خط مهندسی
مجله ی آنلاین مهندسی

انرژی باد – از پیدایش باد تا تولید برق

0 121
افزایش چشمگیر تقاضای انرژی، رو به اتمام بودن منابع سوخت‌های فسیلی و بحران‌های زیست محیطی دست به دست هم داده اند تا در سال‌های اخیر زمزمه‌ی انرژی‌های تجدیدپذیر و پاک را از گوشه و کنار بشنویم. انرژی باد به عنوان یکی از منابع اصلی انرژی پاک، در کنار انرژی خورشیدی بیش از دیگر منابع انرژی مورد توجه قرار است.

در این نوشته با خط مهندسی همراه باشید تا هر آنچه درباره انرژی باد لازم است بدانید را با هم مرور کنیم.

باد چیست؟ انرژی باد از کجا می‌آید؟

باد به زبان ساده هوای در حال حرکت است. منشأ عمده‌ی انرژی باد از انرژی خورشید و حرکت زمین تامین می‌شود. (در ادامه مکانیزم‌های ایجاد باد را توضیح خواهیم داد)

باد یا همان هوای در حال حرکت، انرژی جنبشی قابل توجهی دارد. در طوفان‌های بزرگ این انرژی فوق العاده زیاد حتی باعث کندن درخت‌ها و واژگون سازی خودرو‌ها می‌شود. حال تصور کنید این انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم. (همان‌طور که در نوشته‌ی “انرژی واقعاً چیست؟” شرح داده شد، صورت‌های مختلف انرژی قابل تبدیل به یکدیگر هستند)

طبق نظر کارشناسان، ۵۰ درصد انرژی مورد نیاز جهان را می‌توان از انرژی باد تأمین کرد!

باد چگونه به‌وجود می‌آید ؟

مکانیزم کلی تشکیل باد، حرکت توده‌ی هوا از ناحیه پرفشار به ناحیه کم‌فشار است. این پدیده به دلایل مختلفی رخ می‌دهد که مهم‌ترین آن‌ها را در ادامه مشاهده خواهید کرد.

  • وزش باد‌های ساحلی

نور خورشید در تمام روز به سطح آب دریا و همچنین سطح شنی یا سنگی ساحل می‌تابد. در طول روز هوای بالای خشکی زود‌تر گرم شده و با کاهش چگالی، توده‌ی هوا به سمت بالا حرکت می‌کند. این افت فشار در ساحل باعث وزش باد از دریا به سمت خشکی می‌شود.
از طرف دیگر هنگام شب، سطح خشکی زودتر از دریا خنک می‌شود و در نتیجه آن جهت وزش باد در شب برعکس می‌شود.

چگونگی-وزش-باد

  • پیدایش-باد-با-گردش-زمیناختلاف دمای استوا و قطب‌ها

مشابه پدیده‌ی وزش بادهای ساحلی در سطح وسیع تری نیز رخ می‌دهد. در خط استوا آفتاب مستقیم می‌تابد و هوای سطح آن نسبت به عرض‌های جغرافیایی دیگر و به‌خصوص قطب‌ها، بسیار گرم تر است. پس جریان‌های هوا بین خط استوا و نواحی شمالی و جنوبی به راه می‌افتد. اگر حرکت وضعی زمین نبود این باد‌ها فقط در جهت شمال-جنوب می‌وزیدند.

  • حرکت وضعی زمین

کره زمین هر ۲۴ ساعت یکبار به دور خود می‌چرخد. حرکت وضعی زمین با ایجاد نیروی گریز از مرکز کوریولیس (دانشجویان مهندسی مکانیک در درس دینامیک با این نیرو آشنا می‌شوند) باعث ایجاد باد و تغییر جهت باد می‌شود. به‌طوری که توده‌های هوا در نیمکره شمالی به سمت راست و در نیمکره جنوبی به سمت چپ حرکت می‌کنند.

  • جاذبه زمین

جاذبه زمین باعث ایجاد فشار متعادل در اتمسفر و جلوگیری از فرار توده‌های هوا در اثر نیروی گریز از مرکز می‌شود و برآیند نیرو‌ها را متعادل می‌کند.
با این وجود در سطح زمین پدیده‌های توپوگرافی (کوه‌ها و موانع دیگر) وجود دارند که این تعادل را مختل کرده و باعث تغییر در وزش باد می‌شوند.

مزایا و معایب انرژی باد

با تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی الکتریکی و مکانیکی می‌توان از توان آن استفاده کرد. این کار (تبدیل انرژی) به وسیله‌ توربین‌های بادی انجام می‌شود که در نوشته‌های بعدی به‌طور مفصل به آن‌ها می‌پردازیم. استفاده از توربین‌های بادی مزایا و معایبی دارد که در ادامه مشاهده می‌کنید:

مزایای انرژی باد

  • انرژی باد رایگان است.
  • انرژی باد پاک است و هیچ‌گونه آلایندگی تولید نمی‌کند
  • انرژی باد نامحدود است، هیچگاه به اتمام نمی‌رسد.
  • انرژی باد را می‌توان به‌طور مستقیم استفاده کرد.
  • قابلیت استفاده از انرژی باد در مناطق دورافتاده وجود دارد.
  • در صورت وجود زیرساخت شبکه، انرژی باد توسط شبکه برق خریداری می‌شود.
  • توربین‌های بادی در مناطق بادخیز، بازدهی بیشتری نسبت به سلول‌های خورشیدی دارند.

توربین-بادی-انرژی-باد

معایب انرژی باد

  • وزش باد غیر قابل پیش‌بینی است، بنابراین به تنهایی قابل اعتماد نیست.
  • توربین‌های بادی آلودگی صوتی تولید می‌کنند.
  • امکان نصب توربین‌های بادی بزرگ در نزدیکی مناطق مسکونی وجود ندارد.
  • نصب توربین‌های بادی هزینه‌ اولیه زیادی نیاز دارد.
  • توربین‌های بادی بسیار آسیب پذیر هستند. (برخورد صاعقه، بادهای شدید و …)
  • مزارع بادی بزرگ روی محیط زیست اثرات مخربی می‌گذارند. (احتمال برخورد پرندگان، تغییرات باد و …)

تاریخچه‌ی استفاده از انرژی باد

تاریخچه-انرژی-بادچینی‌های باستان ۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح از انرژی باد برای انتقال آب استفاده می‌کردند. در قرن ۱۱ مردم خاورمیانه از آسیاب بادی برای تولید آرد و پخت غذا استفاده می کردند. بعد ها هلندی ها از این آسیاب ها به عنوان ابزاری برای تخلیه آب دریاچه ها و مرداب ها بهره بردند. در قرن ۱۹ از آسیب های بادی برای تامین آب مورد نیاز کشاورزی و دامپروری و بعد از آن برای تولید برق استفاده شد. علاوه بر این از آسیاب های بادی برای برش چوب در کارخانه های چوب بری نیز استفاده شده است.

همچنین اختراع قایق‌های بادبانی و استفاده از انرژی باد برای حرکت، تسخیر دریا‌ها توسط انسان‌ها را به دنبال داشت.
با انقلاب صنعتی و ظهور نفت و زغال سنگ، انرژی باد به فراموشی سپرده شد تا اینکه در دهه ۱۹۷۰ با به وجود آمدن مشکلات کمبود نفت، مجددا منابع مصرفی انرژی به سمت انرژی های تجدیدپذیر سوق یافت و در این راستا مجددا آسیاب های بادی مدنظر قرار گرفتند. آسیاب های بادی قدیمی تغییر شکل داده و به فرم توربین های بادی امروزی در آمدند. با استفاده از این توربین ها بشر انرژی جنبشی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. با پیشرفت علم، توان خروجی و ابعاد توربین های بادی تغییر کردند.

آسیاب بادی هزار ساله در شمال شرق ایران

مجله‌ی پرآوازه نشنال جیوگرافی گزارش جالبی از آسیاب بادی هزار و سیصد ساله تهیه کرده که در آستانه خرابی است. منطقه‌ی روستایی نشتیفان در شمال شرق ایران بسیار بادخیز است. دیواری در بالای این روستا نصب شده که انرژی باد را مهار کرده و زندگی را برای اهالی روستا ساده‌تر می‌کرده است. نبوغ ایرانی در هزار و سیصد سال پیش منجر به نصب آسیاب‌های بادی از مصالح اولیه مانند چوب روی این دیوار شده است که بعد از هزار سال هنوز به کار خود ادامه می‌دهد.

گزارش تصویری نشنال جیوگرافی از این پدیده‌ی تاریخی را با دوبله فارسی از دست ندهید :

 

منجیل شهر توربین‌های بادی در ایران

منجیل در منطقه‌ای کوهستانی در کرانه شرقی سپیدرود قرار دارد که منطقه‌ای به شدت باد خیز است. همین امر باعث شده که چندین نیروگاه بادی برای تولید برق در این شهر ساخته شود.

نیروگاه‌های بادی درواقع مراکز تولید انرژی هستند که در آن‌ها به جای استفاده از سوخت‌های فسیلی از نیروی باد استفاده می‌شود. از این رو بسیار حایز اهمیت هستند.

توربین-بادی-منجیل

ظرفیت انرژی باد در ایران

کشور ایران با مساحت ۱۶۴۸۱۹۵ کیلومتر مربع و مناطق وسیع ساحلی در شمال و جنوب، پتانسیل بسیاری برای بهره‌برداری از انرژی باد دارد.

پتانسیل ایران برای استفاده از انرژی باد بیش از صد هزار مگاوات (۱۰۰ گیگا‌وات) برآورد شده است.

به گزارش سازمان انرژی‌های تجدیدپذیر و بهره‌برداری انرژی برق (ساتبا) :

نواحی شرقی و جنوب شرقی دارای آب و هوای بیابانی با تغییرات قابل ملاحظه دما در طول روز است. برای اینکه بتوان از منابع باد موجود جهت تولید برق استفاده نمود، وجود اطلاعات باد قابل اعتماد در خصوص پتانسیل باد منطقه مورد نظر جهت احداث نیروگاه بادی ضروری است.
 در ایران با توجه به وجود مناطق بادخیز، بستر مناسبی جهت گسترش بهره برداری از توربین های بادی فراهم می باشد. یکی از مهمترین پروژه های انجام شده در زمینه انرژی بادی تهیه اطلس بادی کشور بوده است که پروژه مذکور در سازمان انرژیهای نو ایران صورت گرفته و به عنوان یکی از پروژه های ملی در صنعت انرژی باد محسوب می گردد.
 طبق اطلس بادی تهیه شده و بر اساس اطلاعات دریافتی از ۶۰ ایستگاه و در مناطق مختلف کشور، میزان ظرفیت اسمی سایتها در حدود ۶۰۰۰۰ مگاوات می باشد. بر پایه پیش بینی های صورت گرفته، میزان انرژی قابل استحصال بادی کشور از لحاظ اقتصادی بالغ بر ۱۸۰۰۰ مگاوات تخمین زده می شود که موید پتانسیل قابل توجه کشور در زمینه احداث نیروگاههای بادی و همچنین اقتصادی بودن سرمایه گذاری در صنعت انرژی بادی می باشد.

در انجام پروژه پتانسیل سنجی بادی در ایران شرکت لامایر آلمان نیز به عنوان مشاور همکاری داشته است و بر اساس مطالعات شرکت مذکور پتانسیل بادی قابل استحصال در کشور در حدود ۱۰۰ هزار مگاوات برآورد گردیده است.

رقابت انرژی باد با سوخت‌های فسیلی

در حال حاضر نیروگاه‌های حرارتی مخصوصاً در کشور نفت خیز ایران مقرون‌به‌صرفه‌تر از مزرعه‌های بادی هستند. اما با توجه به مضرات زیست محیطی و رو به اتمام بودن منابع سوخت فسیلی حتی برای ایران نیز، استفاده از انرژی باد ضروری و لازم است.

آلکس مورگان، تحلیل‌گر انرژی در اقتصاد انرژی‌های جدید در بلومبرگ گفته است که در ۱۰ سال آینده، انرژی بادهای ساحلی آن‌قدر ارزان خواهد شد که با نیروگاه‌های برق فسیلی رقابت خواهد کرد. این امر خیلی مهم است که منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی بادی به‌صرفه‌تر و ارزان‌تر شوند؛ زیرا تغییرات اقلیمی روزبه‌روز به مشکلی بزرگ‌تر تبدیل می‌‌شود. توسعه‌هایی از این دست به ما نشان می‌‌دهند که چگونه سرمایه‌گذاری در انرژی‌های تجدیدپذیر رو به جلو حرکت می‌‌کند.

توربین-بادی-و-نیروگاه-حرارتی

توربین‌های بادی در دریا‌ها

باد های قدرتمندی در دریا‌ها می‌وزند و با مهار آن‌ها امکان دستیابی به منبع عظیمی از انرژی مهیا می‌‌شود. از طرفی فضای دریا‌ها از مناطق مسکونی دور است و اعتراضی به صدای زیاد توربین‌های بادی و منظره آن‌ها وجود نخواهد داشت.
هم اکنون در آمریکا و اروپا مزارع بادی در دریا‌ها مورد بهره‌برداری قرار گرفته اند. در ژاپن نیز بعد از واقعه‌ی فوکوشیما، نصب توربین‌های بادی در دریا‌ها قوت گرفت.

توربین-بادی-معلق-در-آسمانمزارع بادی در آسمان

به نقل از سایت کانون :

محققان نوع جدیدی از توربین بادی ساخته اند که در ارتفاعات بالا شناور شده و برق تولید می کند.

 قدرت باد در ارتفاعات قوی و ثابت تر است و همین امر موجب شد توربین هوایی شناور  (Buoyant Air Turbine (BAT مرتفع ترین توربین بادی جهان لقب گیرد.

این توربین جدید که ساخته دست پژوهشگران دانشگاه فناوری ماساچوست است در واقع نوعی بادکنک است که از گاز هلیوم پر شده و توربین در وسط آن قرار دارد.

این توربین جدید در ارتفاع ۱۵۲ متری زمین با باد دارای سرعت ۴۵ مایل بر ساعت آزمایش شده است.
سازندگان این توربین می گویند می توان از آن برای تولید برق در مناطق دور افتاده و مناطق اضطراری استفاده کرد.

بر اساس شواهد و برنامه‌ریزی های جهانی، به نظر می رسد توربین‌های بادی بعد از سطح زمین، به تسخیر آسمان‌ها و دریا‌ها روی می آورند.

به هرحال زندگی مدرن شهری انرژی زیادی می‌طلبد که نیاز به منابع انرژی پاک و رایگان را بیش از پیش به ما گوشزد می‌کند.

نظر شما چیست؟ ایده‌های خود را درباره انرژی باد با ما به اشتراک بگذارید!

جمع‌آوری و نگارش: خط مهندسی
منبع: خط مهندسی