع درختان به کار می‌بردند. در سال 1920 در کشورهای توسعه یافته  از آسیابهای کوچک برای تولید برق روستایی بدون خدمات برق به کار بردند. در سال 1930 زمانیکه خطوط نیرو شروع به انتقال برق از نواحی روستایی کرد، آسیابهای محلی کمتر و کمتر شدند، اگرچه در حال حاضر نیز می‌توان آنها را  دید. ذخایر نفت در سال 1970 تصویر انرژی را برای کشورهای جهان عوض کرد. این امر محیطی بازتر برای منابع جایگزین انرژی خلق کرد و راه را برای ورود مجدد آسیاب‌های بادی به چشم انداز آمریکایی در تولید برق هموار کرد.

 

آسیابهای بادی چون سرعت باد را کم می‌کنند، می‌توانند کار کنند. باد روی تیغه‌های ورقه مانند نازکی جریان یافته و آنها را بلند می‌کند و باعث چرخش آنها می‌شوند (مانند تأثیر باد روی بالهای هواپیما) تیغه‌ها به میلة هدایت متصل است و آن نیز یک مولد برق را چرخانده و الکتریسیته تولید می‌کند.

 

مکانیسم‌های بادی امروزه از لحاظ فنی بسیار پیشرفته‌تر از انواع قدیمی هستند. در این مکانیسم همچنان برای جمع‌آوری انرژی حرکتی باد از تیغه‌ها استفاده می‌شود اما این تیغه‌ها که از فایبرگلاس یا هر مادة محکم دیگر ساخته شده‌اند.

مکانیسم‌های بادی مدرن هنوز با مشکلاتی دست و پنجه نرم می‌کند، مثلاً اینکه وقتی باد نمی‌وزد باید چه کرد. توربین‌های بزرگ به شبکة نیرویی خدماتی متصل شده‌اند. برخی از آنها هنگامی که بادی نمی‌وزرد، جمع می‌شوند. توربین‌های کوچک گاهی اوقات به مولدهای الکتریکی ـ دیزلی متصلند و یا گاهی اوقات دارای باتری برای ذخیرة برق اضافی جمع آوری شده در هنگام وزش بادهای شدید، هستند.

 

امروزه عموماً دو نوع مکانیسم بادی استفاده می‌شود، محور افقی با تیغه‌های شبیه به پرة هواپیما و محور عمودی که شبیه به فرفره است.

مکانیسم بادی محور افقی به علت اینکه مواد کمتری برای یک واحد برق نیاز دارد، بیشتر مورد استفاده است. حدود 95 درصد مکانیسم‌های بادی افقی محور هستند. ماشین بادی افقی ویژه‌ای دارای ارتفاعی به اندازة یک ساختمان 20 طبقه و سه تیغه دارد که قطر چرخش آن 200 متر است. بزرگترین ماشین‌های بادی دنیا تیغه‌هایی بزرگتر از یک زمین فوتبال دارند! ماشینهای بادی برای اینکه باد بیشتری را به دام بیندازند، بلند و عریض هستند.

 

ماشینهای بادی با محور قائم تنها پنج درصد ماشینهای بادی بکار برده شده در دنیای امروز را به خود اختصاص داده است. نوع نمونه آن 100 متر طول و 50 متر پهنا دارد. هر ماشین باری امتیازات و ایرادات خود را دارد. ماشینهای با محور افقی نیاز به روشی برای نگهداشتن گرداننده رو به باد دارد. این کار با یک دم روی ماشینهای کوچک انجام می‌گیرد. در ماشینهای بزرگ، یا یک گردانند در بخش پایینی برج قرار دارد که کاری شبیه به بادنمای هواشناسی را انجام می‌دهد و یا یک موتور هدایت کننده به کار برده می‌شود، ماشینهای با محور قائم می‌توانند باد را در هر جهتی قبول کنند.

 

دستگاههای نیروی بادی یا فراری بادی، سری ماشینها بادی است که برای تولید برق بکار برده می‌شوند. یک مزرعة بادی معمولاً دارای چندین ماشین پخش شده در ناحیة وسیعی است. دستگاههای هسته‌ای یا ذغالی و بسیاری از دستگاههای بادی غالباً به شرکت‌های با منافع عمومی داده نمی‌شوند. در عوض آنها توسط تاجرانی که برق تولید شده از مزرعة بادی را برای خدمات رفاهی می‌فروشند، اداره و مدیریت می‌شود. این شرکت‌های خصوصی به عنوان «تولید کننده‌های مستقل نیرو» شناخته می‌شوند.

 

به کار اندازی یک دستگاه نیروی بادی کار آسانی نیست و مالکان آن باید برای تعیین موقعیت نصب آن به دقت برنامه ریزی کنند. آنها باید میزان وزش باد، شرایط هواشناسی محلی، نزدیکی خطوط انتقال برق و کدهای منطقه‌بندی محلی را در نظر بگیرند. دستگاههای بادی به زمین‌های زیادی نیاز دارند. یک ماشین بادی حدوداً به دو جریب زمین نیاز دارد. یک دستگاه نیروی بادی صدها جریب زمین نیاز دارد. از طرف دیگر، کشاورزان می‌توانند در اطراف ماشینهای بادی محصولات خود را به بار آورده و یا به چرای گله‌هاشان بپردازند.

 

وقتی یک دستگاه شناخته شد، هنوز هزینه‌هایی باقی می‌ماند. در برخی حالات، هزینه‌های باقیمانده با بخشش‌های مالیاتی که به منابع تجدیدپذیر انرژی داده می‌شود، حیران می‌شوند. دستگاه سیالیست‌های منظم منافع عمومی یا PURPA هم برای خریداری برق از تولید کننده‌های مستقل نیرو با قیمت‌های منصفانه به شرکت‌هایی نیاز دارد.

 

بهترین محل برای نصب یا ساخت دستگاه بادی کجاست؟  میانگین سرعت باد برای به صرفه بودن تبدیل انرژی باد به برق حدود 23 کیلومتر در ساعت است. میانگین سرعت باد در برخی از کشورها16 کیلومتر در ساعت است. به علت دسترسی آسان به باد با دوام و همیشگی، برخی شرکت‌ها نصب ماشینها را در مناطق و دور از ساحل مدنظر دارند

 دانشمندان از وسیله‌ای به نام آنمومتر (anemometer) برای اندازه‌گیری سرعت باد استفاده می‌کنند. آنمومتر شبیه یک بادنمای هواشناسی است با ظاهری مدرن. این وسیله سه پرده با فنجان‌هایی در سد آنها و روی میلة چرخانی که با وزش باد می‌چرخد دارد. این وسیله به متری وصل است که سرعت باد را نشان می‌دهد. یک بادنما جهت باد را نشان می‌دهد اما سرعت باد را نشان نمی‌دهد. براساس یک قانون طبیعی سرعت باد در نواحی پهناور و بدون وقفه در وزش باد، با عرض جغرافیایی افزایش می‌یابد. مکانهایی مناسب برای دستگاههای بادی بالای تپه‌های گرد و صاف، دشت یا سواحل باز و فواصل کوهی که مثل قیف عمل می‌کنند، هستند .

 

چقدر می‌توانیم از باد انرژی بدست آوریم؟ دو اصطلاح وجود دارد که تولید پایة برق را توضیح می‌دهد. عامل کارایی و عامل گنجایش.

کارایی به این موضوع بر می‌گردد که چقدر می‌توان انرژی مفید (در این مورد، برق) از منبع انرژی کسب کرد. یک ماشین انرژی صد درصد کارا، می‌تواند تمام انرژی را به انرژی مفید تبدیل کند و هیچ انرژی را هدر نمی‌دهد هیچ ماشین با کارایی یا بهره وری صد درصد وجود ندارد. بعضی انرژی‌ها همیشه وقتیکه شکلی از انرژی به شکل دیگر تبدیل می‌شود، از دست می‌روند. انرژی هدر رفته معمولاً به شکل گرمای پراکنده شده در هوا است و نمی‌توان از آن بهرة اقتصادی مجدد برد. ماشین‌های بادی چقدر کارایی دارند؟

 

ماشینهای بادی تنها به اندازة دستگاههای دیگر مانند دستگاههای زغال بهره وری دارند. ماشین‌های بادی 30 تا 40 درصد انرژی متحرک باد را به برق تبدیل می‌کند، یک دستگاه مولد نیروی زغال سوز، حدود 30 تا 35 درصد انرژی شیمیایی زغال را به الکتریسیتة قابل استفاده تبدیل می‌کند

 

واژة گنجایش به توانایی دستگاه نیرو در تولید برق بر می‌گردد. یک دستگاه نیرو با گنجایش صد درصد تمام روز و هر روز هفته با تمام نیرو کار می‌کند. در چنین شرایطی هیچ وقتی برای تعمیر یا سوختگیری صرف نمی‌شود که اینچنین چیزی برای هر دستگاهی غیرممکن است. مشخصاً دستگاههای زغالی اگر تمام روزهای سال و بطور شبانه روزی کار کنند، دارای ظرفیت 75 درصد خواهند بود.

 

دستگاههای نیروی باد متفاوت از دستگاههای مولد نیروی سوخت سوز هستند. بهره‌وری آنها به میزان باد و میزان سرعت باد بستگی دارد. بنابراین ماشین‌های بادی نمی‌توانند در طول سال بطور 24 ساعته کار کنند. یک توربین بادی در یک مزرعة بادی شاخص در 65 تا 80 درصد زمان کار می‌کند، اما معمولاً کمتر از گنجایش کامل خود، زیرا سرعت باد همیشه در بیشترین مقدار خود نیست. بنابراین عامل گنجایش 30 تا 35 درصد است. علم اقتصاد نیز بخش عظیمی از گنجایش را داشته باشند، اما این امر خود اقتصادی نیست. تصمیم در این مورد براساس خروجی الکتریسیته در هر دلار سرمایه‌گذاری است.

 

یک ماشین بادی می‌تواند 5/1 تا 4 میلیون کیلو وات ساعت (kWh) برق در سال تولید کند. این میزان برق برای 150 تا 400 خانه در سال کافی‌ست. در این کشور، ماشینهای بادی 10 میلیارد کیلو وات ساعت انرژی در سال تولید می‌شود. انرژی بادی حدود 1/0 درصد برق ملت را که مقدار کمی هست تأمین می‌کند. این میزان برق برای کارهای خانگی یک میلیون خانه که به اندازة شهرهای شیکاگو و ایلی نویز است، کافی‌ست. کالیفرنیا بیشترین برق بادی را نسبت به سایر ایالت‌ها تولید می‌کند و تگزاس، منیسوتا و آیوا بعد از آن قرار دارند، 1300 ماشین بادی موجود بیشتر از یک درصد برق کالیفرنیا که حدود نصف میزان برق تولیدی در یک دستگاه نیروی هسته‌ای است را تولید می‌کند.

 

 در سه سال گذشته گنجایش باد کل جهان بیش از دو برابر شده است. متخصصان انتظار دارند در چند سال بعد، تولید انرژی از ماشینهای بادی، سه برابر شود. هند و بسیاری از کشورهای اروپایی در حال برنامه‌ریزی برای تأسیس صنایع بادی جدید هستند.  بسیاری از طرحهای جدید باد به علت عدم کنترل قانونی صنعت برق به تعویق درآورند. شرکت‌های خدماتی رفاهی و اجتماعی اطمینان نداشتند که چقدر عدم کنترل (deregulation) روی تکنولوژی‌های جدید تأثیر می‌گذارد.

 

آیا دولت هنوز شرکت‌های خدمات رفاهی برای سرمایه‌گذاری روی طرحهای انرژی‌های تجدیدپذیر تشویق می‌کند؟ آیا بازاری برای انرژی تولید شده وجود دارد؟ چنین سئوالاتی هنوز بی‌جواب مانده. با این وجود سرمایه گذاری روی انرژی بادی به علت هزینة کم و تکنولوژی در حال پیشرفتش در حال افزایش است. باد در حال حاضر یکی از رقابتی‌ترین منابع برای تولید است.

 

نشانة امیدوار کنندة دیگر برای صنعت بادی تقاضای مصرف کننده برای انرژی‌های سبز انرژی‌هایی که به محیط زیست آسیبی نمی‌رسانند) است. بسیاری از شرکت‌های خدماتی به تازگی به مصرف کنندگان اجازه داده که به طور داوطلبانه برای برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر پول بیشتری بدهند. صنعت بادی برای برگشت به حالت تعویق یا موازنه درآمده است.

 

از لحاظ اقتصادی، خبرهای خوب زیادی برای انرژی بادی وجود دارد، اولین خبر اینکه یک دستگاه بادی بسیار ارزان تر از دستگاه انرژی موسوم از نظر ساخت ساخته شده است. دستگاههای باد می‌توانند به ماشینهای بادی به راحتی اضافه کردند بطوریکه تقاضای برق تقاضا پیدا می‌کند. دومین خبر اینکه هزینة تولید برق از باد در دو دهة گذشته بطور برجسته‌ای کاهش یافته است. برق تولید شده توسط باد در سال 1975، 30 سنت برای هر کیلو وات ساعت بود، اما حالا به کمتر از 5 سنت رسیده است. توربین‌های جدید قیمت را کمتر هم خواهند کرد.

 

در سال 1970، ذخایر نفت بر توسعة منابع جایگزین انرژی فشار آورد. در سال 1990، از دیدگاه تجدیدپذیری محیط زیست، در برابر مطالعة دانشمندان که نشاندهندة تغییرات بالقوة آب و هوای جهانی درصورت افزایش استفادة مداوم از سوخت‌های فسیلی فشاری نیز بوجود آمد. انرژی بادی یک گزینة اقتصادی و راهبردی برای دستگاههای نیروی سنتی در بسیاری از نواحی کشور ارائه می‌دهد، باد سوخت پاکی است و مزاع بادی از آنجا که هیچ سوختی را نمی‌سوزانند، هیچ آلودگی آبی با هوایی نیز ایجاد نمی‌کنند.

 

جدی ترین آسیب زیست محیطی ماشینهای بادی شاید تأثیر منفی آنها روی جمعیت پرندگان وحشی و بر خود دیداری غیرطبیعی در چشم انداز محیط زیست باشد، برای برخی افراد، برق زدن تیغه‌های آسیابهای بادی در افق می‌تواند آزار دهنده باشد و برای برخی دیگر آنها جایگزین زیبایی برای دستگاههای نیروی سنتی هستند.

 

با تیغه‌هایی که حدود 87 متر قطر دارند، توربین Vestas V44-600 بزرگترین توربین بادی در حال فعالیت است. این توربین که در 96 متری روی برجی در غرب شهر تراورس (Traverse) میشیگان قرار داد، کمتر از یک درصد روشنایی و نیروی خروجی مجموع شرکت‌ها را فراهم می‌کند. اما این تعداد برای حدود 200 مصرف کننده ساکن در شهر کافی‌ست. این دسته از مردم که تمام برق خود را از نیروی باد به دست می‌آورند، با پرداخت حدود 20 درصد بیشتر به عنوان بهای برق به منظور حمایت از این طرح موافقند. توربین در دانمارک ساخته شد. تیغه‌ها طوری طراحی شده‌اند که بیشترین انرژی را از بادها بگیرد و سرعت مولد و موتور چرخاننده می‌تواند برای یکنواخت کردن نوسانات نیرو کمی تغییر کند. در بادهای متوسط 24 تا 25، سالیانه از توربین بادی بین 1/1 تا 2/1 میلیون کیلو وات ساعت تخمین زده می‌شود.

 

 

سیستم متفاوت مبدل انرژی باد به برق بوسیله یک مهندس هوانورد در کنتاکی طراحی شدن بسکوی چرخان شدت یافته بود انکو (Eneco) یا همان WARP (Wind Amplified Rotor Platform) از تیغه‌های بزرگ استفاده نمی‌کند هر مدل یک جفت توربین پر ظرفیت سوار شده روی هردو سطح کانال مدل تشدید کنندة هوای مقعر دارد. سطوح مقعر کانال هوا، باد را به سمت توربین‌ها هدایت کرده و سرعت آن را 50 درصد افزایش می‌دهند.

 

انکو، برای بازاریابی تکنولوژی نیروی سکوهای نفتی دور از ساحل و سیستم‌های ارتباطات بی سیم از راه دور برنامه ریزی می‌کند. بنابراین در آینده طرح انکو می‌تواند با تولید نیروی برای خدمات رسانی رفاهی مردم بکار برده شود. نواحی WARP عظیم می‌تواند با برج‌های چندین متری که هرکدام چندین مگاوات برق تولید می‌کند، ساخته شود. حتی توربین‌ها می‌توانند برای تهیه نیروی ساکنین یک ساختمان، با ساختمان یکی شود