مقدمه:

انرژی بادی بیش از 2000 سال است که مورد استفاده قرارگرفته است.اولین آسیابهای بادی در ایران مورد استفاده قرار گرفتند که از باد برای تولید انرژی مکانیکی استفاده می کردند. نام "آسیاب بادی" به این دلیل به کار رفت که هدف اصلی آنها آسیاب وخرد کردن غلات و تبدیل آن به آرد بود.

باد یک پروانه(توربین) بادی را می چرخاند که به قرقره ها و تسمه هایی وصل بود و چرخهای آسیاب را به گردش در می آورد.

در آغار سالهای 1900 آسیابهای بادی تغییرو بهبود یافتند و برای کشیدن آب از زیرزمین مورد استفاده قرارگرفتند و امروزه هنوز بدین منظور مورد مصرف قرارمی گیرند.

پس از گسترش ژنراتورهای بادی، طولی نکشید که برای سرویس دهی در مناطق دور افتاده استرالیا یعنی جاهایی که برق از ژنراتورهای شهری تامین نمی شد، مورد استفاده قرار گرفت.

از زمانهای نخستین، بشر با ساخت اولین آسیاب ها که قدمت آنها سال ششم میلادی ثبت شده است، نیروی باد را تحت کنترل خود درآورده است. به مرور زمان این تکنولوژی از تنوع برخوردار شده است از جمله کشیدن آب از چاه، آسیاب کردن غلات و تامین نیروی برق کارخانجات چوب بری و الوار سازی. در اواسط قرن نوزدهم تنها در انگلستان بیش از 10000 آسیاب بادی کار می کرد. آخرین دگرگونی در طول سالهای 1880 به وقوع پیوست زمانی که عمل گردش بادبانها به محرک و گرداننده یک ژنراتور الکتریکی تبدیل گشت.رشد این تکنولوژی ادامه داشت اما انگیزش تجاری واقعی زمان بحران نفت در 1970 رخ داد که توجه بشر را به تولید نیروی برق مداوم و ایمن معطوف ساخت. که این مستقیما به استقرار نیروی باد بعنوان منبع انرژی جهانی که سریعترین میزان رشد را داشته، منجر شد با بازاری که تنها در اروپا رشد متوسط سالانه 30 درصدی داشته است یعنی نرخ رشدی که فقط با صنعت کامپیوتر و ارتباطات از راه دور برابری می کند. هم اکنون تغییرات جوی و موضوعات امنیتی انگیزش بیشتری برای بوجود آوردن منابع انرژی متنوع که ادامه یافتنی باشند و آلودگی ایجاد نکنند را فراهم می سازد.

تکنولوژی انرژی بادی در سالهای اخیربسرعت رشد کرده است و اروپا در راس این صنعت دارای تکنولوژی رفیع قرارگرفته است. توربین ها در حال ارزانتر و قدرتمندتر شدن هستند، با طول پره بیشتر که قادر است از مقدار باد زیادتری استفاده کند و بنابراین الکتریسیته بیشتری تولید نماید و هزینه تولید برق از منابع قابل تجدید را کاهش دهد.

اولین مزرعه بادی تجاری در انگلستان در سال 1991 در دلابول واقع در کرن وال ساخته شد که از توربین های 400 کیلو واتی استفاده می کرد، در حالی که آخرین دستاوردها در بردارنده توربین هایی است که ده برابر از توربین های 400 کیلوواتی قدرتمندترند.

حتی بعد از این که بطور متوسط 25-20 سال از عمر کاری توربین های بادی گذشت، این ارزش را دارند که بصورت آهن قراضه می توانند فروخته شوند.

ژنراتورهای توربین بادی می توانند برای تولید الکتریسته مورد استفاده قرار گیرند. باد باعث می شود توربین و پروانه آن بچرخد.یک باد نما جهت اطمینان از این که توریبن همیشه به سمت باد باشد، مورد استفاده قرارمی گیرد.پروانه توریبن به آلترناتوری وصل است که برق تولید می کند.

اصول اساسی ارزیابی منبع بادی

ارزیابی منبع بادی یک عامل حساس و مهم در طرح ریزی سطح کارائی توربین در یک مکان معین می باشد. انرژی موجود در جریان باد، نسبتی است از مکعب سرعت آن، که بدین معناست که دو برابر شدن سرعت باد، انرژی قابل دسترس را به صورت فاکتوری از هشت، افزایش می دهد. علاوه بر این، خود منبع باد بندرت یک جریان مداوم و پایدار است و بسته به زمان روز، فصل، ارتفاع از سطح زمین و نوع سرزمین تغییر می یابد. مکان مناسب در جاهای بادخیز و دور از موانع بزرگ و قابل ملاحظه، میزان کارائی یک توربین بادی را افزایش می دهد.

بطور کلی متوسط سرعت باد سالانه 5 متر در ثانیه (11 مایل در ساعت) برای مواردی که به شبکه اتصال دارند، لازم می باشد. متوسط سرعت باد سالانه 3 تا 4 متر در ثانیه (7-9 مایل در ساعت) ممکن است برای موارد استعمال الکتریکی و مکانیکی غیر متصل نظیر شارژ باتری و پمپ آب مناسب باشد. در بسیاری از نقاط جهان منابع بادی با بیش از این سرعت ها موجود است.

چگالی انرژی بادی

- روشی سودمند برای ارزیابی منبع بادی موجود در یک مکان بالقوه می باشد. چگالی انرژی بادی که به صورت وات در هر مترمربع اندازه گیری می شود، نشانگر این است که چقدر انرژی برای تبدیل شدن توسط یک توربین بادی، در مکان موجود می باشد. رده های چگالی انرژی بادی برای دو ارتفاع استاندارد سنجش باد در جدول زیر آمده است. معمولا سرعت باد با بیشتر شدن ارتفاع از سطح زمین افزایش می یابد.

الف ) برآورد قائم سرعت بادبراساس قانون توانی 7/1

ب‌) متوسط سرعت باد براساس جدول توزیع سرعت رایلی چگالی انرژی بادی می باشد. سرعت باد برای شرایط استاندارد سطح دریا می باشد. برای حفظ همان چگالی انرژی، سرعت 3% /1000 متر (5% /5000 فوت) ارتفاع افزایش می یابد.

(برگرفته از اطلس منبع انرژی بادی باتل.)

بطور کلی اکنون مکانهایی با نرخ رده انرژی بادی 4 و بالاتر برای نیروگاههای بادی مقیاس بزرگ ترجیح داده می شوند. تحقیقات انجام شده توسط صنایع و دولت آمریکا در حال بسط دادن موارد استعمال تکنولوژی بادی متصل به شبکه به نواحی دارای باد محدودتر و آرام تر می باشند.

چگونه یک توربین بادی کار می کند؟

توربین های بادی، با استفاده از نیروی طبیعی باد برای به حرکت درآوردن ژنراتور، الکتریسیته تولید می کنند. باد یک منبع سوخت پاک و پایدار است که مواد دفعی ندارد و هرگز تمام نخواهد شد چون دائما توسط انرژی خورشید تجدید می شود.

از بسیاری جهات، توربین های بادی تکامل طبیعی آسیابهای بادی سنتی می باشند، اما اکنون معمولا سه پره دارند که حول یک حلقه مرکزی افقی می چرخند که به نیروی الکترونیکی واقع در موتورخانه که در نوک برج فولادی قراردارد، اتصال دارند.

بیشتر توربینهای بادی زمانی که سرعت باد حدود 4-3 متر در ثانیه می باشد، شروع به تولید برق می نمایند و حداکثر مجاز برق را در حدود 15 متر در ثانیه تولید می کنند و برای جلوگیری از خسارات حاصل از توفان در 25 متر در ثانیه و یا بیشتر متوقف شده و از کار می افتند.

باد از پره ها عبور کرده و یک نیروی چرخش دهنده، ایجاد می کند:

1) پره های چرخان

2) پروانه داخل موتور که به جعبه دنده می رود را می چرخاند.

3) جعبه دنده سرعت چرخش برای ژنراتور را افزایش می دهد.

4) ژنراتور از میدان مغناطیسی برای تبدیل انرژی چرخشی به انرژی الکتریکی استفاده می کند. نیروی خروجی تولید شده به یک ترانسفورماتور می رود.

5) ترانسفورماتور انرژی حاصل از ژنراتور که حدود 700 ولت است را به ولتاژ مناسب برای سیستم توزیع، که معمولا 33000 ولت (33کیلو ولت) است، تبدیل می کند.

6) شبکه های توزیع برق منطقه ای یا شبکه ملی الکتریسیته را به سرتا سر کشور انتقال می دهند.

شکل 3: چگونه یک توربین بادی، انرژی جنبشی باد را به انرژی

انواع توربین های بادی؟

دو مدل اصلی از توربین های الکتریکی بادی وجود دارد: توربین بادی محور عمودی یا egg-beater و توربین افقی با محور بادی(Propeller-style). امروزه متداولترین آن توربین افقی با محور بادی(Horizontal-axis) می باشد که تقریبا کل توربین های در مقیاس مصارف عمومی و همگانی را در سطح بازار جهانی تشکیل می دهد(ظرفیت 100 کیلو وات و بیشتر).

ترتیب اجزا اصلی توربین بادی

توربین های بادی از نظر اندازه متفاوت می باشند. این شکل اندازه های گوناگون توربین ها و مقدار الکتریسیته ای که هر کدام از آنها قادرند تولید کنند را نمایش دهد(ظرفیت توربین یا سنجش توان).

معمولا الکتریسیته ای که توسط یک توربین بادی تولید می شود، جمع آوری شده و به خطوط فشار قوی وارد گردیده و در آنجا با الکتریسیته حاصل از نیروگاههای دیگر ترکیب شده و به مصرف کنندگان تحویل می شود.

کارکرد و نگهداری و تعمیرات

همه توربین های بادی روی خشکی و داخل دریا، ابزارآلاتی در بالای موتورخانه دارند، یک باد سنج و یک بادنما که بترتیب سرعت باد را اندازه گرفته و جهت آن را تعیین می کنند. زمانی که باد تغییر جهت می دهد، موتورها، قسمت موتورخانه و پره ها را می چرخانند تا به سمت باد قرار گیرند. تمام این اطلاعات توسط کامپیوترها ثبت گردیده و به مرکز کنترل ارسال می شوند که این مرکز می تواند کیلومترها دورتر باشد، بدین معنا که توربین های بادی به طور فیزیکی توسط نیروی انسانی (کارگران) اداره نمی شوند، هر چند بطور دوره ای بررسی های مکانیکی بر روی آنها صورت می گیرد که این بررسی ها اغلب توسط کمپانی های محلی انجام می شود. همچنین کامپیوترهای روی عرشه بر عملکرد هر یک از اجزای توربین بخصوص پره ها نظارت دارند و در صورتی که هرگونه مشکلی دیده شود، توربین را بطور اتوماتیک خاموش خواهد ساخت و به یک مهندس اعلام خواهد کرد که به یک بررسی در محل نیاز می باشد. در واقع برای بسیاری از توربین های بادی، ولتاژهای بیشتر، انواع مختلف ژنراتورها و سیستم های امنیتی، وضعیت پیچیده تر می باشد اما این راهنمای خوبی برای اصول اولیه و مقدمات است.

مقدار الکتریسیته تولید شده از یک توربین بادی به سه عامل بستگی دارد:

باد خیزی مکان:

نیروی برق حاصل از باد تابعی از مکعب سرعت باد می باشد. بنابراین اگر سرعت باد دو برابر شود، حجم انرژی آن هشت برابر افزایش خواهد یافت. توربین های واقع در محل هایی که سرعت متوسط باد 8 متر در ثانیه است به نسبت جاهایی که سرعت متوسط باد 6 متر در ثانیه می باشد، حدود 100- 75درصد بیشتر الکتریسیته تولید می کند چون همه انرژی اضافی قابل ذخیره نمی باشد.

میزان دسترسی به توربین های بادی:

این به معنای توانایی بهره برداری در زمان وزش باد می باشد بعبارت دیگر در دسترس بودن توربین برای عمل کردن .که این معمولا برای دستگاه های مدرن اروپایی 98% یا بیشتر می باشد.

شیوه قرار دادن توربین ها:

توربین ها در مزارع بادی به ترتیبی قرار می گیرند که یک توربین مانع رسیدن باد به توربین دیگر نشود. موضوعات مربوط به نمای زمین(زمین آرایی) نیز باید مورد ملاحظه قرارگیرد. بطور کلی توافق براین است که محل ایده آل برای یک ژنراتور توربین بادی، نوک یک تپه صاف درسطحی صاف و شفاف حداقل در جهتی که باد بیشتر می وزد، می باشد.

برخلاف آسیابهای بادی که در قرن نوزدهم رواج داشتند، یک توربین بادی مدرن تولید کننده برق طوری طراحی شده است که هر زمان باد به اندازه کافی وجود داشته باشد، برق فرکانس شبکه با کیفیت بالا را تولید کند. توربین های بادی می توانند بطور مداوم و خودکار و با میزان تعمیرات پایین با حدود 120000 ساعت عملکرد فعالانه برای طول عمر طرح شده حدود 20 سال، کارکنند. در مقایسه، یک موتور ماشین معمولی یک طول عمر طرح شده در حدود 6000 ساعت دارد.

معمولا پروانه های توربین های بادی مدرن از سه پره تشکیل شده اند که سرعت و قدرت آنها به وسیله تنظیم Stall یا Pitch کنترل می شود. تنظیمStall شامل کنترل چرخش مکانیکی پره ها بوده و تنظیم Pitch (که هم اکنون استفاده از آن متداول تر است) شامل تغییر زاویه خود پره ها می باشد. پره های چرخ گردان از مواد مرکب ساخته می شوند که از فایبرگلاس و پلی استر و اپوکسی استفاده می شود و گاهی اوقات با چوب و کربن هم ترکیب می شود.

انرژی بدست آمده از چرخش پیوسته پره ها، از طریق یک گیربکس و سیستم انتقال توان به یک ژنراتور الکتریکی منتقل می شود. متناوبا ژنراتور می تواند مستقیما با روش "رانش مستقیم " به چرخ گردان وصل شود. توربین هایی که قادرند در سرعت های مختلف کار کنند، بیش از پیش رایج هستند که این ویژگی سازش پذیری با شبکه الکتریسیته را بهبود می بخشد.

گیربکس، ژنراتور و دیگر تجهیزات کنترل، درون یک موتورخانه محافظ قرار گرفته اند. برجهای لوله ای شکلی که موتورخانه و چرخ گردان را پشتیبانی می کنند معمولا از فولاد ساخته شده اند و از پایه به طرف نوک مخروطی شکل می شوند. تمام موتورخانه و چرخ گردان به منظور رویارویی با باد شدید طوری طراحی شده اند که دایره وار حرکت کنند یا" دوران حول محور قائم".

ساخت توربین های بادی تجاری با جدیت و تلاش بیشتر در سالهای 1980 با رهبریت تکنولوژی دانمارک آغاز شد. ظرفیت ژنراتورهای توربین بادی از دستگاههای 60-20 کیلو واتی با قطر پروانه حدود 20 متربه دو مگاوات و بالاتر با قطر پروانه 90-60 متر افزایش یافته است. اکنون بزرگترین ماشینی که ساخته شده است دارای ظرفیت 4500 کیلو وات و قطر پروانه 112 متر می باشد. حتی بعضی از طرحهای آزمایشی توربین های دریایی،ژنراتورها و چرخ گردانهای بزرگتری دارند.

بهسازی مداوم در زمینه قدرت توربین های بادی صورت می پذیرد تا بیشترین میزان ممکنه انرژی را از باد بدست آورند. از جمله آنها پروانه های قدرتمند تر، پره های بزرگتر، الکترونیک انرژی پیشرفته، استفاده بهتر از مواد مرکب و برجهای بلندتر، می باشد. یکی از نتایج این است که توربین های بسیار کمتری برای کسب همان میزان بازده انرژی، مورد نیاز است و صرفه جویی در استفاده از زمین. بسته به مکان آن، یک توربین 1 مگاواتی می تواند الکتریسیته کافی برای 650 خانه را تولید کند.

بعد از آغاز سالهای 1980، برق یک توربین بادی با ضریبی بیش از 200 افزایش یافته است .

توربین های بادی بسیار قابل اطمینان هستند، و قابلیت عملکرد آنها 98% می باشد. و هیچ تکنولوژی تولید برق دیگری قابلیت استفاده بالاتری ندارد.

منابع بادی و فرانگری

منابع بادی، سوخت یک ایستگاه برق بادی می باشند و تنها تغییراتی اندک، اثرات بزرگی بر ارزش تجاری آن دارد. هر زمان که سرعت متوسط باد دوبرابر می شود، انرژی موجود در باد به صورت ضریبی از 8 افزایش می یابد، بنابراین حتی تغییرات اندک در سرعت متوسط می تواند تغییرات بزرگی در میزان کارائی ایجاد کند. به عنوان مثال اگر سرعت متوسط باد در یک مکان معین از 6 متر در ثانیه به 10 متر در ثانیه افزایش یابد، مقدار انرژی تولید شده توسط یک مزرعه بادی بیش از 130% افزایش خواهد یافت. بنابراین جزئیات و اطلاعات قابل اطمینان در مورد میزان قدرت و سمت وزش باد و اینکه چقدر باد بطور مرتب می وزد، برای هرگونه برنامه توسعه احتمالی، حیاتی و مهم می باشد. در سطح ملی و منطقه ای، اطلس های بادی اروپا تهیه گردیده است که سرعت باد مورد انتظار در مناطق خاص را ثبت می نماید. برای برخی مکانهای خاص، ارزیابی های مفصل تری مورد نیاز می باشد که از اطلاعات حاصل از ایستگاههای هوای مجاور منطقه و متخصص نرم افزار کامپیوتر برای نمونه سازی منبع بادی استفاده می گردد. سرانجام اینکه، اندازه گیری های خاص مکان، با استفاده از یک دکل باد سنج صورت می گیرد که برروی آن تعدادی بادسنج، سرعت وجهت باد را در ارتفاعات مختلف بالای زمین، اندازه گیری می کنند.

بطور کلی، تخمین زده شده است که منابع بادی قابل بهره گیری واقع در خشکی برای اتحادیه اروپا (EV-25) قادر به تولید و بازدهی 600 تراوات ساعت باشد. منبع بادی در آبهای دریایی تا 3000 تراوات ساعت ارزیابی شده است. که این به تنهایی فراتر از کل مصرف الکتریسیته کنونی اروپا خواهد بود.

مزارع بادی

محدویت ها و موانع چندی بر مکان گروهی از توربین های بادی که معمولا بعنوان یک پارک یا مزرعه بادی توصیف می شوند، تاثیر می گذارند. که شامل این موارد است: مالکیت زمین، مکان در رابطه با ساختمانها و جاده ها ، و اجتناب از مکانهایی که دارای اهمیت محیطی خاصی می باشند. هرگاه این محدودیت ها تعیین شدند، نقشه اولیه خود توربین های بادی می تواند طرح ریزی شود. هدف کلی این است که تولید الکتریسیته را به حداکثر رساند در حالی که هزینه های زیر بنایی، عملکرد و تعمیرات (O&M) و اثرات محیطی را به حداقل رساند. تخصص نرم افزار، توسعه یافته است تا تجسمی از چگونگی پدیدار شدن توربین ها در نمای زمین را ارائه نماید و توسعه دهندگان و طراحان را قادر سازد که بهترین راههای تاثیرگذار را قبل ساخت پروژه، انتخاب نمایند.

جدا از خود توربین ها، دیگر اجزا ء اصلی یک مزرعه بادی، برای پشتیبانی از برجهای توربین ، جاده های اتصالی و زیر سازه برای صدور الکتریسیته تولیدی به شبکه، بعنوان یک اصل و پایه محسوب می شوند. یک مزرعه بادی 10 مگاواتی به سهولت می تواند در عرض دو ماه ساخته شود و برق کافی برای مصرف بیش از 5000 خانه متوسط اروپایی را تولید نماید. به محض شروع به کار، می توان از راه دور یک مزرعه بادی را کنترل و نظارت نمود. یک تیم سیار با تقریبا دو پرسنل برای هر 20 تا 30 توربین، کارهای تعمیرات و نگهداری را انجام می دهند. زمان معمول تعمیرات برای یک توربین بادی مدرن تقریبا 40 ساعت در سال می باشد.

مزارع بادی می توانند از نظر اندازه از چند مگاوات تا بزرگترین مزرعه ای که تا کنون وجود داشته است- 300 مگاوات در ایالات متحده غربی، متفاوت باشند.