توربین های بادی و تولید انرژی

انرژی باد نظیر سایر منابع انرژی تجدید پذیر، بطور گسترده ولی پراکنده در دسترس می‌باشد. تابش نامساوی خورشید در عرض‌های مختلف جغرافیایی به سطح ناهموار زمین باعث تغییر دما و فشار شده و در نتیجه باد ایجاد می‌شود. به علاوه اتمسفر کره زمین به دلیل چرخش، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می‌دهد که باعث ایجاد باد می‌شود. از انرژی های بادی جهت تولید الکتریسیته و نیز پمپاژ آب از چاهها و رودخانه ها، آرد کردن غلات، کوبیدن گندم، گرمایش خانه و مواردی نظیر اینها می توان استفاده نمود. توربین های بادی بر روی برج های بلندی نصب شده اند تا بیشترین انرژی ممکن را دریافت کنند بلندی این برج ها به 30 تا 40 متر بالاتر از سطح زمین می رسند. توربین های بادی در باد هایی با سرعت کم یا زیاد و در طوفان ها کاملا مفید می باشند. می‌توان از توربین های بادی با کارکردهای مستقل استفاده نمود، و یا می‌توان آنها را به یک "شبکه قدرت تسهیلاتی" وصل کرد یا حتی می‌توان با یک یسیستم سلول خورشیدی یا فتوولتائیک ترکیب کرد. عموماً از توربینهای مستقل برای پمپاژ آب یا ارتباطات استفاده می‌کنند، هرچند که در مناطق بادخیز مالکین خانه‌ها و کشاورزان نیز می‌توانند از توربینها برای تولید برق استفاده نمایند مقیاس کاربردی انرژی باد، معمولا تعداد زیادی توربین را نزدیک به یکدیگر می‌سازند که بدین ترتیب یک مزرعه بادگیر را تشکیل می‌دهند.

تاریخچه

نخستین توربین بادی با کاربرد تولید برق، یک ماشین شارژ باتری بود که در سال۱۸۸۷ توسط یک مهندس اسکاتلندی به نام جیمز بلایث ساخته شد. چند ماه بعد، مخترع آمریکایی چارلز فرانسیس نخستین توربین باد خودکار را برای تولید برق در اوهایو ساخت. در سال ۱۹۰۸، ۷۲ توربین بادی با کاربرد تولید برق (بین ۵ تا ۲۵ کیلووات) در آمریکا فعال بودند. در دهه ۱۹۳۰، توربین‌های بادی کوچک برای تولید برق مورد نیاز مزارع در آمریکا، که هنوز سامانه سراسری توزیع برق راه‌اندازی نشده بود، بسیار متداول بودند. در پاییز سال ۱۹۴۱، نخستین توربین بادی در کلاس مگاوات در ورمانت راه‌اندازی شد. نخستین توربین بادی متصل به شبکه ی برق در بریتانیا در سال ۱۹۵۱ در جزایر اورکنی ساخته شد. در سال ۲۰۰۶ برای اولین بار در اتحادیه ی اروپا رشد تولید برق از انرژی‌های نو بیش از رشد تولید برق از منابع فسیلی بود. از سال ۱۳۷۹ تا ۱۳۸۶ شمسی، ظرفیت تولید برق بادی جهان از ۱۸۰۰۰ مگاوات به ۹۲۰۰۰ مگاوات افزایش یافته‌است. از سال ۲۰۰۰ تاکنون این صنعت سالانه ۲۵٪ رشد کرده و هر سه سال دو برابر شده‌است و این در شرایطی است که رشد اقتصاد جهانی از یک تا دو درصد در سال بیشتر نیست.

ظهور آسیاب بادی در اروپا

آسیاب بادی پس از گذشت پانصد سال از اختراع آن در خاورمیانه، تا قرن دوازدهم میلادی در اروپا ناشناخته بود. سربازانی که از جنگ‌های صلیبی به کشورشان بازمی‌گشتند، داستان‌هایی را درباره ی آسیاب‌های بادی نقل می‌کردند. اروپاییان با الهام از ایده استفاده از نیروی باد به عنوان نیروی محرکه، سرانجام نوع جدیدی از آسیاب بادی را اختراع کردند. در این نوع آسیاب بادی، همه ی مجموعه ی آسیاب بادی می‌توانست حول محور یک دیرک مرکزی بچرخد تا پره‌های آسیاب در جهت وزش باد قرار بگیرند. مدتی بعد، آسیاب‌های بادی ساده‌تری که به شکل یک برج پره دار بود، ساخته شد؛ در این نوع آسیاب بادی، فقط پره‌ها همراه جریان باد می‌چرخیدند. با گذشت زمان آسیاب‌های بادی به چشم‌اندازهای طبیعی حومه شهرهای اروپا تبدیل شد. در قرن دوازدهم میلادی هلندی‌ها از تلمبه‌های آب که به وسیله آسیاب‌های بادی کار می‌کرد، برای احیای بخش‌هایی از خشکی که زیر آب دریای شمال قرار گرفته بود، استفاده می‌کردند. یک قرن بعد، در بعضی از شهرهای فرانسه بیش از ۱۲۰ آسیاب بادی نصب شده بود. در هلند، در قرن هجدهم، بیش از ۷۰۰ آسیاب بادی در امتداد رودخانه زان احداث شده بود.

مقایسه نیروی باد و نیروی آب

آسیاب‌های بادی مقایسه با آسیاب‌های آبی از امتیازهای بسیاری برخوردار بودند. اول آن که نیازی نبود که آسیاب‌های بادی نزدیک جریان آب احداث شوند. هم چنین اگر آب در زمستان یخ می‌زد، آسیاب‌های آبی از کار می‌افتادند در حالی که آسیاب‌های بادی به کار خود ادامه می‌دادند. از مزایای دیگر آسیاب‌های بادی این بود که رودخانه‌هایی که در کنار آن‌ها آسیاب‌های آبی ساخته می‌شد، معمولاً تخت نظارت مالکین و زمین داران قدرتمند قرار داشت و آن‌ها بودند که اجازه می‌دادند چه کسی حق احداث آسیاب آبی و آرد کردن گندم را داشته باشد. رواج آسیاب‌های بادی موجب رهایی مردم عادی از قید و بند مالکین شد.

توربینهای بادی چگونه کار می کنند؟

توربینهای بادی مدرن به دو شاخه اصلی می‌شوند

1- توربین های با محور افقی

2- توربین های با محور عمودی

طبقه بندی بر اساس مقدار ظرفیت تولید انرژی توربین های بادی از نظر مقدار ظرفیت تولید انرژی به سه دسته توربین های بادی کوچک، توربین های بادی متوسط و البته توربین های بادی بزرگ تقسیم بندی می شوند. توربین های بادی کوچک توان تولیدی تا حدود 2 kw، توربین های بادی متوسط توان تولیدی بین 2 kw تا حدود 100 kw و توربین های بادی بزرگ توان تولیدی از 100 kw به بالا را دارند.

طبقه بندی بر اساس مقدار ظرفیت تولید انرژی

توربین بادی از نظر مقدار ظرفیت تولید انرژی به سه دسته توربین های بادی کوچک، توربین های بادی متوسط و البته توربین های بادی بزرگ تقسیم بندی می شوند. توربین های بادی کوچک توان تولیدی تا حدود 2 kw، توربین های بادی متوسط توان تولیدی بین 2 kw تا حدود 100 kw و توربین های بادی بزرگ توان تولیدی از 100 kw به بالا را دارند. بر اساس آنچه مقدار ظرفیت تولید انرژی در مبحث توربین بادی مطرح می شود، تورین بادی از نظر نوع مصرف کننده به دو دسته مصرف کننده صنعتی و مصرف کننده خانگی تقسیم می شود. توربین های بادی خانگی توان تولیدی 2 kw و در برخی موقع تا 10 kw را دارند. توربین های بادی صنعتی توان تولیدی چند صد کیلو وات و در برخی موارد چند مگا وات را دارند. توربین های بادی صنعتی همان توربین بادی خانگی هستند که در مقیاس بزرگ تر و در عنوان مزرعه بادی شروع به تولید انرژی می کنند؛ اما به دلیل بازدهی و عملکرد بالاتر توربین های محور افقی، اکثرا توربین های با ظرفیت بالا از نوع توربین محور افقی ساخته می شوند.

طبقه بندی بر اساس محل نصب توربین

توربین های بادی از نظر محل نصب به دو دسته توربین های بادی نصب شده ساحلی و توربین های بادی نصب شده فرا ساحلی تقسیم بندی می شوند. در چند سال اخیر کشور های اروپایی و در صدر آنها کشور آلمان اقدام به تولید توربین های فرا ساحلی نموده است. نوع ساخت توربین هایی که در دریا کار گذاشته می شود همان توربین های محور افقی است با این تفاوت که سازه این توربین ها پیچیده تر بوده و انتقال انرِژی تولید شده توسط توربین به ساحل، دارای محدودیت های مهمی می باشد. یکی از مهمترین موضوعات در بحث توربین های فراساحلی، بررسی فاصله بین محل نصب توربین بادی تا ساحل است؛ چرا که با افزایش فاصله هزینه های انتقال و همچنین هزینه های تعمیر نگهداری توربین نیز افزایش می یابد. توربین های بادی ساحلی نیز مانند آنچه در قبل گفته شد از نظر ابعاد و وزن دارای اهمیت برای ساختار نصب انها می باشند؛ که در مبحث توربین های بادی در مصرف خانگی، یکی از مهمترین پارامتر ها ابعاد و وزن توربین می باشد، چرا که باید بگونه ای باشد که محل نصب توربین که ممولا پشت بام خانه است، توانایی تحمل وزن و همچنین مساحت گنجاندن توربین یا توربین ها را داشته باشد.

داخل توربین بادی به چه صورت می باشد:

1. باد سنج: این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و دیتای خروجی از آن را به کنترل کننده ها انتقال می دهد.
2. پره ها: بیشتر توربین ها دارای دو یا سه پره می باشند. وزش باد بر روی پره ها باعث بلند کردن و چرخش پره ها می شود.
3. ترمز: از این وسیله برای توقف روتور در مواقع اضطراری استفاده می شود. عمل ترمز کردن می تواند بصورت مکانیکی٬ الکتریکی یا هیدرولیکی انجام گیرد.
4. کنترولر: کنترولر ها وقتی که سرعت باد به 8 تا 16 mph میرسد ما شین را٬ راه اندازی می کنند و وقتی سرعت از 65 mph بیشتر می شود دستور خاموش شدن ماشین را می دهند. این عمل از آن جهت صورت میگیرد که توربین ها قادر نیستند زمانی که سرعت باد به 65 mph می رسد حرکت کنند زیرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسیار بالایی خواهد رسید.
5. گیربکس: چرخ دنده ها به شفت سرعت پایین متصل هستند و آنها از طرف دیگر همانطور که در شکل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل می باشند و افزایش سرعت چرخش از 30 تا 60 rpm به سرعتی حدود 1200 تا 1500 rpm را ایجاد می کنند. این افزایش سرعت برای تولید برق توسط ژنراتور الزامیست. هزینه ساخت گیربکس ها بالاست درضمن گیر بکس ها بسیار سنگین هستند. مهندسان در حال انجام تحقیقات گسترده ای می باشند تا درایو های مستقیمی کشف نماید و ژنراتورها را با سرعت کمتری به چرخش درآورند تا نیازی به گیربکس نداشته باشند.
6. ژنراتور: که وظیفه آن تولید برق متناوب می باشد.
7. شفت با سرعت بالا: که وظیفه آن به حرکت در اوردن ژنراتور می باشد.
8. شفت با سرعت پایین: رتور حول این محور چرخیده و سرعت چرخش آن 30 تا 60 دور در دقیقه می باشد.
9. روتور: بال ها و هاب به روتور متصل هستند.
10. برج: برج ها از فولاد هایی که به شکل لوله درآمده اند ساخته می شوند. توربین هایی که بر روی برج هایی با ارتفاع بیشتر نصب شده اند انرژی بیشتری دریافت می کنند.
11.  توربین هایی که از این فن آوری استفاده می کنند در خلاف جهت باد نیز کار می کنند در حالی که توربین های معمولی فقط جهت وزش باد به پره های آن باید از روبرو باشد.
12. بادنما: وسیله ای است که جهت وزش باد را اندازه گیری می کند و کمک می کند تا جهت توربین نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد.
13. درایو انحراف: وسیله ایست که وضعیت توربین را هنگامی که باد در خلاف جهت می وزد کنترل می کند و زمانی استفاده می شود که قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گیرد اما زمانی که باد در جهت توربین می وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمی باشد.
14. موتور انحراف: برای به حرکت در آوردن درایو انحراف مورد استفاده قرار می گیرد.

مزایای توربین بادی به شرح زیر است:

• عدم آلایندگی برای هوا و آب
• عدم وجود اثرات زیست محیطی مانند معدن‌‌کاری و حفاری
• عدم هرگونه پرداخت بابت سوخت
• کاملا پایدار؛ برخلاف سوخت‌‌های فسیلی، باد هرگز تمام نمی‌‌شود.
• برخلاف انرژی منابع فسیلی، هزینه‌‌های بهره‌‌برداری انرژی بادی برای سال‌ها قابل پیش‌‌بینی است.
• عدم وابستگی به نوسانات سیاسی مربوط به قیمت نفت و گاز
• مشاغل جدید در زمینه ساخت، بهره‌‌برداری و تولید توربین بادی.

به طور خلاصه، معایب توربین‌ بادی به شرح زیر است:

• قیمت بالا
• نیاز به یارانه‌‌های اقتصادی برای دسترسی‌پذیر کردن انرژی بادی
•  هزینه اضافه پیچیدگی فرایند تنظیم نوسانات انرژی بادی با دیگر اشکال انرژی
• هزینه اضافه برای ارتقای شبکه برق و خطوط انتقال، گرچه تمام سیستم سودده است.
• خروجی متغیر، گرچه این مشکل با احداث مزارع بادی در مناطق مختلف کاهش می‌‌یابد.
• اشغال گسترده زمین، گرچه 95 درصد زمین می‌‌تواند برای مصارف کشاورزی استفاده شود.
• عدم توانایی در تأمین تمام تقاضای انرژی یک کشور در تمام سال برخلاف نیروگاه‌‌های فسیلی، برق‌‌آبی، هسته‌‌ای و زیست‌توده.
• از بین رفتن مشاغل معدن‌‌کاری و حفاری