انرژی باد و اهمیت آن در انرژی های جایگزین
| دکتر زهرا آذرشب
مدرس دانشگاه عضو کمیته علمی- پژوهشی انجمن هوای پاک کندو |
 |
گستردگی نیاز انسان به منابع انرژی همواره از مسائل اساسی مهم در زندگی بشر بوده و تلاش برای دستیابی به یک منبع تمام نشدنی انرژی از آرزوهای دیرینه انسان بوده است. از نقوش حک شده بر دیوار غارها میتوان دریافت که بشر اولیه توانسته بود نیروی ماهیچه را به عنوان یک منبع انرژی مکانیکی به خوبی شناخته و از آن استفاده کند. ولی از آنجایی که این نیرو بسیار محدود و ضعیف است انسان همواره در تصورات خود نیرویی تمام نشدنی را جستجو میکرد که همواره در هر زمان و مکان در دسترس باشد. این موضوع را میتوان در داستانهای مختلف که ساخته تخیل و ذهن بشر نخستین بوده، به خوبی دریافت. کم کم با پیشرفت تمدن بشری، چوب و پس از آن ذغال سنگ، نفت و گاز وارد بازار انرژی گردیده اند. اما به دلیل افزایش روزافزون نیاز به انرژی و محدودیت منابع فسیلی از یک سو و افزایش آلودگی محیط زیست ناشی از سوزاندن این منابع از سوی دیگر استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر را روز به روز با اهمیتتر و گسترده‌تر نموده است.
انرژی باد یکی از انواع اصلی انرژیهای تجدیدپذیر میباشد که از دیرباز ذهن بشر را به خود معطوف کرده بود به طوری که وی همواره به فکرکاربرد این انرژی در صنعت بوده است. بشر از انرژی باد برای به حرکت درآوردن قایقها و کشتیهای بادبانی و آسیابهای بادی استفاده میکرده است. در شرایط کنونی نیز با توجه به موارد ذکر شده و توجیه پذیری اقتصادی انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژیهای نو، پرداختن به انرژی باد امری حیاتی و ضروری به نظر می‌رسد.درکشور ما ایران قابلیت‌ها و پتانسیلهای مناسبی جهت نصب و راه اندازی توربینهای برق بادی وجود دارد، که با توجه به توجیه پذیری آن و تحقیقات، مطالعات و سرمایه گذاری که در این زمینه صورت گرفته، توسعه و کاربرد این تکنولوژی چشم انداز روشنی را فرا روی سیاست گذاران بخش انرژی کشور در این زمینه قرار داده است
باد چیست و 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. 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. طبق نظر کارشناسان، ۵۰ درصد انرژی مورد نیاز جهان را میتوان از انرژی باد تأمین کرد!
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 خواهید دید .
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. اختلاف 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 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.
انرژی باد
نظیر سایر منابع انرژی تجدید پذیر از نظر جغرافیایی گسترده و در عین حال به صورت پراکنده و ً غیر متمرکز و تقریبا همیشه در دسترس میباشد. انرژی باد طبیعتی نوسانی و متناوب داشته و ورزش دائمی ندارد. هزاران سال است که انسان با استفاده از آسیابهای بادی، تنها جزء بسیار کوچکی از آن را استفاده میکند. این انرژی تا پیش از انقلاب صنعتی به عنوان یک منبع انرژی، به طور گسترده ای مورد بهره برداری قرار میگرفت، ولی در دوران انقلاب صنعتی، استفاده از سوختهای فسیلی به دلیل ارزانی و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرژی باد شد. در این دوره، توربینهای بادی قدیمی دیگر از نظر اقتصادی قابل رقابت با بازار انرژیهای نفت و گاز نبودند. تا اینکه در سالهای ۱۹۷۳ و ۱۹۷۸ دو شوک بزرگ نفتی، ضربه بزرگی به اقتصاد انرژی های حاصل از نفت و گاز وارد آورد. به این ترتیب هزینه انرژی تولید شده به وسیله توربین های بادی، در مقایسه با نرخ جهانی قیمت انرژی بهبود یافت. پس از آن مراکز و موسسات تحقیقاتی و آزمایشگاهی متعددی در سراسر دنیا به بررسی تکنولوژیهای مختلف جهت استفاده از انرژی باد به عنوان یک منبع بزرگ انرژی پرداختند. به علاوه این بحران باعث ایجاد تمایلات جدیدی در زمینه کاربرد تکنولوژی انرژی باد جهت تولید برق متصل به شبکه، پمپاژ آب و تأمین انرژی الکتریکی نواحی دورافتاده شد. همچنین در سالهای اخیر، مشکلات زیست محیطی و مسائل مربوط به تغییر آب و هوای کره زمین به علت استفاده از منابع انرژی فسیلی بر شدت این تمایلات افزوده است. از سال ۱۹۷۵ پیشرفتهای شگرفی در زمینه توربینهای بادی در جهت تولید برق به عمل آمده است. در سال ۱۹۸۰ اولین توربین برق بادی متصل به شکبه سراسری نصب گردید. بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعه برق بادی چند مگاواتی در آمریکا نصب و به بهره برداری رسید. در پایان سال ۱۹۹۰ ظرفیت توربینهای برق بادی متصل به شبکه در جهان به ۲۰۰MW رسید که توانایی تولید سالانه ۳۲۰۰ Gwh برق را داشته که تقریبا تمام این تولید مربوط به ایالت کالیفرنیا آمریکا و کشور دانمارک بود. امروزه کشورهای دیگر نظیر هلند، آلمان، بریتانیا، ایتالیا، اسپانیا، چین و هندوستان برنامه های ملی ویژه ای را در جهت توسعه و عرضه تجاری انرژی باد دارند. در طی دهه گذشته، هزینه تولید انرژی به کمک توربینهای بادی به طور قابل ملاحظهای کاهش یافته است. در حال حاضر توربینهای بادی از کارآیی و قابلیت اطمینان بیشتری در مقایسه با ۱۵ سال پیش برخوردارند. با این همه استفاده وسیع از سیستمهای مبدل انرژی باد WECS ، هنوز آغاز نگردیده است. در مباحث مربوط به انرژی باد، بیشتر تأکیدات بر توربینهای بادی مولد برق جهت اتصال به شبکه است زیرا این نوع از کاربرد انرژی باد میتواند سهم مهمی در تأمین برق مصرفی جهان داشته باشد.
استفاده از انرژی های تجدیدپذیر | لازمه حفظ محیط زیست و زیست پذیری شهرها
انرژی باد چگونه کار می کند؟
اصطلاحات انرژی باد یا نیروی باد فرآیندی را توصیف می کنند که با استفاده از آن فرآیند، از باد برای تولید نیروی مکانیکی یا برق استفاده می شود.
توربین های بادی به انگلیسی (Wind turbines) انرژی جنبشی موجود در باد را به نیروی مکانیکی تبدیل می کنند. از این توان مکانیکی می توان برای کارهای خاص همانند آسیاب کردن دانه یا پمپاژ آب استفاده کرد یا ژنراتور می تواند این نیروی مکانیکی را به برق تبدیل کند. به بیان ساده، یک توربین بادی برعکس یک فن یا پنکه کار می کند. یعنی به جای استفاده از برق برای ایجاد باد، توربین های بادی از باد برای ساخت برق استفاده می کنند.
تاریخچه استفاده از انرژی باد
بشر از زمانهای بسیار دور به نیروی لایزال باد پی برده و سالها بود که از این انرژی برای به حرکت درآوردن کشتیها و آسیابهای بادی بهره میگرفت. طی سالیان دراز ثابت شده است که میتوان انرژی باد را به انرژی مکانیکی و یا انرژی الکتریکی تبدیل کرد و مورد استفاده قرار داد. منابع تاریخی نشان میدهند که ساخت آسیابها در ایران، عراق، مصر و چین قدمت باستانی داشته و در این تمدنها، از آسیابهای بادی برای خرد کردن دانهها و پمپاژ آب استفاده میشده است. چنانچه از شواهد تاریخی برمیآید، در قرن ۱۷ قبل از میلاد، همورابی پادشاه بابل طرحی ارائه داده بود تا بتوان به کمک آن دشت حاصلخیز بین النهرین را توسط انرژی حاصل از باد آبیاری نمود. آسیابهایی که در آن زمان ساخته میشدند از نوع ماشینهای محور قائم و شبیه به آنهایی هستند که امروزه آثار آنها در نواحی خواف و تایباد ایران به چشم میخورد. ایرانیان اولین کسانی بودند که در حدود ۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح برای آرد کردن غلات از آسیابهای بادی با محور قائم استفاده کردند. مثًلا در کتابهای قدیمی نوشته اند: دیار سیستان دیار باد و ریگ است و همان شهری است که گویند باد آنجا آسیابها را گرداند و آب از چاه کشد و باغها را سیراب کند و در همه دنیا شهری نیست که بیشتر از آنجا از باد سود ببرد. و نیز نوشته اند که در سیستان بادهای سخت مدام میوزد و به همین دلیل در آنجا آسیابهای بادی برای آرد کردن گندم ساخته اند. از دیگر استانهای دارای قدمت کاربرد انرژی باد میتوان به کرمان، اصفهان و یزد اشاره نمود که در این مکانها در زمان قدیم برای خنک کردن منازل از کانالهای مخصوص جهت هدایت باد استفاده میکردند. بعد از ایران کشورهای عربی و اروپایی پی به قدرت باد در تبدیل انرژی بردند. در قرن سوم بعد از میلاد، یک محقق مصری که در زمینه نیروی هوای فشرده تحقیق میکرد، آسیاب بادی چهار پره ای را با محور افقی طراحی نمود که از هوای فشرده آن جهت نواختن یک ارگ استفاده میکرد. با توجه به شواهد موجود میتوان ادعا کرد که زادگاه ماشینهای بادی از نوع محور قائم، حوزه شرقی مدیترانه و چین بوده است. در قرون وسطی، آسیابهای بادی در ایتالیا، فرانسه، اسپانیا و پرتغال متداول گردیده و کمی بعد در بریتانیا، هلند و آلمان نیز به کار گرفته شد.
در بین انرژیهای تجدید پذیر، انرژی باد یکی از اقتصادیترین روشهای تولید برق است که آلودگی محیط زیست را در پی نداشته و پایان ناپذیر نیز میباشد. طبق آمار موجود تولید هر کیلو وات ساعت انرژی الکتریکی از باد میتواند از انتشار حدود یک کیلوگرم Co در مقایسه با نیروگاههای سوخت فسیلی جلوگیری نماید. به طور کلی با جایگزینی انرژی برق بادی به جای انرژی برق تولیدی از نیروگاههای سوخت فسیلی میتوان از انتشار گازهای گلخانهای کاست..
منابع تجدیدپذیر حدود ۱۰ درصد از برق در اکثر نقاط جهان را در نیمه نخست سال ۲۰۲۰ تشکیل دادند. با تعطیلی هایی که برای مهار شیوع ویروس کرونا انجام گرفت و تقاضای کلی برای برق را کاهش داد و به تجدیدپذیرها فرصت داد سهمشان را بهبود ببخشند. کربن زدایی شبکه برق نیز امسال تقویت شد.
امبر به تحلیل تولید برق در ۴۸ کشوری که در ۸۳ درصد از تولید برق جهانی سهم دارند پرداخت و یافته های این بررسی نشان داد نیروی بادی و خورشیدی در نیمه اول سال ۲۰۲۰ در مقایسه با مدت مشابه سال گذشته ۱۴ درصد افزایش یافت در حالی که تقاضای جهانی تحت تاثیر پاندمی ویروس کرونا سه درصد کاهش داشت.
مزایای بهره برداری از انرژی باد
انرژی باد نیز مانند سایر منابع انرژی تجدید پذیر از ویژگیها و مزایای بالاتری نسبت به سایر منابع انرژی برخوردار است که اهم این مزایا عباتند از:
- عدم نیاز توربین های بادی به سوخت، که در نتیجه از میزان مصرف سوختهای فسیلی میکاهد
- رایگان بودن انرژی باد
- توانایی تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق
- کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد نسبت به انرژیهای فسیلی
- کمتر بودن هزینههای جاری و هزینههای سرمایه گذاری انرژی باد در بلند مدت
- تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی
- قدرت مانور زیاد، جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه از چند وات تا چندیت مگاوات
- عدم نیاز به آب
- عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
- نداشتن آلودگی محیط زیست نسبت به سوختهای فسیلی
- افزایش قابلیت اطمینان در تولید انرژی برق
- ایجاد اشتغال
معایب
- اگرچه هزینه انرژی باد طی ۱۰ سال گذشته به طرز چشمگیری کاهش یافته است، این فناوری نیاز به سرمایه گذاری اولیه بالاتری نسبت به تولید سوخت های فسیلی دارد.
- مهمترین چالش استفاده از باد به عنوان منبع انرژی این است که باد به طور دائم در حال وزیدن نیست، انرژی باد را هم نمی توان ذخیره کرد مگر اینکه از باتری استفاده شود و همه بادها را نمی توان برای استفاده در زمان تقاضای برق مهار کرد.
- سایت های بادی خوب غالباً در مکان های دور افتاده و به دور از شهرهایی قرار دارند که مصرف برق شان بالاست.
- توسعه منابع باد ممکن است با دیگر کاربردهای زمین رقابت کند در حالی که شاید اگر از آن زمین ها، استفاده های دیگری می شد از تولید برق بسیار با ارزش می بود.
- اگرچه نیروگاه های بادی نسبت به سایر نیروگاه های معمولی تأثیر نسبتاً کمی بر محیط زیست دارند، اما نویز ناشی از چرخش پره های روتور باعث آلودگی صوتی می شود و بعضی اوقات پرندگان به خاطر برخورد با روتور کشته می شوند.
- برخورد صاعقه، بادهای شدید و… باعث آسیب پذیری بالای توربین های بادی شده است
انرژی زمین گرمایی راهکاری نوین برای مراقبت از سیاره سبز
کاربردهای انرژی بادی
۱٫ 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. امروزه در مزارع زیادی در نقاط مختلف دنیا از توربین های بادی برای تامین برق میلیون ها خانه استفاده می شود.
۲٫ 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.
۳٫ 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 ۵ 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. استفاده از این انرژی در سفرهای طولانی برخی کشتی ها باعث کاهش ۳۰ درصدی مصرف سوخت شده است.
۴٫ پمپاژ آب
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.
۵٫ 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.
پتانسیل باد در ایران:
کشور ایران ۱۹۵/۶۴۸/۱ کیلومتر مربع وسعت دارد و در غرب قاره آسیا واقع شده و جزء کشورهای خاورمیانه محسوب میشود. در مجموع محیط ایران ۸۷۳۱ کیلومتر میباشد. حدوداً ۹۰ درصد خاک ایران در محدوده فلات ایران واقع است. بنابراین ایران کشوری کوهستانی محسوب میشود. بیش از نیمی از مساحت ایران را کوهها و ارتفاعات، یک چهارم را صحراها و کمتر از یک چهارم را اراضی قابل کشت تشکیل میدهند. ایران دارای آب و هوای متنوع و متفاوت است و با مقایسه نقاط کشور این تنوع را به خوبی میتوان مشاهده کرد. ارتفاع کوههای شمالی، غربی و جنوبی به قدری زیاد است که از تأثیر بادهای دریای خزر، دریای مدیترانه و خلیج فارس در نواحی داخلی ایران جلوگیری میکند. به همین سبب دامنههای خارجی این کوهها دارای آب و هوای مرطوب بوده و دامنههای داخلی آن خشک است. در رابطه با بادهای ایران میتوان گفت که ایران با موقعیت جغرافیایی که دارد، در آسیا بین شرق و غرب و نواحی گرم جنوب و معتدل شمالی واقع شده است و در مسیر جریانهای عمده هوایی بین آسیا، اروپا، آفریقا، اقیانوس هند و اقیانوس اطلس است که تا کنون آنچه مسلم است قرار گرفتن ایران در مسیر جریانهای مهم هوایی میباشد.
سازمان انرژیهای نو ایران تکمیل مطالعات فاز صفر تهیه اطلس باد کشور که توسط معاونت انرژی وزارت نیرو صورت گرفته است را انجام داده است. در مطالعات اولیه صورت گرفته در بررسی میدانی در ۴۵ سایت در ۲۶ منطقه از کشور، پتانسیل انرژی بادی کشور ۶۵۰۰ مگاوات برآورد گردیده بود. تکمیل فاز صفر اطلس باد کشور در سال ۸۵ آغاز و در چهار مرحله تعریف گردید که با اتمام این مراحل و جمع آوری اطالاعات موجود ماهوارهای، اطلاعات ایستگاههای سینوپتیک، زیرزمینی، نقشههای دیجیتالی کشور و اطلاعات جو بالا و اجراء برنامه نرم افزاری KLIMM در مرحله اول فاز صفر اطلس رنگی کشور تهیه و پس از آن با اطلاعات ۸۰ ایستگاه زمینی دیجیتال ثبت اطلاعات باد در دورههای زمانی ۱۰ دقیقهای و برداشت اطلاعات آن، نقشه رنگی اطلس باد کشور تهیه گردید. اطلاعات برداشت شده در ایستگاههای ثبت آمار باد در ارتفاعات ۱۰ ،۳۰ و ۴۰ متری بوده و در دورههای زمانی ۱۰ دقیقهای نسبت به ثبت دیجیتال اطلاعات سرعت، جهت، درجه حرارت و رطوبت نسبی هوا و شدت تابش خورشیدی اندازهگیری میگردد. در این پروژه میزان انرژی قابل استحصال بادی کشور بالغ بر ۱۸۰۰۰ مگاوات تخمین زده شد.
زیست توده و انرژی پاک | هرآنچه که باید بدانید
سخن پایانی
ایران با داشتن ظرفیت قابل توجه انواع انرژیها تجدیدپذیر و به ویژه انرژی بادی، میتواند علاوه بر تأمین بخشی از انرژی مورد نیاز خود از این منابع، اثرات زیان بار تولید انرژی از منابع فسیلی را کاهش داده و موجبات توسعه مناطق محرومی همچون استان سیستان و بلوچستان را که از بادخیزترین و در عین حال محرومترین مناطق کشور است فراهم آورد.
دورنمای آینده اقتصادی استفاده از انرژی باد در ایران بیانگر این است که استفاده از این انرژی موجب صرفه جویی فرآورده های نفتی بعنوان سوخت می شود. صرفه جویی حاصله در درجه اول موجب حفظ فرآوردهای نفتی شده که امکان صادرات و مهمتر اینکه تبدیل آنرا 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 کرده و در نتیجه مسیر برای دستیابی به توسعه پایدار اقتصادی، اجتماعی فراهم می شود. 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.
منابع
- منابع انرژی تجدید پذیر نوین- تألیف: شورای جهانی انرژی ۱۳۷۵
- برررسی پتانسیل انرژی باد در ایران – تألیف: وزارت نیرو ۱۳۷۵
- انرژیهای تجدید پذیر نوین – تالیف: دکتر محمود تقضی ۱۳۸۲
- تحلیل سیستمهای انرژی – دکتر یداله سبوحی، دانشگاه شریف ۱۳۷۸
- هندبوک شناخت منابع باد – ترجمه و تألیف: کارشناسان دفتر انرژی باد و امواج سانا
- https://www.enline.ir
- https://www.simandcable.com
- https://eafworld.com/wind-power
- http://daneshnameh.roshd.ir
