فارغ التحصیلان شبکه های انتقال و توزیع

تاریخچه

قدیمی‌ترین روش استفاده از انرژی باد، به ایران باستان باز می‌گردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو (دولاب) یا چرخ چاه را به گردش درآورده و از چاه‌های آب خود، آب را به سطح مزارع برسانند.

انرژی باد

از آنجایی که زمین به طور 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 خشکی‌ها 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 کره، که مانند یک سقف مصنوعی عمل می‌کند، ادامه دارد. بیشتر انرژی که در حرکت باد وجود دارد را می‌توان در سطوح بالای جو پیدا کرد جایی که سرعت مداوم باد به بیش از ۱۶۰ کیلومتر در ساعت می‌رسد در سطوح پایینی باد انرژی خود را در اثر اصطکاک با سطح زمین و جو از دست می‌دهد. از آنجاییکه بیشتر توان تولیدی در سرعت بالای باد تولید می‌شود. نیمی از انرژی تولیدی تنها در ۱۵٪ از زمان کارکرد توربین تولید می‌شود و در نتیجه نیروگاه‌های بادی مانند نیروگاه‌های سوختی دارای تولید انرژی پایداری نیستند. تأسیساتی که از برق بادی استفاده می‌کنند باید از ژنراتورهای پشتیبانی برای مدتی که تولید انرژی در توربین بادی پایین است استفاده کنند. 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 می باشد.

توان پتانسیل توربین

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 وابسته ‌است)، ρ تراکم باد بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب، r شعاع پره‌های توربین برحسب متر و v سرعت باد برحسب متر بر ثانیه ‌است.

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.

آمار جهانی و صنعت باد

در جهان هزاران توربین بادی در حال بهره‌برداری وجود دارد که ظرفیت تولیدی آن ها به ۷۳٫۹۰۴ مگاوات می‌رسد و در این میان اتحادیه اروپا ٪۶۵ از کل توان بادی جهان را تولید می‌کند. تولید برق بادی در میان دیگر روش‌های تولید انرژی الکتریکی دارای بیشتری شتاب رشد در قرن ۲۱ بوده‌ است به طوری که تولید توان بادی جهان در بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۶ چهار برابر شده ‌است. گرچه ٪۸۱ از توان بادی تولید شده در جهان به ایالات متحده و اتحادیه اروپا تعلق دارد اما سهم پنج کشور اول تولید کننده برق بادی از ٪۷۱ در سال ۲۰۰۴ به ٪۵۵ در سال ۲۰۰۵ کاهش یافته ‌است.

انجمن جهانی انرژی بادی پیش‌بینی کرده است که در سال ۲۰۱۰ ظرفیت تولیدی برق بادی به ۱۶۰ گیگاوات برسد. با توجه به میزان تولید کنونی ۷۳٫۹ مگاوات این رقم پیش‌بینی یک رشد ٪۲۱ را در هر سال نشان می‌دهد.

کشور دانمارک یکی از کشورهای برجسته در تولید تجهیزات و استفاده از توان بادی است. دولت دانمارک در دهه ۱۹۷۰ ملزم شد تا تولید انرژی الکتریکی از انرژی باد را به ٪۵۰ کل تولید برق برساند و تا به امروز برق بادی ٪۲۰ (بیشترین میزان تولید برق بادی از نظر درصد تولید) از کل تولید انرژی الکتریکی در این کشور را تشکیل می‌دهد؛ این کشور هچنین پنجمین تولید کننده بزرگ برق بادی محسوب می‌شود (در حالی که دانمارک از نظر میزان مصرف در جهان رتبه ۵۶ را دراست). آلمان و دانمارک دو کشور پیشتاز در زمینه صادرات توربین‌های بزرگ (۰٫۶۶ تا ۵ مگاوات) به حساب می‌آیند.

آلمان یکی از کشورهای پیشتاز در زمینه تولید برق بادی بوده ‌است به طوری که در سال ۲۰۰۶ این کشور ٪۲۸ از کل توان بادی تولید شده در جهان (٪۷٫۳در آلمان) را به خود اختصاص داده ‌است. این در حالی است که آلمان برنامه دارد تا سال ۲۰۱۰ ، ٪۱۲٫۵ از کل توان تولیدی خود را از منابع تجدیدپذیر تامین نماید. کشور آلمان دارای حدود ۱۸۶۰۰ توربین بادی است که بیشتر آن ها در شمال آلمان نصب شده‌اند که در این میان سه توربین از بزرگترین توربین‌های جهان نیز وجود دارند.

در سال ۲۰۰۵ دولت اسپانیا قانونی را تصویب کرد که بر طبق آن نصب ۲۰۰۰۰ مگاوات ظرفیت بادی تا سال ۲۰۱۲ در برنامه دولت قرار گرفت. در سال ۲۰۰۵ در هر دو کشور آلمان و اسپانیا تولید انرژی الکتریکی از راه استفاده از نیروگاه‌های بادی از تولید انرژی الکتریکی به وسیله نیروگاه‌های برق آبی بیشتر بود.

در سال‌های اخیر ایالات متحده از هر کشور دیگری بیشتر توربین بادی به شبکه برق خود افزوده ‌است. تولید برق بادی در ایالات متحده در بازه زمانی بین فوریه ۲۰۰۶ تا فوریه ۲۰۰۷، ٪ ۳۱٫۸ رشد را نشان می‌دهد. ایالت تگزاس با پیشی گرفتن از کالیفرنیا اکنون بیشترین تولید برق بادی را دربین ایالت‌های مختلف این کشور دارد. تگزاس در سال ۲۰۰۹ نزدیک به٪ ۱۷ برق خود را از باد بدست آورد و تگزاس اکنون بزرگترین مزرعه بادی جهان را با ۷۸۲ مگاوات ظرفیت در روستایی بنام راسکو در اختیار دارد.

استفاده از زمین و مزایا

توربین‌های بادی باید ده برابر قطرشان در راستای باد غالب و پنج برابر قطرشان در راستای عمودی از هم فاصله داشته باشند تا کمترین تلفات حاصل شود. در نتیجه توربین‌های بادی تقریباً به ۰٫۱ کیلومترمربع مکان خالی به ازای هر مگاوات توان نامی تولیدی نیازمند هستند. معمولا برای نصب این توربین‌ها نیازی به پاکسازی درختان منطقه نیست. کشاورزان می‌توانند برای ساخت این توربین‌ها زمین‌های خود را به شرکت‌های سازنده اجاره می‌دهند. در ایالات متحده کشاورزان حدود ۲ تا ۵ هزار دلار به ازای هر توربین در هر سال دریافت می‌کنند. زمین‌ها مورد استفاده قرار گرفته برای توربین‌ها بادی همچنان می‌توانند برای کشاورزی و چرای دام مورد استفاده قرار بگیرند چراکه تنها ٪۱ از زمین برای ساخت پی توربین و راه دسترسی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به عبارت دیگر ٪۹۹ زمین هنوز قابل استفاده ‌است.

بررسی اقتصادی استفاده از انرژی باد

در ارزیابی نیروگاه های بادی، هزینه ها و درآمدهای طرح، مدت زمان برگشت سرمایه، قیمت انرژی الکتریکی تولیدی و نرخ بازده داخلی سرمایه، شاخص های نهایی برای مقایسه کامل مؤلفه های مختلف می باشند. از آنجا که برای گسترش سیتسم عرضه انرژی الکتریکی توسعه پایدار را تعقیب می کنیم باید تمام هزینه ها و منافع اجتماعی هر مولد را مد نظر قرار دهیم. باید در نظر داشت از بین صرفه های اقتصادی و غیر اقتصادی تنها هزینه دفع آلاینده های زیست محیطی و تصفیه گازهای مضر متصاعد از نیروگاه های فسیلی می تواند بصورت کمی در محاسبات وارد شود. این هزینه ها در واقع در برگیرنده تمام اثرات زیست محیطی آلاینده ها در کوتاه مدت و بلند مدت از قبیل تولید SOx و NOx و COx و هیدروکربورها و سایر گازهای سمی، آلودگی آب و خاک و ایجاد باران های اسیدی و تولید گازهای گلخانه ای می باشند.

در ضمن هزینه تولید برق از انرژی باد در دو دهه گذشته بطور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است. برق تولید شده توسط انرژی باد در سال 1975، 30 سنت برای هر کیلووات ساعت بوده اما اکنون به کمتر از 5 سنت رسیده است. توسعه توربین های جدید قیمت را نیز کمتر خواهند کرد.

در چند سال اخیر با بزرگ تر شدن سایز توربین های تجاری، قیمت سرمایه گذاری آن ها کاهش یافته است. صنعت انرژی باد منافع اقتصادی و اجتماعی مختلفی را به همراه دارد که از جمله مهم ترین آن ها عبارتند از:

• - نداشتن هزینه های اجتماعی. این هزینه ها در تمام گزینه های متعارف انرژی (فسیلی) وجود دارند، لیکن علیرغم مبالغ قابل توجه آن ها معمولاً در بررسی های اقتصادی لحاظ نمی شوند. انجمن انرژی باد جهان (WWEA) این هزینه ها را به کوه یخی تشبیه کرده است که حجم عظیم و ناپیدای آن در زیر آب قرار می گیرد.

• - کاهش اتکاء به منابع انرژی وارداتی. این مسئله یکی از مهم ترین دلایل رویکرد کشورهای صنعتی به انرژی های تجدید پذیر و انرژی باد است، لکن در کشورهای تولید کننده نفت نظیر ایران نیز از جنبه دیگری می توان به آن نگریست و آن افزایش فرصت صادرات است.

• - تقویت ساختار اجتماعی و اقتصادی مناطق روستایی. به دلیل ماهیت انرژی باد که به تولید غیرمتمرکز و اغلب به نقاط دور افتاده و روستایی می پردازد، توسعه این صنعت چه در کشورهای سرمایه داری و پیشرفته و چه در کشورهای در حال توسعه تحولات و پیشرفت های آشکاری را در مناطق روستایی به دنبال خواهد داشت.

• - اشتغال زایی. ایجاد شغل این صنعت در میان دیگر صنایع انرژی از همه بیشتر است. در اروپا نصب یک مگاوات برق بادی برای 15 الی 19 نفر شغل ایجاد می کند که این رقم در کشورهای در حال توسعه به راحتی می تواند دو برابر شود.

در کشورمان ایران علیرغم اینکه مشاهده می شود با در نظر گرفتن هزینه های خصوصی نیروگاه های بادی و فسیلی، توسعه نیروگاه های بادی برای تولید برق هم اکنون در حال اقتصادی شدن می باشد ولی اگر هزینه های اجتماعی نیروگاه های فسیلی که در برگیرنده اثرات برون زایی منفی است مبنای مقایسه قرار گیرد هزینه تولید در مولدهای بادی کمتر از فسیلی خواهد بود و برق حاصل از آن می تواند به عنوان یک انرژی پایدار در توسعه اقتصادی – اجتماعی کشور مورد استفاده قرار گیرد

آینده انرژی باد در ایران

بازار تأمین انرژی یک بازار رقابتی است که در آن تولید برق در نیروگاه های بادی در مقایسه با نیروگاه های سوخت-های فسیلی برتری های نوینی را پیش روی کاربران قرار داده است. از برتری های نیروگاه های بادی این است که در طول مدت زمان عمر خود، سال های زیادی انرژی را بدون نیاز به هزینه سوخت تولید خواهد کرد، در حالی که هزینه دیگر منابع تولید انرژی در طول این سال ها افزایش خواهد یافت.

فعالیت گسترده بسیاری از کشورهای جهان برای تولید الکتریسیته از انرژی باد، سرمشقی برای دیگر کشورهایی است که در این زمینه راه درازی در پیش دارند. بسیاری از منابع اقتصادی در حال رشد، در منطقه آسیا واقع شده اند و اقتصاد رو به رشد کشورهای آسیایی از جمله ایران، باعث شده تا این کشورها بیش از پیش به تولید الکتریسیته احساس نیاز کرده و اقدام به تولید الکتریسیته از منابع غیر فسیلی کنند. افزون بر این موارد، نبود شبکه برق سراسری در بسیاری از بخش های روستایی در کشورهای آسیایی نیز مهر تأییدی بر سیستم های تولید الکتریسیته از انرژی باد زده است.

پس در خصوص دورنمای آینده اقتصادی استفاده از انرژی باد در ایران باید گفت استفاده از این انرژی موجب صرفه جویی فرآورده های نفتی به عنوان سوخت می شود. صرفه جویی حاصله در درجه اول موجب حفظ فرآورده های نفتی گشته که امکان صادرات و مهمتر این که تبدیل آن را به مشتقات بسیار زیاد پتروشیمی با ارزش افزوده بالا فراهم می سازد.

در درجه دوم تولید الکتریسیته از این انرژی فاقد هر گونه آلودگی زیست محیطی بوده که همین عامل کمک شایانی به حفظ طبیعت سالم محیط زیست بشری نموده ودر نتیجه مسیر برای نیل به توسعه پایدار اقتصادی، اجتماعی فراهم می گردد.

استفاده از انرژی باد در ایران علاوه بر عمران و آبادانی موجبات ایجاد مشاغل جدید شده و بالاخره با بومی سازی فن‌آوری انرژی باد اقتصاد کشور رشد بیشتری می یابد.

انرژی باد و محیط زیست

انرژی باد در بین انرژی های تجدید پذیر یکی از بهترین و اقتصادی ترین روش های تولید برق می باشد که آلودگی زیست محیطی در پی نداشته و پایان ناپذیر نیز می باشد. طبق آمار موجود تولید یک کیلووات ساعت انرژی برق بادی از انتشار آلاینده های زیست محیطی به شرح زیر جلوگیری می نماید.

850 gr = CO2 (دی اکسید کربن) 2.9 gr= SO2 (دی اکسید گوگرد) 2.6 gr= NOX (اکسید نیتروژن) 0.1 gr= خاک 55 gr= خاکستر

بطور کلی با جایگزینی انرژی برق بادی به جای انرژی برق تولیدی از نیروگاه های سوخت فسیلی می توان از انتشار گازهای گلخانه ای کاست. از طرف دیگر جاذبه های طبیعی و چشم انداز سیستم های انرژی بادی نمادی از انرژی پاک برای مردم تلقی می گردند. در ضمن از سطح زمینی که برای احداث مزرعه برق بادی اختصاص می یابد %99 آن می تواند مورد استفاده فعالیت های کشاورزی و دام پروری قرار گیرد و تنها حدود یک درصد از کل سطح مزارع برق بادی توسط توربین ها استفاده می گردد.

بزرگترین توربین بادی جهان

بزرگترین توربین بادی جهان درحال حاضر در دریای شمال در فاصله ۲۴ کیلومتری سواحل اسکاتلند نصب شده و در حال آزمایش است. این نخستین باری است که توربین‌هایی به این ابعاد در دریا آزمایش می‌شوند. ژنراتور توربین‌ها در عمق ۴۴ متری سطح دریا کار گذاشته شده ‌است که در نوع خود رکورد جدیدی است. توربین‌هایی در این ابعاد برای نصب در دریا و دور از ساحل مناسب هستند تا از وزش پیوسته و بدون تلاطم باد بهره‌گیری کنند. انتظار می‌رود این توربین‌ها ۹۶ درصد اوقات شبانه‌روز (۸۴۴۰ ساعت در سال) در حال کار باشند.

انواع توربين هاي بادي و مكانيزم كار آنها

الف - توربين هاي بادي با محور چرخش عمودي

اين توربين ها از دو بخش اصلي تشكيل شده اند: يك ميله اصلي كه رو به باد قرار مي گيرد و ميله هاي عمودي ديگر كه عمود بر جهت باد كار گذاشته مي شوند. اين توربين ها شامل قطعاتي با اشكال گوناگون بوده كه باد را در خود جمع كرده و باعث چرخش محور اصلي مي گردد. ساخت اين توربين ها بسيار ساده بوده و همچنين بازده پايينی نيز دارند. عمده ترين توربين هاي بادي محور عمودي عبارتند از ساوينيوس داريوس، صفحه اي و كاسه اي. در اين نوع توربين ها در يك طرف توربين، باد بيشتر از طرف ديگر جذب مي شود و باعث مي گردد كه سيستم لنگر پيدا كرده و بچرخد. يكي از مزاياي اين سيستم وابسته نبودن آن به جهت وزش باد مي باشد.

ب – توربين هاي بادي با محور چرخش افقي

اين توربين ها نسبت به مدل محور عمودي رايج تر بوده همچنين از لحاظ تكنولوژيك نیز پيچيده تر و گران تر مي باشند. ساخت آن ها مشكل تر از نوع محور عمودي بوده ولي راندمان بسيار بالايي دارند. در سرعت هاي پايين نيز توانايي توليد انرژي الكتريكي را داشته و توانايي تنظيم جهت و قرار گرفتن در مسير وزش باد را نيز دارند. اين توربين ها 3 و يا در مواردي 2 پره مي باشند كه روي يك برج بلند نصب مي شوند. اين پره ها همواره در جهت وزش باد قرار مي گيرند.

در ذیل به مهم ترین قسمت های توربین بادی اشاره می کنیم.

1- باد سنج (Anemometer): اين وسيله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به كنترل كننده ها انتقال مي دهد.

2- پره ها (Blades) : وزش باد بر روي پره ها باعث بلند كردن و چرخش پره ها مي شود.

3- ترمز (Brake) : از اين وسيله براي توقف روتور در مواقع اضطراري استفاده مي شود. عمل ترمز كردن مي تواند بصورت مكانيكي ٬ الكتريكي يا هيدروليكي انجام گيرد.

4- كنترلر (Controller) : كنترلر ها وقتي كه سرعت باد به 8 تا 16 mph مي رسد ما شين را راه اندازي مي-كنند و وقتي سرعت از 65 mph بيشتر مي شود دستور خاموش شدن ماشين را مي دهند. اين عمل از آن جهت صورت مي گيرد كه توربين ها قادر نيستند زماني كه سرعت باد به 65 mph مي رسد حركت كنند زيرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسيار بالايي خواهد رسيد.

5- گيربكس (Gear box) : چرخ دنده ها به شفت سرعت پايين متصل هستند و از طرف ديگر همانطور كه در شكل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل مي باشند و افزايش سرعت چرخش از 30 تا 60 rpm به سرعتي حدود 1200 تا 1500 rpm را ايجاد مي كنند. اين افزايش سرعت براي توليد برق توسط ژنراتور الزامي است. هزينه ساخت گيربكس ها بالاست درضمن گير بكس ها بسيار سنگين هستند. مهندسان در حال انجام تحقيقات گسترده اي مي باشند تا درايو هاي مستقيمي كشف نمايد و ژنراتورها را با سرعت كمتري به چرخش درآورند تا نيازي به گيربكس نداشته باشند.

6- ژنراتور (Generator) : كه وظيفه آن توليد برق متناوب مي باشد.

7- شفت با سرعت بالا (High-speed shaft) : كه وظيفه آن به حركت در آوردن ژنراتور مي باشد.

8- شفت با سرعت پايين (Low-speed shaft) : رتور حول اين محور چرخيده و سرعت چرخش آن 30 تا 60 دور در دقيقه مي باشد.

9- روتور (Rotor) : بال ها و هاب به روتور متصل هستند.

10- برج (Tower) : برج ها از فولاد هايي كه به شكل لوله درآمده اند ساخته مي شوند. توربين هايي كه بر روي برج هايي با ارتفاع بيشتر نصب شده اند انرژي بيشتري دريافت مي كنند.

11- جهت باد (Wind direction) : توربين هايي كه از اين فن آوري استفاده مي كنند در خلاف جهت باد نيز كار مي كنند در حالي كه در توربين هاي معمولي جهت وزش باد به پره هاي آن بايد فقط از روبرو باشد.

12- باد نما (Wind vane) : وسيله اي است كه جهت وزش باد را اندازه گيري مي كند و كمك مي كند تا جهت توربين نسبت به باد در وضعيت مناسبي قرار داشته باشد.

13- درايو انحراف (Yaw drive) : وسيله اي است كه وضعيت توربين را هنگامي كه باد در خلاف جهت مي وزد كنترل مي كند و زماني استفاده مي شود كه قرار است روتور از روبرو در مقابل وزش باد قرار گيرد اما زماني كه باد در جهت توربين مي وزد نيازي به استفاده از اين وسيله نمي باشد.

14- موتور انحراف (Yaw motor) : براي به حركت درآوردن درايو انحراف مورد استفاده قرار مي گيرد.

منابع

عبدالحمید نیر نوری. «سهم ایران در تمدن جهان». بررسی‌های تاریخی. مهر ۱۳۵۰.ششم .

"World Wind Energy Report 2009" (PDF). Report. World Wind Energy Association. February 2010.

world wind energy report 2009 _ Retrieved 13-March-2010

In Texas, even wind power is bigger. And bigger. And bigger. Environmental Capital - WSJ

GE lands $1.4 bln wind turbine contract | Reuters