جغرافیا علمی برای زندگی

۴ انرژي باد و توربينهاي بادي

بهره برداري از انرژي باد توسط توربينهاي بادي تفكر بسيار قديمي مي با شد. مثلاً سيستم هاي اوليه انرژي باد در چين باستان و خاور نزديك زمانهاي طولاني بكار گرفته مي شدند. يك دوره نيز در قرن پانزدهم كه فعاليتهاي اقتصادي در اروپاي غربي افزايش پيدا كرد از توربينهاي بادي جهت تأمين نيروي مكانيكي براي پمپاژ آب و آسياب غلات استفاده مي كردند. امروزه گستره فعاليتها و كاربرد توربينهاي بادي طيف وسيعي از صنايع را تحت پوشش قرار مي دهد مثلاً براي پمپاژ آب يا شارژ باتري از اين توربينها استفاده مي شود. از نظر عملكردي در توربين هاي بادي انرژي جنبشي باد به انرژي مكانيكي و سپس به انرژي الكتريكي تبديل
مي گردد.

 اين توربينها را مي توان جهت استفاده بهينه و توليد بيشتر قدرت با سلولهاي خورشيدي (فتوولتائيك) نيز تركيب نمود. در حال حاضر بيشترين ظرفيت توربينهاي بادي نصب شده در چند دهه گذشته از نوع متصل به شبكه بوده است. البته گاهي اوقات در نواحي دور افتاده از توربينهاي بادي منفصل از شبكه نيز استفاده شده است. شارژ باتري و توليد انرژي مكانيكي جهت پمپاژ آب نيز از نمونه كاربردهاي ديگر توربينهاي بادي مي باشد. سيستم هاي شارژ باتري و پمپهاي بادي با وجود كوچك بودن از اهميت ويژه اي برخوردارند.

5) انواع توربين هاي بادي و مكانيسم كار آنها

الف- توربينهاي بادي با محور چرخش عمودي

 اين توربينها 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 توربينها شامل قطعاتي با اشكال گوناگون بوه كه باد را در خود جمع كرده و باعث چرخش محور اصلي مي گردد. ساخت اين توربينها بسيار ساده بوده و همچنين بازده پايين نيز دارند. عمده ترين توربين هاي بادي محور عمودي عبارتند (ساوينيوس داريوس، صفحه اي و كاسه اي). در اين نوع توربينها 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 بادمي باشد.

ب – توربينهاي بادي با محور چرخش افقي

اين توربينها نسبت به مدل محور عمودي رايج تر بوده همچنين از لحاظ تكنولوژيك پيچيده تر و گرانتر نيز مي باشند. ساخت آنها مشكلتر از نوع محور عمودي بوده ولي راندمان بسيار بالايي دارند. در سرعتهاي پايين نيز توانايي توليد انرژي الكتريكي را داشته و توانايي تنظيم جهت در مسير وزش باد را نيز دارند. اين توربينها 3 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.

ج- مكانيسم كار توربين هاي بادي و اجزا آن

مراحل كار يك توربين كاملاً عكس مراحل كار پنكه مي باشد. در پنكه انرژي الكتريسيته به انرژي مكانيكي تبديل شده و باعث چرخيدن پره مي شود. در توربينهاي بادي چرخش پره ها انرژي جنبشي باد را به انرژي مكانيكي تبديل كرده، سپس الكتريسيته توليد مي گردد. باد به پره ها برخورد مي كند و آنها را مي چرخاند. چرخش پره ها باعث چرخش محور اصلي مي شود و اين محور به يك ژنراتور برق متصل مي باشد. چرخش اين ژنراتور، برق متناوب توليد مي نمايد. در ضمن شكل زير اجزا يك توربين بادي محور افقي را نشان مي دهد.

6) انواع كاربرد توربينهاي بادي

الف- كاربردهاي غيرنيروگاهي شامل:

• پمپهاي بادي  آبكش جهت :

• تأمين آب آشاميدني حيوانات در مناطق دور افتاده

• آبياري در مقياس كم

• آبكشي از عمق كم جهت پرورش آبزيان

• تأمين آب مصرفي خانگي

• كاربرد توربينهاي بادي كوچك بعنوان توليد كننده برق

• تأمين برق جزيره هاي مصرف

• شارژ باتري

ب - كاربردهاي نيروگاهي

• نيروگاههاي بادي منفرد جهت تأمين انرژي الكتريكي واحدهاي مسكوني، تجاري، صنعتي و يا كشاورزي

• مزارع برق بادي جهت تأمين بخشي از تقاضاي انرژي برق شبكه

7) انرژي باد و محيط زيست

انرژي باد در بين انرژيهاي تجديدپذير يكي از بهترين و اقتصادي ترين روشهاي توليد برق مي باشد كه آلودگي زيست محيطي در پي نداشته و پايان ناپذير نيز مي باشد. طبق آمار موجود توليد يك كيلووات ساعت انرژي برق بادي از انتشار آلاينده هاي زيست محيطي به شرح زير جلوگيري مي نمايد.

گرم 850= CO₂ (دي اكسيد كربن)

گرم 9/2= SO₂ (دي اكسيدگوگرد)

گرم 6/2= NO_X (اكسيدنيتروژن)

گرم 1/0= خاك

گرم 55= خاكستر

بطور كلي با جايگزيني انرژي برق بادي به جاي انرژي برق توليدي از نيروگاههاي سوخت فسيلي مي توان از انتشار گازهاي گلخانه اي كاست. از طرف ديگر جاذبه هاي طبيعي و چشم انداز سيستم هاي انرژي بادي نمادي از انرژي پاك براي مردم تلقي مي گردند. در ضمن از سطح زميني كه براي احداث مزرعه برق بادي اختصاص مي يابد 99% آن مي تواند مورد استفاده فعاليتهاي كشاورزي و دامپروري قرار گيرد و تنها حدود يك درصد از كل سطح مزارع برق بادي توسط توربينها استفاده مي گردد.

8) بررسي اقتصادي استفاده از انرژي باد

در ارزيابي نيروگاههاي بادي، هزينه ها و درآمدهاي طرح، مدت زمان برگشت سرمايه، قيمت انرژي الكتريكي توليدي و نرخ بازده داخلي سرمايه، شاخص هاي نهايي براي مقايسه كامل مؤلفه هاي مختلف مي باشند. از آنجا كه براي گسترش سيتسم عرضه انرژي الكتريكي توسعه پايدار را تعقيب مي كنيم بايد تمام هزينه ها و منافع اجتماعي هر مولد را مدنظر قرار دهيم. بايد در نظر داشت از بين صرفه هاي اقتصادي و غير اقتصادي تنها هزينه دفع آلاينده هاي زيست محيطي و تصفيه گازهاي مضر متصاعد از نيروگاههاي فسيلي مي تواند بصورت كمي در محاسبات وارد شود. اين هزينه ها در واقع در برگيرنده تمام اثرات زيست محيطي
آلاينده ها در كوتاه مدت و بلندمدت از قبيل توليد Sox و Nox و Cox و هيدروكربورها و ساير گازهاي سمي، آلودگي آب و خاك و ايجاد بارانهاي اسيدي و توليد گازهاي گلخانه اي
مي باشند.

در ضمن هزينه توليد برق از انرژي باد در دو دهه گذشته بطور قابل ملاحظه اي كاهش يافته است. برق توليد شده توسط انرژي باد در سال 1975، 30 سنت براي هر كيلووات ساعت بوده اما اكنون به كمتر از 5 سنت رسيده است.  توسعه توربين هاي جديد قيمت را نيز كمتر خواهند كرد. همچنين در دنيا پنج كشور آلمان، آمريكا، اسپانيا، دانمارك و هند پيشتاز ديگران مي باشند و كل ظرفيت نصب توربينهاي بادي در دنيا تا پايان سال 2004 ميلادي برابر 616/47 گيگاوات مي باشد.

در ضمن كل سرمايه در گردش صنعت انرژي باد جهان در سال 2002 ميلادي برابر با 1381 خورشيدي برابر 7 ميليارد يورو بوده است. قيمت سرمايه گذاري انرژي باد در حدود 1000 دلار بر كيلووات برآورد مي شود كه در حدود 750 دلار آن به هزينه تجهيزات و مابقي به هزينه هاي آماده كردن سايت و نصب و راه اندازي مرتبط مي شود. در چند سال اخير با بزرگتر شدن سايز توربينهاي تجاري، قيمت سرمايه گذاري آنها كاهش يافته است. صنعت انرژي باد منافع اقتصادي و اجتماعي مختلفي را به همراه دارد كه از جمله مهمترين آنها عبارتند از:

• نداشتن هزينه هاي اجتماعي – اين هزينه ها در تمام گزينه هاي متعارف انرژي (فسيلي) وجود دارند، ليكن عليرغم مبالغ قابل توجه آنها معمولاً در بررسيهاي اقتصادي لحاظ نمي شوند. انجمن انرژي باد جهان (WWEA) اين هزينه ها را به كوه يخي تشبيه كرده است كه حجم عظيم و ناپيداي آن در زير آب قرار مي گيرد.

• كاهش اتكاء به منابع انرژي وارداتي – اين مسئله يكي از مهمترين دلايل رويكرد كشورهاي صنعتي به انرژيهاي تجديدپذير و انرژي باد است، لكن در كشورهاي توليد كننده نفت نظير ايران نيز از جنبه ديگري مي توان به آن نگريست و آن افزايش فرصت صادرات است.

• تقويت ساختار اجتماعي و اقتصادي مناطق روستايي – بدليل ماهيت انرژي باد كه به توليد غيرمتمركز و اغلب به نقاط دور افتاده و روستايي مي پردازد، توسعه اين صنعت چه در كشورهاي سرمايه داري و پيشرفته و چه در كشورهاي در حال توسعه تحولات و پيشرفتهاي آشكاري را در مناطق روستايي بدنبال خواهد داشت.

• اشتغال زايي – ايجاد شغل اين صنعت در ميان ديگر صنايع انرژي از همه بيشتر است. در اروپا نصب يك مگاوات برق بادي براي 15 الي 19 نفر شغل ايجاد مي كند كه اين رقم در كشورهاي در حال توسعه براحتي مي تواند دو برابر شود. در سال 2000 كه ظرفيت نصب شده برق بادي در اروپا در حدود 8000 مگاوات بود، بيش از نيم ميليون نفر در اين صنعت به كار اشتغال داشتند.

در كشورمان ايران عليرغم اينكه مشاهده مي شود با در نظر گرفتن هزينه هاي خصوصي نيروگاههاي بادي و فسيلي، توسعه نيروگاههاي بادي براي توليد برق هم اكنون در حال اقتصادي شدن مي باشد ولي اگر هزينه هاي اجتماعي نيروگاههاي فسيلي كه در برگيرنده اثرات برونزايي منفي است مبناي مقايسه قرار گيرد هزينه توليد در مولدهاي بادي كمتر از فسيلي خواهد بود و برق حاصل از آن مي تواند بعنوان يك انرژي پايدار در توسعه اقتصادي – اجتماعي كشور مورد استفاده قرار گيرد.

9) روند تحولات تكنولوژي انرژي باد در سالهاي اخير

بزرگترين شركتهاي سازنده توربين بادي جهان در حال حاضر شركت وستاس، شركت انركون و شركت NEG مايكون هستند كه به ترتيب 3/23، 6/14 و 4/12 درصد از بازار جهان را در اختيار دارند.

 برخي اطلاعات كه از بررسي بازار تكنولوژي باد در آلمان بعنوان پيشتاز صنعت باد جهان بدست آمده بيانگر روند تحولات در سالهاي اخير در اين صنعت مي‎باشد و لذا توجه به آنها در پيش‎بيني آينده سودمند خواهد بود:

• ميانگين ظرفيت توربينهاي بادي نصب شده در آلمان در حدود 900 كيلووات است، اما اگر فقط توربينهاي نصب شده در نيمه اول سال 2003 را در نظر بگيريم، ميانگين ظرفيت توربينهاي جديد در حدود 1560 كيلووات مي‎باشد. لذا روند آشكاري از افزايش سايز توربينهاي بادي مدرن قابل مشاهده است.

• در بازار توربينهاي بادي 58 مدل توربين وجود دارد كه از اين 58 مدل فقط 4 مدل آن بدون گيربكس هستند كه روي سايزهاي متوسط و بزرگ آزمايش شده‎اند. اما 54 مدل ديگر (شامل سايز هاي متوسط، بزرگ و خيلي بزرگ) هنوز از گيربكس استفاده مي‎كنند. بنابراين توربينهاي بدون گيربكس هنوز در ابتداي راه هستند و وضعيت آنها پس از سالها تجربه و بهره برداري روشن خواهد شد.

• اغلب توربينهاي بزرگ از نوع پيچ كنترل هستند، يعني هر چه توربينها بزرگتر شوند از تعداد مدلهاي استال كنترل كاسته و به مدلهاي پيچ كنترل افزوده مي‎شود. در توربينهاي خيلي بزرگ (بالاتر از 3000 كيلووات) اصلاً سيستم استال كنترل وجود ندارد. قابل ذكر است كه پره‎هاي استال كنترل بزرگتر و سنگينتر از انواع پيچ كنترل مي‎باشند. لازم به اشاره است كه در سيستم پيچ كنترل پره‎ها حول محور طولي خود ميتوانند بچرخند و تغيير زاويه بدهند. اما در سيستم استال كنترل پره‎ها به هاب فيكس مي‎شوند و آزادي گردش حول محور طولي را ندارند.

• در گذشته توربينهاي بادي با يك سرعت دوراني ثابت (دور روتور) كار مي‎كردند، اما مدلهاي امروزي تقريباً سيستم يك سرعته را كنار گذاشته و به سيستم هاي دوسرعته يا سرعت متغير روي آورده‎اند. از ميان 58 مدل موجود در بازار، فقط 2 مدل از نوع يك سرعته هستند و 23 مدل دو سرعته و 34 مدل با سرعت متغير ديده مي‎شوند.

10) آينده انرژي باد در ايران  

بازار تأمين انرژي يك بازار رقابتي است كه در آن  توليد برق در نيروگاههاي بادي در مقايسه با نيروگاههاي سوخت هاي فسيلي برتري هاي نويني را پيش روي كاربران قرار داده است. از برتري هاي نيروگاههاي بادي اين است كه در طول مدت زمان عمر خود، سالهاي زيادي انرژي را بدون نياز به هزينه سوخت توليد خواهد كرد، در حالي كه هزينه ديگر منابع توليد انرژي در طول اين سالها افزايش خواهد يافت.

فعاليت گسترده بسياري از كشورهاي جهان براي توليد الكتريسيته از انرژي باد، سرمشقي براي ديگر كشورهايي است كه در اين زمينه راه درازي در پيش دارند. بسياري از منابع اقتصادي در حال رشد، در منطقه آسيا واقع شده اند و اقتصاد رو به رشد كشورهاي آسيايي از جمله ايران، باعث شده تا اين كشورها بيش از پيش به توليد الكتريسيته احساس نياز كرده و اقدام به توليد الكتريسيته از منابع غيرفسيلي كنند. افزون بر اين موارد، نبود شبكه برق سراسري در بسياري از بخشهاي روستايي در كشورهاي آسيايي نيز مهر تأييدي بر سيستم هاي توليد الكتريسيته از انرژي باد زده است.

پس در خصوص دورنماي آينده اقتصادي استفاده از انرژي باد در ايران مي بايست گفت استفاده از اين انرژي موجب صرفه جويي فرآورده هاي نفتي بعنوان سوخت مي شود. صرفه جويي حاصله در درجه اول موجب حفظ فرآوردهاي نفتي گشته كه امكان صادرات و مهمتر اينكه تبديل آنرا به مشقات بسيار زياد پتروشيمي با ارزش افزوده بالا فراهم مي سازد.

در درجه دوم توليد الكتريسيته از اين انرژي فاقد هر گونه آلودگي زيست محيطي بوده كه همين عامل كمك شاياني به حفظ طبيعت سالم محيط زيست بشري نموده ودر نتيجه مسير براي نيل به توسعه پايدار اقتصادي، اجتماعي فراهم مي گردد.

استفاده از انرژي باد در ايران علاوه بر عمران و آباداني موجبات ايجاد مشاغل جديد شده و بالاخره با بومي سازي فن‌آوري انرژي باد اقتصاد كشور رشد بيشتري مي يابد.