- 2006-10-05
- 474
- 210
استفاده از انرژيهاي تجديدپذير از زمانهاي بسيار قديم متداول بوده و قبل از پيدايش نفت و موتورهاي احتراق داخلي از جايگاه ويژهاي برخوردار بوده است.
اگر وضعيت فعلي رشد جمعيت ادامه يابد پيشبيني ميشود جمعيت جهان در اوايل قرن حاضر به هفت ميليارد نفر برسد. در عين حال منابع انرژي متداول در حال اتمام است. از طرفي استفاده از نفت براي سوخت نيروگاهها، كارخانهها، خودروها، سيستمهاي گرمايشي و مصرفكنندههاي ديگر علاوه بر تمام شدن سريع آن باعث آلودگي محيطزيست ميشود. به گونهاي كه طبق برآوردهاي محيطزيست بينالمللي ميزان آلودگي به ازاي هر مگاوات ساعت توليد انژري با سوخت گازوييل 3/21 كيلوگرم انواع اسيد و كربن و منواكسيد كربن و 657 كيلوگرم CO2 به محيط اطراف پراكنده ميشود و در صورت استفاده از سوخت گازي اين ارقام به ترتيب 7/6 و 447 كيلوگرم كاهش مييابند. عوامل فوق علاوه بر آلودگي محيط زيست باعث افزايش دماي اتمسفر شده و به نظر برخي از دانشمندان ذوب شدن يخهاي قطبي و بالاآمدن سطح درياها و اقيانوسها را به دنبال خواهد داشت.
رشد روزافزون تقاضاي انرژي، افزايش استانداردهاي زندگي، گرم شدن بيش از حد كره زمين و در نهايت مشكلات زيستمحيطي موجب شده تا هر روز شاهد پيشرفتهايي در زمينه فنآوري استفاده از منابع انرژي تجديدپذير باشيم يعني استفاده از منابع لايزالي كه خداوند به ما ارزاني داشته است. ماهيت پايانناپذير اين گونه انرژيها، روند رو به اتمام سوختهاي فسيلي و ساير مزاياي بارز اين انرژيها موجب تشويق بشر در سرمايهگذاري در اين راه بوده است.
پيشبيني ميشود كه انرژيهاي تجديدپذير جايگاه ويژهاي را در تامين انرژي قرن آتي كسب كنند. البته حدود سه دهه كشورهاي پيشرفته و صاحب فنآوري به اين مهم پرداختهاند تا جايي كه در برنامه سالانه انرژي خود درصدي از انرژيهاي مورد نظر كشورشان را از طريق توربينهاي بادي، پيلهاي خورشيدي، انرژي زمين گرمايي و ... تامين ميكنند.
اگر وضعيت فعلي رشد جمعيت ادامه يابد پيشبيني ميشود جمعيت جهان در اوايل قرن حاضر به هفت ميليارد نفر برسد. در عين حال منابع انرژي متداول در حال اتمام است. از طرفي استفاده از نفت براي سوخت نيروگاهها، كارخانهها، خودروها، سيستمهاي گرمايشي و مصرفكنندههاي ديگر علاوه بر تمام شدن سريع آن باعث آلودگي محيطزيست ميشود. به گونهاي كه طبق برآوردهاي محيطزيست بينالمللي ميزان آلودگي به ازاي هر مگاوات ساعت توليد انژري با سوخت گازوييل 3/21 كيلوگرم انواع اسيد و كربن و منواكسيد كربن و 657 كيلوگرم CO2 به محيط اطراف پراكنده ميشود و در صورت استفاده از سوخت گازي اين ارقام به ترتيب 7/6 و 447 كيلوگرم كاهش مييابند. عوامل فوق علاوه بر آلودگي محيط زيست باعث افزايش دماي اتمسفر شده و به نظر برخي از دانشمندان ذوب شدن يخهاي قطبي و بالاآمدن سطح درياها و اقيانوسها را به دنبال خواهد داشت.
رشد روزافزون تقاضاي انرژي، افزايش استانداردهاي زندگي، گرم شدن بيش از حد كره زمين و در نهايت مشكلات زيستمحيطي موجب شده تا هر روز شاهد پيشرفتهايي در زمينه فنآوري استفاده از منابع انرژي تجديدپذير باشيم يعني استفاده از منابع لايزالي كه خداوند به ما ارزاني داشته است. ماهيت پايانناپذير اين گونه انرژيها، روند رو به اتمام سوختهاي فسيلي و ساير مزاياي بارز اين انرژيها موجب تشويق بشر در سرمايهگذاري در اين راه بوده است.
پيشبيني ميشود كه انرژيهاي تجديدپذير جايگاه ويژهاي را در تامين انرژي قرن آتي كسب كنند. البته حدود سه دهه كشورهاي پيشرفته و صاحب فنآوري به اين مهم پرداختهاند تا جايي كه در برنامه سالانه انرژي خود درصدي از انرژيهاي مورد نظر كشورشان را از طريق توربينهاي بادي، پيلهاي خورشيدي، انرژي زمين گرمايي و ... تامين ميكنند.
بررسي دقيق نشان ميدهد حتي در حال حاضر كه هزينه استحصال انرژيهاي تجديدپذير گرانتر از نوع فسيلي به نظر ميآيد، در مناطق دور دست روستايي و كشاورزي به دليل مشكل انتقال ساير انرژيها و بالا بودن هزينه آن، مقرون به صرفه اقتصادي است و با توجه به تلاش گستردهاي كه در رابطه با استحصال انرژيهايي از اين نوع شده روز به روز از توجيه اقتصادي بالاتري برخوردار ميشود.
باد يكي از منابع انرژي پايانناپذير جهان است. انسان بيش از 3000 سال است كه از انرژي باد به منظور توليد انرژي مكانيكي براي پمپ آب يا آسياب كردن غلات استفاده كرده است.
يكي از بهترين روشهاي استفاده از باد، توليد انرژي الكتريكي است. به اين صورت كه با قراردادن يك توربين بادي در مسير باد و انتقال انرژي مكانيكي توربين به يك ژنراتور جريان مستقيم يا متناوب به طور مستقيم يا از طريق جعبه دنده با نسبت تبديل مناسب، انرژي الكتريكي توليد ميشود.
توليد برق از طريق نيروگاههاي بادي از نظر اقتصادي كاملاً مقرون به صرفه بوده و براي هر كيلووات ساعت برق توليدي از طريق اين نيروگاهها، حدود پنج سنت در مناطق پرباد و شش سنت يا اندكي بيشتر در مناطق كمباد، هزينه ميشود.
با توجه به اين كه تعداد نيروگاههاي بادي هر سال رو به افزايش بوده و استفاده از اين نيروگاهها در جهان صنعتي و كشورهاي پيشرفته رو به گسترش است، لازم بود آخرين آمار و اطلاعات در اين زمينه تهيه شود كه در ادامه به اين موضوع خواهيم پرداخت.
مقدمه
انرژي باد بيش از 3000 سال براي توليد انرژي مكانيكي به منظور پمپاژ آب و يا آسياب كردن غلات مورد استفاده بشر قرار گرفته است. با شروع توليدات صنعتي مدرن، استفاده از منابع انرژي باد، فراز و نشيبهايي داشته است و گاه سوختهاي فسيلي يا الكتريسيته جايگزين آن شده است. چون ماهيت باد، تصادفي است و بيشتر منابع تجديدناپذير كنوني ارزان و در دسترس است.
در حدود سال 1970ميلادي، با وارد شدن اولين بحران انرژي و بالا رفتن قيمت نفت، انرژي باد بار ديگر به عنوان منبعي جايگزين، مورد توجه قرار گرفت، در اين زمان بيشترين ميزان استفاده از انرژي باد براي تبديل انرژي مكانيكي به الكتريكي بود. اين روش با بهرهگيري از ديگر فنآوريهاي انرژي، امكان بهينهشدن داشت تا بتواند به عنوان يك پشتيبان در شبكه برق مطرح شود.
اولين توربين باد كه براي توليد الكتريسيته بكار رفت تقريباً در اوايل قرن بيستم توسعه يافت، فنآوري بهرهبرداري از انرژي باد تا سال 1970 ميلادي و در اواخر سال 1990 ميلادي به صورت تدريجي توسعه پيدا كرد. انرژي باد به عنوان يكي از مهمترين منابع انژري جايگزين، معرفي شد. در اواخر قرن بيستم، ظرفيت بكارگيري انرژي باد در جهان در هر سه سال دو برابر شده و قيمت توليدي انرژي باد در حدود 6/1 قيمت آن در سال 1980 شده است به نظر ميرسد كه اين روند همچنان ادامه خواهد يافت.
بعضي از پيشبينيهاي تخصصي نشان ميدهد كه تا سال 2005 ميلادي رشد ظرفيت انرژي باد در حدود 25 درصد در سال خواهد بود و قيمت آن در طي اين سالها بين 20 تا 40 درصد پايين خواهد آمد.
فنآوري انرژي باد نيز به سرعت در حال پيشرفت است. در پايان سال 1989 توربينهاي بادي 300 كيلووات با قطر روتور حدود 30 متر مورد بهرهبرداري قرار ميگرفت. تنها در 10 سال بعد توربينهاي بادي 1500 كيلووات با قطر روتور حدود 70 متر توانايي استفاده بيشتر از باد را فراهم آوردند و استفاده از توربينهاي بادي 2 مگاوات با قطر روتور 74 متر قبل از شروع قرن جديد خود گواه پيشرفت فنآوري انرژي بادي است. به نظر ميرسد در سالهاي 2001 يا 2002 توربينهاي 4 مگاوات و 5 مگاوات مورد بهرهبرداري قرار بگيرند.
توسعه سريع بازار انرژي باد و ارتقاي فنآوري آن، به تحقيقات، دانش و كار تخصصي براي دستيابي به انرژي در صنعت انرژي برق اشاره دارد اين نكته حايز اهميت است كه حدود 80 درصد از ظرفيت بادي جهان تنها در پنج كشور آلمان، آمريكا، دانمارك، هند و اسپانيا مورد بهرهبرداري قرار ميگيرد و نيز بيشترين علوم انرژي باد بر اساس تحقيقات در اين كشور است. بهرحال استفاده از فنآوري انرژي باد با سرعت، در حال گسترش در ديگر نواحي كره زمين است. همان طور كه اشاره شد انرژي بادي از 3000 سال پيش مورد بهرهبرداري قرار گرفته و فنآوري آن روز به روز بهتر شده است.
در توسعه فنآوري بادي، ساير علوم از جمله آيروديناميك، مكانيك و مهندسي الكترونيك نقش داشتهاند. در ادامه به طور فشرده به توانايي مناطق مختلف جهان در بكارگيري انرژي بادي اشاره ميشود.
سابقه تاريخي انرژي باد
تاريخچه تكامل فنآوري توربينهاي بادي در نشريات مختلف با مدارك گوناگوني وجود دارد. در اين قسمت به طور مختصر به پيشرفت و توسعه فنآوري بادي اشاره ميكنيم. در جدول (1) توسعه توربينهاي بادي بين سالها 1985 و 2000 نشان داده شده است.
توليد انرژي مكانيكي
مدارك ثبت شده حاكي از آن است كه آسيابهاي بادي اوليه، آسيابهايي با محور عمودي بودهاند. اين آسيابها ميتوانند شبيه به يك وسيله مقاوم ساده توصيف شوند كه در ارتفاعات افغانستان براي آسياب كردن غلات از قرن هفتم قبل از ميلاد، بكار ميرفتهاند.
در مدارك تاريخي، اولين نمونه آسيابهاي بادي با محور افقي، در ايران بوده، استفاده از انرژي باد در ايران در حدود 2600 سال قبل صورت گرفته است. بقاياي آسيابهاي بادي قديمي كه در سراسر دنيا به نام آسياب بادي ايراني شناخته ميشوند هنوز در منطقه خواف وجود دارد و تعدادي از اين آسيابها نيز در حال بهرهبرداري هستند.
تبت و چين در حدود هزار سال قبل، از فنآوري آسيابهاي بادي بهره ميبردهاند.
آسيابهاي بادي با محور افقي داراي يك شفت افقي همراه با پرههايي است كه در يك مسير عمودي ميچرخند. از ايران و خاورميانه، آسيابهاي بادي با محور افقي به كشورهاي مديترانه و اروپاي مركزي برده شد.
اولين آسيابهاي بادي با محور افقي كه مورد استفاده قرار گرفته است در كشورهاي انگلستان در سال 1150 ميلادي، فرانسه در 1180 ميلادي، فنلاند در سال 1190 ميلادي، آلمان در سال 1222 ميلادي و دانمارك در سال 1259 ميلادي است.
در اروپا آسيابهاي بادي بين قرون دوازدهم تا نوزدهم دايماً در حال پيشرفت بودند. در پايان قرن نوزدهم يك نمونه آسياب بادي كه قطر روتور آن 25 متر و ارتفاع آن بيش از 30 متر ميرسد، استفاده ميشد.
آسيابهاي بادي نه تنها براي آرد كردن غلات استفاده ميشد بلكه به منظور پمپاژ آب براي مصارف آشاميدن و مزارع مورد استفاده قرار ميگرفت.
در اين زمان تنها در فرانسه در حدود 18 تا 20 هزار آسياببادي مدرن اروپايي وجود داشت و در كشور هلند 90 درصد انرژي استفاده شده در صنعت از انرژي باد تامين ميشد.
بعد از صنعتي شدن و كاهش استفاده از آسيابهاي بادي نيز در سال 1904 ميلادي همچنان 11 درصد از انرژي صنعتي هلنديها از انرژي باد تامين ميشد و آلمانها بيش از 18 هزار واحد در حال كار داشتند.
در هنگامي كه نقش آسيابهاي بادي اروپايي به تدريج شروع به كمرنگ شدن ميكرد، آسيابهاي بادي در آمريكاي شمالي در حال توسعه بودند.
در آمريكاي شمالي آسيابهاي بادي كوچك به منظور پمپاژ آب براي مصرف دامهاي گستردهاي مورد استفاده قرار گرفت و اين آسيابهاي بادي به نام آسيابهاي بادي آمريكايي شناخته شدند. اين آسيابها مداوم كار ميكردند و نياز به رسيدگي كردن و ملازم نداشتند.
آسيابهاي بادي در هنگام وزش بادهاي با سرعت بالا از مكانيزم «خودنگهدار» استفاده ميكردند روش اروپاييها اغلب خاموش شدن آسياب و بستن پرهها بود (شبيه به كشتيهاي بادباني) تا خسارتي به توربين بادي وارد نشود.
در آمريكا بيشترين استفاده از آسيابهاي بادي مربوط به سالهاي 1920 تا 1930 ميلادي است كه در حدود 600 هزار واحد در حال كار بود.
انواع مختلف آسياب بادي آمريكايي هنوز هم در نقاط مختلف جهان استفاده ميشود.
توليد انرژي الكتريكي:
در سال 1891 ميلادي، دانپول لاكور اولين كسي بود كه توانست براي توليد الكتريسيته توربين بادي بسازد. طي جنگهاي جهاني اولي و دوم، مهندسان دانماركي اين فنآوري را براي برطرف كردن كمبودهاي انرژي، توسعه و پيشرفت دادند.
توربنيهاي بادي ساختهشده توسط كمپاني هلندي اسميتس در سال 1940 تا 1942 ميلادي توانست رقيب خوبي براي توربينهاي بادي مدرن خارجي باشد.
توربينهاي اسميت همزمان با پيشرفت علم ايروديناميك توسعه و پيشرفت خوبي داشت. در همين زمان، پالمر پوتنام يك توربين بادي بزرگ با قطر 53 متر را براي كمپاني آمريكايي مورگان اسميت ساخت. نه تنها سايز توربين منحصر به فرد و متفاوت بود بلكه طراحي علمي بسيار بالايي داشت.
طراحي هلنديها بر اساس روتور رو به باد با تثبيتكننده استال بود كه در سرعتهاي پايين، عمل ميكرد طراحي پاتنم بر اساس روتور پشت به باد با تثبيتكننده پيچ كنترل بود.
به هر حال توربينهاي پاتنم زياد موفق نبودند. در سال 1942 ميلادي اين توربين به مراحل اجرا گذاشته شد.
بعد از جنگ جهاني دوم، يوهانس جول طراحي دانماركيها را در دانمارك گسترش و توسعه داد.
توربين او در دانمارك نصب شد و در سالهاي 1956 تا 1967 در حدود 2/2 ميليون كيلووات ساعت توليد داشت.
در هميم زمان- هيوتر آلماني يك نظريه جديد را توسعه داد. توربينهاي بادي او شامل دو پره فايبرگلاس و برج پشت به باد و هاب كه پرهها به آن متصل مي شد بود. توربينهاي هارتر با دانش بالايي كه در آن بكار رفت داراي كارايي بالايي بود.
با وجود موفقيتهاي توربينهاي بادي جولز و هارتر، بعد از جنگ جهاني دوم علاقمندي به توربينهاي بادي بزرگ كاهش يافت. تنها تا حدودي توربينهاي بادي كوچك براي سيستمهاي دور از شبكه يا براي شارژ باطريها مورد توجه قرار گرفت. بعد از بحران نفتي در سال 1970 ميلادي دوباره علاقه به بكارگيري انرژي بادي از سر گرفته شد. منجمله پشتيبانيهاي مالي براي تحقيقات و توسعه انرژي بادي آغاز شد.
كشورهايي همچون آلمان، آمريكا و سوئد جهت توسعه توربينهاي بادي بزرگ براي توليد انرژي در محدوده مگاوات (MW) مبالغ هنگفتي را هزينه كردند. بهرحال بيشتر اين طرحها چندان موفقيتآميز نبود تا اينكه مسائل تكنيكي را با مكانيزم پيچ كنترل مرتفع كردند. در جدول (1-3) اطلاعات توربينهاي بادي بزرگ به نمايش درآمده است.
بعضي از سازمانهاي دولتي (از قبيل دانمارك) از تحقيقات در كشورشان پشتيباني كردند و اين ميدان را توسعه داده و باعث پيشرفت انرژي بادي در مكانهاي مختلف دنيا شدند.
در همين راستا كنفرانس PURPA در نوامبر 1978 در آمريكا برگزار شد و رئيس جمهور وقت آمريكا اهداف كنفرانس را در كاهش مصرف انرژي و توسعه از جهت بينيازي به نفت خارجيها برشمرد و اين كنفرانس در توسعه سيستمهاي انرژي بادي نقش قابل توجهي داشت و در كوههاي شرق سانفرانسيسكو و شمال لسآنجلس اولين مزارع بادي راهاندازي شد.
اولين مزارع بادي شامل توربينهاي بادي 50 مگاوات بود و بعد از چند سال، در اواخر سال 1980 ميلادي توربينهاي بادي 200 مگاوات مورد استفاده قرار گرفت. مراحل توسعه توربينهاي بادي در آمريكا نشان داده شده است.
بيشتر توربينهاي صادراتي دانمارك، توسط شركتهاي پولليكر و جوهاتز جول طراحي شده و از نوع رو به باد و تنظيم گراستال بودند. در پايان سال 1980 ميلادي در حدود 15000 توربين بادي با ظرفيتي در حدود 1500 مگاوات در كاليفرنيا نصب شد، در اين زمان در آمريكا پشتيبانيهاي مالي از انرژي باد كاهش يافت، اما دراروپا اين پشتيباني در اوج بود و بعداًدر هندوستان نيز از اين تكنولوژي حمايت شد.
در سال 1990 ميلادي اروپاييها بر اساس تعرفههاي توليد انرژيهاي تجديدپذير از انرژي باد پشتيباني زيادي بعمل آوردند.
به نظر ميرسد كه يكي از عوامل افزاينده رشد سريع بكارگيري توربينهاي بادي در بعضي از كشورهاي اروپايي، بخصوص در آلمان و همينطور درهندوستان پشتيبانيهاي مذكور باشد.
به موازات توسعه بازار فروش، تكنولوژي نيز همچنان در حال پيشرفت بود. تا پايان قرن بيستم بعد از اينكه در بيست سال گذشته موفق به تست توربينهاي مگاواتي نشده بودند، توربين بادي 5/1 مگاوات يك تكنولوژي هنري بحساب ميآمد.
وضعيت فعلي:
در ادامه اين بخش نظري اجمالي به وضعيت كنوني انرژي در پايان قرن بيستم در جهان خواهيم داشت در حال حاضر انژي بادي درصد بزرگي از نيازمنديهاي جهاني انرژي را مرتفع ميكند. درادامه شبكههاي متصل و نيز نيروگاههاي مستقل از شبكه و ظرفيت توليدي آنها را بررسي ميكنيم.
اگر مطالعات كنوني را بسط دهيم درمييابيم كه 10 درصد از انرژي مورد نياز جهان را در سال 2020 نيروي باد فراهم ميآورد كه رقمي جالب توجه است.
بررسي شبكههاي بزرگ توليد انرژي بادي:
از سال 1990 ميلادي به بعد بعلت بهرهگيري از منابع تكنولوژيهاي مدرن، انرژي بادي رشد سريعي داشته است. بهرحال اين رشد در همه جهان يكسان نبوده است به جدول (1-4) نگاه كنيد. در پايان سال 1999 ميلادي در حدود 69 درصد ظرفيت انرژي جهان، در اروپا استفاده شده است حدود 19 درصد در آمريكا شمالي و 10 درصد در آسيا و اقيانوسيه
باد يكي از منابع انرژي پايانناپذير جهان است. انسان بيش از 3000 سال است كه از انرژي باد به منظور توليد انرژي مكانيكي براي پمپ آب يا آسياب كردن غلات استفاده كرده است.
يكي از بهترين روشهاي استفاده از باد، توليد انرژي الكتريكي است. به اين صورت كه با قراردادن يك توربين بادي در مسير باد و انتقال انرژي مكانيكي توربين به يك ژنراتور جريان مستقيم يا متناوب به طور مستقيم يا از طريق جعبه دنده با نسبت تبديل مناسب، انرژي الكتريكي توليد ميشود.
توليد برق از طريق نيروگاههاي بادي از نظر اقتصادي كاملاً مقرون به صرفه بوده و براي هر كيلووات ساعت برق توليدي از طريق اين نيروگاهها، حدود پنج سنت در مناطق پرباد و شش سنت يا اندكي بيشتر در مناطق كمباد، هزينه ميشود.
با توجه به اين كه تعداد نيروگاههاي بادي هر سال رو به افزايش بوده و استفاده از اين نيروگاهها در جهان صنعتي و كشورهاي پيشرفته رو به گسترش است، لازم بود آخرين آمار و اطلاعات در اين زمينه تهيه شود كه در ادامه به اين موضوع خواهيم پرداخت.
مقدمه
انرژي باد بيش از 3000 سال براي توليد انرژي مكانيكي به منظور پمپاژ آب و يا آسياب كردن غلات مورد استفاده بشر قرار گرفته است. با شروع توليدات صنعتي مدرن، استفاده از منابع انرژي باد، فراز و نشيبهايي داشته است و گاه سوختهاي فسيلي يا الكتريسيته جايگزين آن شده است. چون ماهيت باد، تصادفي است و بيشتر منابع تجديدناپذير كنوني ارزان و در دسترس است.
در حدود سال 1970ميلادي، با وارد شدن اولين بحران انرژي و بالا رفتن قيمت نفت، انرژي باد بار ديگر به عنوان منبعي جايگزين، مورد توجه قرار گرفت، در اين زمان بيشترين ميزان استفاده از انرژي باد براي تبديل انرژي مكانيكي به الكتريكي بود. اين روش با بهرهگيري از ديگر فنآوريهاي انرژي، امكان بهينهشدن داشت تا بتواند به عنوان يك پشتيبان در شبكه برق مطرح شود.
اولين توربين باد كه براي توليد الكتريسيته بكار رفت تقريباً در اوايل قرن بيستم توسعه يافت، فنآوري بهرهبرداري از انرژي باد تا سال 1970 ميلادي و در اواخر سال 1990 ميلادي به صورت تدريجي توسعه پيدا كرد. انرژي باد به عنوان يكي از مهمترين منابع انژري جايگزين، معرفي شد. در اواخر قرن بيستم، ظرفيت بكارگيري انرژي باد در جهان در هر سه سال دو برابر شده و قيمت توليدي انرژي باد در حدود 6/1 قيمت آن در سال 1980 شده است به نظر ميرسد كه اين روند همچنان ادامه خواهد يافت.
بعضي از پيشبينيهاي تخصصي نشان ميدهد كه تا سال 2005 ميلادي رشد ظرفيت انرژي باد در حدود 25 درصد در سال خواهد بود و قيمت آن در طي اين سالها بين 20 تا 40 درصد پايين خواهد آمد.
فنآوري انرژي باد نيز به سرعت در حال پيشرفت است. در پايان سال 1989 توربينهاي بادي 300 كيلووات با قطر روتور حدود 30 متر مورد بهرهبرداري قرار ميگرفت. تنها در 10 سال بعد توربينهاي بادي 1500 كيلووات با قطر روتور حدود 70 متر توانايي استفاده بيشتر از باد را فراهم آوردند و استفاده از توربينهاي بادي 2 مگاوات با قطر روتور 74 متر قبل از شروع قرن جديد خود گواه پيشرفت فنآوري انرژي بادي است. به نظر ميرسد در سالهاي 2001 يا 2002 توربينهاي 4 مگاوات و 5 مگاوات مورد بهرهبرداري قرار بگيرند.
توسعه سريع بازار انرژي باد و ارتقاي فنآوري آن، به تحقيقات، دانش و كار تخصصي براي دستيابي به انرژي در صنعت انرژي برق اشاره دارد اين نكته حايز اهميت است كه حدود 80 درصد از ظرفيت بادي جهان تنها در پنج كشور آلمان، آمريكا، دانمارك، هند و اسپانيا مورد بهرهبرداري قرار ميگيرد و نيز بيشترين علوم انرژي باد بر اساس تحقيقات در اين كشور است. بهرحال استفاده از فنآوري انرژي باد با سرعت، در حال گسترش در ديگر نواحي كره زمين است. همان طور كه اشاره شد انرژي بادي از 3000 سال پيش مورد بهرهبرداري قرار گرفته و فنآوري آن روز به روز بهتر شده است.
در توسعه فنآوري بادي، ساير علوم از جمله آيروديناميك، مكانيك و مهندسي الكترونيك نقش داشتهاند. در ادامه به طور فشرده به توانايي مناطق مختلف جهان در بكارگيري انرژي بادي اشاره ميشود.
سابقه تاريخي انرژي باد
تاريخچه تكامل فنآوري توربينهاي بادي در نشريات مختلف با مدارك گوناگوني وجود دارد. در اين قسمت به طور مختصر به پيشرفت و توسعه فنآوري بادي اشاره ميكنيم. در جدول (1) توسعه توربينهاي بادي بين سالها 1985 و 2000 نشان داده شده است.
توليد انرژي مكانيكي
مدارك ثبت شده حاكي از آن است كه آسيابهاي بادي اوليه، آسيابهايي با محور عمودي بودهاند. اين آسيابها ميتوانند شبيه به يك وسيله مقاوم ساده توصيف شوند كه در ارتفاعات افغانستان براي آسياب كردن غلات از قرن هفتم قبل از ميلاد، بكار ميرفتهاند.
در مدارك تاريخي، اولين نمونه آسيابهاي بادي با محور افقي، در ايران بوده، استفاده از انرژي باد در ايران در حدود 2600 سال قبل صورت گرفته است. بقاياي آسيابهاي بادي قديمي كه در سراسر دنيا به نام آسياب بادي ايراني شناخته ميشوند هنوز در منطقه خواف وجود دارد و تعدادي از اين آسيابها نيز در حال بهرهبرداري هستند.
تبت و چين در حدود هزار سال قبل، از فنآوري آسيابهاي بادي بهره ميبردهاند.
آسيابهاي بادي با محور افقي داراي يك شفت افقي همراه با پرههايي است كه در يك مسير عمودي ميچرخند. از ايران و خاورميانه، آسيابهاي بادي با محور افقي به كشورهاي مديترانه و اروپاي مركزي برده شد.
اولين آسيابهاي بادي با محور افقي كه مورد استفاده قرار گرفته است در كشورهاي انگلستان در سال 1150 ميلادي، فرانسه در 1180 ميلادي، فنلاند در سال 1190 ميلادي، آلمان در سال 1222 ميلادي و دانمارك در سال 1259 ميلادي است.
در اروپا آسيابهاي بادي بين قرون دوازدهم تا نوزدهم دايماً در حال پيشرفت بودند. در پايان قرن نوزدهم يك نمونه آسياب بادي كه قطر روتور آن 25 متر و ارتفاع آن بيش از 30 متر ميرسد، استفاده ميشد.
آسيابهاي بادي نه تنها براي آرد كردن غلات استفاده ميشد بلكه به منظور پمپاژ آب براي مصارف آشاميدن و مزارع مورد استفاده قرار ميگرفت.
در اين زمان تنها در فرانسه در حدود 18 تا 20 هزار آسياببادي مدرن اروپايي وجود داشت و در كشور هلند 90 درصد انرژي استفاده شده در صنعت از انرژي باد تامين ميشد.
بعد از صنعتي شدن و كاهش استفاده از آسيابهاي بادي نيز در سال 1904 ميلادي همچنان 11 درصد از انرژي صنعتي هلنديها از انرژي باد تامين ميشد و آلمانها بيش از 18 هزار واحد در حال كار داشتند.
در هنگامي كه نقش آسيابهاي بادي اروپايي به تدريج شروع به كمرنگ شدن ميكرد، آسيابهاي بادي در آمريكاي شمالي در حال توسعه بودند.
در آمريكاي شمالي آسيابهاي بادي كوچك به منظور پمپاژ آب براي مصرف دامهاي گستردهاي مورد استفاده قرار گرفت و اين آسيابهاي بادي به نام آسيابهاي بادي آمريكايي شناخته شدند. اين آسيابها مداوم كار ميكردند و نياز به رسيدگي كردن و ملازم نداشتند.
آسيابهاي بادي در هنگام وزش بادهاي با سرعت بالا از مكانيزم «خودنگهدار» استفاده ميكردند روش اروپاييها اغلب خاموش شدن آسياب و بستن پرهها بود (شبيه به كشتيهاي بادباني) تا خسارتي به توربين بادي وارد نشود.
در آمريكا بيشترين استفاده از آسيابهاي بادي مربوط به سالهاي 1920 تا 1930 ميلادي است كه در حدود 600 هزار واحد در حال كار بود.
انواع مختلف آسياب بادي آمريكايي هنوز هم در نقاط مختلف جهان استفاده ميشود.
توليد انرژي الكتريكي:
در سال 1891 ميلادي، دانپول لاكور اولين كسي بود كه توانست براي توليد الكتريسيته توربين بادي بسازد. طي جنگهاي جهاني اولي و دوم، مهندسان دانماركي اين فنآوري را براي برطرف كردن كمبودهاي انرژي، توسعه و پيشرفت دادند.
توربنيهاي بادي ساختهشده توسط كمپاني هلندي اسميتس در سال 1940 تا 1942 ميلادي توانست رقيب خوبي براي توربينهاي بادي مدرن خارجي باشد.
توربينهاي اسميت همزمان با پيشرفت علم ايروديناميك توسعه و پيشرفت خوبي داشت. در همين زمان، پالمر پوتنام يك توربين بادي بزرگ با قطر 53 متر را براي كمپاني آمريكايي مورگان اسميت ساخت. نه تنها سايز توربين منحصر به فرد و متفاوت بود بلكه طراحي علمي بسيار بالايي داشت.
طراحي هلنديها بر اساس روتور رو به باد با تثبيتكننده استال بود كه در سرعتهاي پايين، عمل ميكرد طراحي پاتنم بر اساس روتور پشت به باد با تثبيتكننده پيچ كنترل بود.
به هر حال توربينهاي پاتنم زياد موفق نبودند. در سال 1942 ميلادي اين توربين به مراحل اجرا گذاشته شد.
بعد از جنگ جهاني دوم، يوهانس جول طراحي دانماركيها را در دانمارك گسترش و توسعه داد.
توربين او در دانمارك نصب شد و در سالهاي 1956 تا 1967 در حدود 2/2 ميليون كيلووات ساعت توليد داشت.
در هميم زمان- هيوتر آلماني يك نظريه جديد را توسعه داد. توربينهاي بادي او شامل دو پره فايبرگلاس و برج پشت به باد و هاب كه پرهها به آن متصل مي شد بود. توربينهاي هارتر با دانش بالايي كه در آن بكار رفت داراي كارايي بالايي بود.
با وجود موفقيتهاي توربينهاي بادي جولز و هارتر، بعد از جنگ جهاني دوم علاقمندي به توربينهاي بادي بزرگ كاهش يافت. تنها تا حدودي توربينهاي بادي كوچك براي سيستمهاي دور از شبكه يا براي شارژ باطريها مورد توجه قرار گرفت. بعد از بحران نفتي در سال 1970 ميلادي دوباره علاقه به بكارگيري انرژي بادي از سر گرفته شد. منجمله پشتيبانيهاي مالي براي تحقيقات و توسعه انرژي بادي آغاز شد.
كشورهايي همچون آلمان، آمريكا و سوئد جهت توسعه توربينهاي بادي بزرگ براي توليد انرژي در محدوده مگاوات (MW) مبالغ هنگفتي را هزينه كردند. بهرحال بيشتر اين طرحها چندان موفقيتآميز نبود تا اينكه مسائل تكنيكي را با مكانيزم پيچ كنترل مرتفع كردند. در جدول (1-3) اطلاعات توربينهاي بادي بزرگ به نمايش درآمده است.
بعضي از سازمانهاي دولتي (از قبيل دانمارك) از تحقيقات در كشورشان پشتيباني كردند و اين ميدان را توسعه داده و باعث پيشرفت انرژي بادي در مكانهاي مختلف دنيا شدند.
در همين راستا كنفرانس PURPA در نوامبر 1978 در آمريكا برگزار شد و رئيس جمهور وقت آمريكا اهداف كنفرانس را در كاهش مصرف انرژي و توسعه از جهت بينيازي به نفت خارجيها برشمرد و اين كنفرانس در توسعه سيستمهاي انرژي بادي نقش قابل توجهي داشت و در كوههاي شرق سانفرانسيسكو و شمال لسآنجلس اولين مزارع بادي راهاندازي شد.
اولين مزارع بادي شامل توربينهاي بادي 50 مگاوات بود و بعد از چند سال، در اواخر سال 1980 ميلادي توربينهاي بادي 200 مگاوات مورد استفاده قرار گرفت. مراحل توسعه توربينهاي بادي در آمريكا نشان داده شده است.
بيشتر توربينهاي صادراتي دانمارك، توسط شركتهاي پولليكر و جوهاتز جول طراحي شده و از نوع رو به باد و تنظيم گراستال بودند. در پايان سال 1980 ميلادي در حدود 15000 توربين بادي با ظرفيتي در حدود 1500 مگاوات در كاليفرنيا نصب شد، در اين زمان در آمريكا پشتيبانيهاي مالي از انرژي باد كاهش يافت، اما دراروپا اين پشتيباني در اوج بود و بعداًدر هندوستان نيز از اين تكنولوژي حمايت شد.
در سال 1990 ميلادي اروپاييها بر اساس تعرفههاي توليد انرژيهاي تجديدپذير از انرژي باد پشتيباني زيادي بعمل آوردند.
به نظر ميرسد كه يكي از عوامل افزاينده رشد سريع بكارگيري توربينهاي بادي در بعضي از كشورهاي اروپايي، بخصوص در آلمان و همينطور درهندوستان پشتيبانيهاي مذكور باشد.
به موازات توسعه بازار فروش، تكنولوژي نيز همچنان در حال پيشرفت بود. تا پايان قرن بيستم بعد از اينكه در بيست سال گذشته موفق به تست توربينهاي مگاواتي نشده بودند، توربين بادي 5/1 مگاوات يك تكنولوژي هنري بحساب ميآمد.
وضعيت فعلي:
در ادامه اين بخش نظري اجمالي به وضعيت كنوني انرژي در پايان قرن بيستم در جهان خواهيم داشت در حال حاضر انژي بادي درصد بزرگي از نيازمنديهاي جهاني انرژي را مرتفع ميكند. درادامه شبكههاي متصل و نيز نيروگاههاي مستقل از شبكه و ظرفيت توليدي آنها را بررسي ميكنيم.
اگر مطالعات كنوني را بسط دهيم درمييابيم كه 10 درصد از انرژي مورد نياز جهان را در سال 2020 نيروي باد فراهم ميآورد كه رقمي جالب توجه است.
بررسي شبكههاي بزرگ توليد انرژي بادي:
از سال 1990 ميلادي به بعد بعلت بهرهگيري از منابع تكنولوژيهاي مدرن، انرژي بادي رشد سريعي داشته است. بهرحال اين رشد در همه جهان يكسان نبوده است به جدول (1-4) نگاه كنيد. در پايان سال 1999 ميلادي در حدود 69 درصد ظرفيت انرژي جهان، در اروپا استفاده شده است حدود 19 درصد در آمريكا شمالي و 10 درصد در آسيا و اقيانوسيه