کاربردهای انرژی بادی در صنعت

انرژی خورشیدی

 Wind power

انرژی باد از منابع انرژی تجدید پذیر محسوب می گردد و نوعی انرژی خورشیدی به شمار می رود. کلمه انرژی بادی در واقع فرایندی را توصیف می نماید که طی آن از باد برای تولید نیروی مکانیکی یا الکتریکی استفاده می شود. انرژی بادی یک منبع سوختی پاک است. انرژی باد مانند سوخت های فسیلی همچون زغال سنگ یا گاز طبیعی باعث انتشار ذرات، اکسید نیتروژن و دی اکسید گوگرد و آلوده شدن هوا نمی شود، در حالی که این سوخت ها خسارات زیادی به سلامت انسان و اقتصاد وارد می کنند، به علاوه توربین های بادی گازهای گلخانه ای یا باران اسیدی تولید نمی کنند. منشأ باد یک موضوع پیچیده‌است. از آنجا که زمین به‌طور نامساوی به وسیله نور خورشید گرم می‌شود بنابراین در قطب‌ها انرژی گرمایی کمتری نسبت به مناطق استوایی وجود دارد همچنین در خشکی‌ها تغییرات دما با سرعت بیشتری انجام می‌پذیرد و بنابراین خشکی‌های زمین نسبت به دریاها زودتر گرم و زودتر سرد می‌شوند. این تفاوت دمای جهانی موجب به وجود آمدن یک سیستم جهانی تبادل حرارتی خواهد شد که از سطح زمین تا هوا ، مانند یک سقف مصنوعی عمل می‌کند، ادامه دارد. بیشتر انرژی که در حرکت باد وجود دارد را می‌توان در سطوح بالای جو پیدا کرد هرجا که سرعت مداوم باد به بیش از ۱۶۰ کیلومتر در ساعت می‌رسد و سرانجام باد انرژی خود را در اثر اصطکاک با سطح زمین و جو از دست می‌دهد.

این انرژی یک منبع انرژی بومی و پایدار است و تا زمانی که خورشید در آسمان می درخشد می توان از آن استفاده نمود.

تبدیل انرژی باد به نوعی مفید از  انرژی الکتریکی (با استفاده از توربین‌های بادی)، انرژی مکانیکی (مثلاً در آسیاب‌های بادی یا پمپ‌های بادی) یا پیش‌رانش قایق‌ها و کشتی‌ها و یا در قایق‌های بادبانی) است. در آسیاب‌های بادی از انرژی باد مستقیماً برای خرد کردن دانه‌ها یا پمپ کردن آب استفاده می‌شود. توربین های بادی را می توان در مزارع قرار داد، این مسئله به خصوص در مناطق روستایی که بهترین مکان های وزش باد هستند برای اقتصاد مفید بوده زیرا کشاورزان و دامداران می توانند به کار خود در مزارع ادامه دهند در حالی که توربین های بادی هم بخشی از زمین آن ها را اشغال کرده و صاحبان نیروگاه های بادی اجاره بهای آن را به کشاورزان پرداخت می نمایند. در پایان سال ۲۰۱۰، میزان ظرفیت نامی تولید برق بادی در سراسر جهان برابر ۱۹۷ گیگاوات بود. امروزه توان بادی در دنیا ظرفیت تولید سالانه ۴۳۰ تراوات ساعت انرژی الکتریکی را دارد که این میزان، ۲٫۵٪ مصرف برق دنیاست.در ۵ سال گذشته، رشد متوسط سالانه در توان بادی دنیا ۲۷٫۶٪ بوده و انتظار می‌رود که سهم باد در تولید انرژی الکتریکی دنیا تا سال ۲۰۱۳ به ۳٫۳۵٪ و تا سال ۲۰۱۸ به ۸٪ برسد.

قدیمی‌ترین روش استفاده از انرژی باد، به ایران باستان بازمی‌گردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو یا چرخ چاه را به گردش درآورده و از چاه‌های آب خود، آب را به سطح مزارع برسانند. احتمالاً نخستین ماشین بادی توسط ایرانیان باستان ساخته شده‌است و یونانیان برای خرد کردن دانه‌ها و مصریها، رومی‌ها و چینی‌ها برای قایقرانی و آبیاری از انرژی باد استفاده کرده‌اند. و منابع فسیلی مانند نفت و گاز تجدید ناپذیر بوده و روزی به پایان می‌رسند، باد به عنوان یک منبع انرژی پاک محسوب شده و هزینه تولید برق به وسیله آن کمتر از تولید برق با استفاده از سوخت‌های فسیلی است و همچنین آلودگی و گاز گلخانه ای کمتری تولید می‌کند. نیروگاه‌های بادی به دلیل متغیر بودن وزش باد به صورت مداوم قادر به تولید برق نیستند. برای استفاده از انرژی بادی و تولید برق، از توربین استفاده می‌شود. توربین سه پره ای مرسوم‌ترین توربین بادی می‌باشد. بسیار از کشورها به این انرژی روی آورده‌اند. کشور آمریکا رتبه نخست استفاده از انرژی باد و تبدیل آن به برق را در اختیار دارد.

کشورهای دانمارک با ۲۱٪، پرتغال با ۱۸٪، اسپانیا با ۱۶٪، ایرلند با ۱۴٪ و آلمان با ۹٪ا ز نظر درصد تولید برق بادی از کل تولید انرژی الکتریکی در جایگاه‌های نخست قرار دارند. در سال ۲۰۱۱، ۸۳ کشور در دنیا از توان بادی برای تولید برق استفاده کرده‌اند. انرژی بادی در مقادیر زیاد در مزارع بادی تولید و به شبکه الکتریکی متصل می‌شود. از توربین‌ها در تعداد کم معمولاً فقط برای تأمین برق در مناطق دور افتاده استفاده می‌شود. باد یکی از شاخصه‌های اصلی انرژی خورشیدی و هوای متحرک است که از تابش خورشید که از خارج به اتمسفر می‌رسد به انرژی بادی تبدیل می‌شود. اما از جمله دلایل تمایل کشورها برای افزایش ظرفیت تولید برق بادی مزایای بسیار زیاد این روش تولید انرژی الکتریکی است، چراکه انرژی بادی تجدیدپذیر و پاک محسوب می‌شود و در همه جای دنیا وجود دارد، همچنین اسنفاده از آن در مقایسه با استفاده از انرژی سوخت‌های فسیلی، میزان کمتری گاز گلخانه‌ای منتشر می‌کند.

در قرن ۱۳ این فناوری توسط سربازان صلیبی به اروپا برده شد و هلندی‌ها فعالیت زیادی در توسعه دستگاه‌های بادی داشتند، به‌طوری‌که در اواسط قرن نوزدهم در حدود ۹ هزار ماشین بادی به منظورهای گوناگون مورد استفاده قرار می‌گرفته‌است. در زمان انقلاب صنعتی در اروپا استفاده از ماشین‌های بادی رو به کاهش گذاشت. استفاده از انرژی باد در ایالات متحده از سال ۱۸۵۴ شروع شد. از این ماشین‌ها بیشتر برای بالا کشیدن آب از چاه‌های آب و بعدها برای تولید الکتریسیته استفاده شد. بزرگترین ماشین بادی در زمان جنگ جهانی دوم توسط آمریکائی‌ها ساخته شد.در شوروی سابق در سال ۱۹۳۱ ماشینی بادی با محور افقی بکار انداختند که انتظار می‌رفت ۱۰۰ کیلو وات برق به شبکه بدهد. ارتفاع برج ۲۳ متر و قطر پره‌ها ۳۰٫۵ متر بود.

یک برآورد کلی این‌گونه می‌گوید که ۷۲ تراوات (TW) انرژی باد بر روی زمین وجود دارد که پتانسیل تبدیل به انرژی الکتریکی را دارد و این مقدار قابل افزایش نیز هست.

مزایای انرژی بادی

بسیاری از کشورها به دلیل بیشتر بودن بادها در دریا و اقیانوس، مزارع بادی خود را در میان آب‌ها ایجاد کرده‌اند. از آنجایی که انرژی باد در زمستان (که در این فصل بهره‌وری انرژی خورشیدی کمتر است) با توجه به وزش باد بیشتر می‌باشد و همین وزش شدید باعث می‌شود که الکتریسیته بیشتری تولید گردد، بنابراین استفاده از انرژی باد در زمستان بسیار به صرفه است.

انرژی باد آلودگی ایجاد نمی‌کند و جزء انرژی‌های تجدید پذیر می‌باشد و هزینه این انرژی به مراتب کمتر از هزینه الکتریسیته تولید شده توسط زغال سنگ و شکافت هسته‌ای می‌باشد.

توان پتانسیل یک توربین بادی

انرژی موجود در باد را می‌توان با عبور آن از داخل پره‌های و سپس انتقال گشتاور پره‌ها به روتور یک ژنراتور استخراج کرد. در این حالت میزان توان تبدیلی با تراکم باد، مساحت ناحیه جاروب شده توسط پره و مکعب سرعت باد بستگی دارد. به این ترتیب میزان توان قابل تبدیل در باد را می‌توان به این ترتیب به دست آورد.

که در این فرمول P توان تبدیلی به وات، α ضریب بهره‌وری (که به طراحی توربین وابسته‌است)، ρ تراکم باد بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب، r شعاع پره‌های توربین برحسب متر و v سرعت باد برحسب متر بر ثانیه‌است. زمانی که توربین انرژی باد را می‌گیرد سرعت باد کم خواهد شد که این خود باعث جدا شدن باد می‌شود. آلبرت بتز (Albert Betz) فیزیکدان آلمانی در ۱۹۱۹ اثبات کرد که یک توربین حداکثر می‌تواند ۵۹ درصد از انرژی بادی را که در مسیر آن می‌وزد را استخراج کند و به این ترتیب α در معادله بالا هرگز بیشتر از ۰٫۵۹ نخواهد شد.

در نتیجه : حجم هوایی که از منطقه جاروب شده توسط پره‌ها عبور می‌کند به میزان سرعت باد و چگالی هوا وابسته‌است. برای مثال در روزی سرد با دمای ۱۵ درجه سانتی‌گراد (۵۹ درجه فارنهایت) در سطح دریا، چگالی هوا برابر ۱٫۲۲۵ کیلوگرم بر متر مکعب است. در این حالت عبور بادی با سرعت ۸ متر بر ثانیه در روتوری به شعاع ۱۰۰ متر تقریباً موجب عبور ۷۷٬۰۰۰ کیلوگرم باد در منطقه جاروب شده توسط پره‌ها خواهد شد. انرژی جنبشی حجم مشخصی از هوا به مجذور سرعت آن وابسته‌است و از آنجایی که حجم هوای عبور از توربین به صورت خطی با سرعت رابطه دارد، میزان توان قابل دسترسی در یک توربین با مکعب سرعت نسبت مستقیم دارد. مجموع توان در مثال بالا در توربینی با شعاع جاروب ۱۰۰ متر برابر ۲٫۵ مگاوات است که بر طبق قانون بتز بیشترین میزان انرژی استخراج شده از آن تقریباً برابر ۱٫۵ مگاوات خواهد بود.

چگونگی تولید انرژی باد

باد در واقع به دلیل تفاوت فشار هوا بین مکان های مختلف ایجاد می گردد، یک بادکنک را در نظر بگیرید، همان طور که می دانید فشار هوای داخل بادکنک باد کرده بیشتر از فشار هوای اطراف آن است، اگر سوراخی روی بادکنک ایجاد کنیم هوا از داخل (ناحیه پر فشار) به بیرون آن (ناحیه کم فشار) جریان می یابد و باعث ایجاد باد می شود. میزان گرمای خورشید در قسمت های مختلف کره زمین متفاوت است، برخی نواحی گرم تر و برخی سردتر هستند و همان طور که می دانید هوای گرم سبک تر و کم فشارتر از هوای سرد است، این تفاوت فشار و حرکت هوا از نواحی پر فشار یعنی سردتر به نواحی کم فشار یعنی گرم تر باد تولید می کند.و وزش باد که در اثر اختلاف فشار در ناحیه بزرگ (بیش از حدود 100 کیلومتر) ایجاد می شود مستقیما – مانند مثال بادکنک – از ناحیه با فشار زیاد به ناحیه کم فشار جریان نمی یابد بلکه وزش باد در اطراف نواحی کم فشار در نیمکره شمالی در خلاف جهت عقربه های ساعت و در نیمکره جنوبی در جهت عقربه های ساعت می باشد. این موضوع به دلیل چرخش زمین است که نیرویی به نام کوریولیس ایجاد کرده و باد را از مسیر خود منحرف می کند، این انحراف در نیمکره شمالی به سمت راست و در نیمکره جنوبی به سمت چپ می باشد.

کاربردهای انرژی بادی

انرژی بادی مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر، از نظر جغرافیایی گسترده و در عین حال به صورت پراکنده تقریباً همیشه در دسترس می باشد. هزاران سال است که انسان ها با استفاده از آسیاب های بادی، تنها جزء بسیار کوچکی از آن را استفاده می کند. این انرژی تا پیش از انقلاب صنعتی به عنوان یک منبع انرژی، به طور گسترده مورد بهره برداری قرار می گرفت، ولی در دوران انقلاب صنعتی استفاده از سوخت های فسیلی به دلیل ارزانی و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرژی باد شد. تا این که در سال های ۱۹۷۳ و ۱۹۷۸ دو شوک بزرگ نفتی، ضربۀ بزرگی به اقتصاد انرژی های حاصل از نفت و گاز وارد کرد به طوری که باعث ایجاد تمایلات جدیدی در زمینۀ کاربرد تکنولوژی باد جهت تولید برق متصل به شبکه، پمپاژ آب و تأمین انرژی الکتریکی نواحی دور افتاده شد. همچنین در سال های اخیر، مشکلات زیست محیطی و مسائل مربوط به تغییر آب و هوای کرۀ زمین به علت استفاده از منابع انرژی فسیلی بر شدت این تمایلات افزوده است. در سال ۱۹۸۰ اولین توربین برق بادی متصل به شبکۀ سراسری نصب گردید. بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعۀ برق بادی چند مگاواتی در آمریکا نصب و به بهره برداری رسید. در پایان سال ۱۹۹۰ ظرفیت توربین های برق بادی متصل به شبکه در جهان به ۲۰۰MW رسید که توانایی تولید سالانه ۳۲۰۰Gwh برق را داشته که تقریباً تمام این تولید مربوط به ایالت کالیفرنیای آمریکا و کشور دانمارک بود. امروزه کشورهای دیگر نظیر هلند، آلمان، بریتانیا، ایتالیا و هندوستان برنامه های ملی و ویژه ای را در این راستا آغاز کرده اند به طوری که آلمان با تولید بیش از ۱۸۰۰۰ مگاوات برق سعی دارد بیشترین استفاده را از این انرژی تجدیدپذیر ببرد.

تولید برق

یکی از مهم ترین کاربردهای انرژی باد تولید برق است. برای این کار از توربین بادی استفاده می شود که انرژی باد را به کنترل خود در آورده و با حرکت پره های توربین، یک ژنراتور شروع به چرخش کرده و برق تولید می کند. توربین های بادی انرژی جنبشی موجود در باد را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و از آن برای انجام کارهای خاص مانند آسیاب کردن غلات یا پمپاژ آب استفاده می کنند، این انرژی از طریق ژنراتور به انرژی الکتریکی یا برق نیز تبدیل می شود.

محبوبیت انرژی باد به خصوص از زمانی که اولین توربین مولد برق ساخته شد دو چندان شد. اولین توربین بادی برای تولید برق در سال 1887 توسط جیمز بیلی ساخته شد، او از برق تولید شده از این طریق برای روشن کردن ویلای تعطیلات خود استفاده کرد. امروزه در مزارع زیادی در نقاط مختلف دنیا از توربین های بادی برای تامین برق میلیون ها خانه استفاده می شود.

ورزش های بادی

یکی از لذت بخش ترین کاربردهای انرژی بادی در برخی فعالیت های ورزشی از جمله باد سواری، قایق رانی، قایق رانی روی زمین، کایتینگ و کایت باگی است که همگی به قدرت باد متکی هستند.ممکن است تصور کنید ورزش هایی مانند چتربازی نیز از انرژی باد استفاده می کنند اما این طور نیست، این ورزش ها به عنوان ورزش های هوایی دسته بندی شده اند که لزوما از انرژی باد برای حرکت استفاده نمی کنند.

در حمل و نقل

هزاران سال است که در تمدن های مختلف از انرژی باد برای قایق رانی استفاده می شده و محققان بر این باورند که قایق رانی از 5 هزار سال قبل از میلاد وجود داشته است. امروزه نیز کشتی های بزرگ و کوچک و قایق های زیادی هستند که دارای بادبان بوده و با نیروی باد حرکت می کنند.اما طی سال های اخیر بعضی از کمپانی های کشتی رانی مدرن دوباره به استفاده از انرژی باد روی آورده اند و استفاده از این انرژی در سفرهای طولانی برخی کشتی ها باعث کاهش 30 درصدی مصرف سوخت شده است.

در پمپاژ آب

از انرژی باد و با کمک یک پمپ بادی برای پمپاژ آب استفاده می شود. پمپ های بادی ظاهری شبیه آسیاب های بادی سنتی دارند اما به جای آسیاب کردن غلات آب را پمپاژ می کنند و همچنین در طول تاریخ برای زه کشی زمین کاربرد داشته اند. مانند آسیاب های بادی، پمپ های بادی نیز با آمدن موتورهای برقی از رونق افتادند.

تولید مواد غذایی

در گذشته از انرژی باد به طور سنتی برای تولید مواد غذایی استفاده می شده که از آن جمله می توان به تهیه آرد اشاره کرد. قبل از انقلاب صنعتی آسیاب های بادی در نقاط مختلف جهان به صورت گسترده برای آسیاب کردن غلات و تولید آرد نان استفاده می شدند، اگرچه امروزه با پیشرفت تکنولوژی و با کمک برق و موتورهای مخصوص دیگر نیاز به سازه هایی همچون آسیاب بادی نمی باشد.

مزایای انرژی بادی

انرژی بادی علاوه بر کاربردهای ذکر شده مزایای مختلفی نیز دارد، از جمله:

مقرون به صرفه بودن این انرژی و از آن جا که برق حاصل از مزارع بادی در طول سال های متمادی  حتی 20 سال  به یک قیمت ثابت فروخته می شود انرژی باد نوسانات شدید قیمت را کاهش می دهد. باد باعث ایجاد شغل می شود، به عنوان مثال در سال 2016 بیش از 100 هزار کارگر در بخش انرژی بادی ایالات متحده استخدام شدند و تخصص تکنسین توربین های بادی یکی از رو به رشد ترین شغل های آمریکا در دهه گذشته بوده است. و نیز تا سال 2050 انرژی باد می تواند بیش از 600 هزار شغل در زمینه های مختلف تولید، نصب، نگهداری و پشتیبانی از دستگاه های بادی ایجاد کند.

معایب انرژی باد

یکی از مسائل مهم در ناکارآمدی انرژی باد مسئله زیست‌محیطی می‌باشد، با توجه به اینکه این مولدهای برق دارای ظاهر ناخوشایند و نسبت به دیگر انرژی‌های پاک دارای سر و صدای بالای هستند زندگی حیوانات را تحت تأثیر قرار می‌دهند و ظاهر محیط زیست را خراب می‌کنند.

اگرچه هزینه انرژی باد طی 10 سال گذشته کاهش چشمگیری یافته است اما این فناوری به سرمایه گذاری اولیه بالاتری نسبت به سوخت های فسیلی نیاز دارد. مراکز بادی خوب اغلب در مزارع دور افتاده و به دور از شهرهایی که برق آن ها را تامین می کنند قرار دارند، برای انتقال این برق از مزرعه بادی به شهر باید خطوط انتقال احداث شود اگرچه با روش هایی می توان این هزینه را کاهش داد. توسعه منابع بادی در زمین های کشاورزی ممکن است سود آورترین روش برای کشاورزان نباشد، گاهی کشاورزان می توانند از زمین خود برای مواردی با ارزش تر از تولید برق استفاده کنند.

پره های توربین ممکن است به حیات وحش محلی آسیب برساند، مثلا پرندگان با پرواز در اطراف این توربین های چرخنده کشته می شوند، اگرچه بسیاری از این مشکلات با توسعه فناوری یا احداث درست نیروگاه های بادی تا حدی برطرف شده یا کاهش یافته است.