انرژی باد برای انجام کار

انرژی باد از هزاران سال پیش، توسط انسانها مورد استفاده واقع شده است. شواهد نشان میدهد که فنیقیها باد را، در ۴۰۰۰ سال پیش، برای به حرکت درآوردن قایقها استفاده میکردند. بعدها، ما انسانها از باد برای آرد کردن گندم و پمپاژ آب و نهایتا جهت تولید الکتریسیته استفاده کردیم. اما براستی باد چیست و از کجا پدید می آید؟ دلیل وزش باد چیست؟

باد، درواقع، جابجایی هوا، در جهتی مشخص،از نقطه ای به نقطه ای دیگر است. حرکت آب، تحت تاثیر جاذبه زمین، از بالا به پائین را بسادگی میتوان دید ولی عامل حرکت هوا چیست؟ هوا ترکیبی از ۷۸% نیتروژن، ۲۱% اکسیژن و ۱% سایر گازها میباشد. همانند سایر مواد، گازها نیز از مولکول تشکیل یافته اند و غیر از در دمای صفر مطلق که بر روی زمین رخ نمیدهد، مولکولها همواره در حال حرکت هستند. سرعت حرکت مولکولها بستگی به دمای آنها دارد. هرچه دما بالاتر باشد، سرعت حرکت مولکولها نیز بیشتر است. در جامدات حرکت مولکولها بشکل ارتعاش است ولی در گازها، مولکولها حرکت میکنند و باهم برخورد دارند. در نتیجه حرکت مولکولها تحت تاثیر دما، منجر به انبساط گازها میشوند. هر چه حرکت مولکولها بیشتر باشد تعداد برخورد بین آنها نیز بیشتر میشود و برخوردهای شدیتر باعث رانده شدن آنها به اطراف میشود. بنابراین زمانی که هوا گرمتر میشود، مولکولها فضای بیشتری را اشغال خواهند کرد. این، باعث کاهش دانسیته هوا تحت تاثیر گرما میشود. دانسیته همان نسبت جرم به حجم ماده است.

برای سیالات اعم از گازها و مایعات، مواد با دانسیته کم تمایل به شناور شدن دارند و مواد با دانسیته بالا تمایل به سکون و ته نشین شدن. برای مثال، چگالی سکه از  چگالی آب بیشتر است. اگر سکه را درون آب بیاندازید در آن فرو میرود. به همین ترتیب اگر چوب پنبه را که دارای چگالی کمتر از آب است را درون آب بیاندازید بر روی آن شناور خواهد شد.

همانگونه که اختلاف دانسیته مواد جامد مانند چوب پنبه و سکه را به وضوح میتوان دید، واضح است که دانسیته مایعات مانند هوا و آب نیز متفاوت میباشد. اگر یک ظرف را بر روی اجاق گاز روشن قرار دهیم و یک پر را بالای آن قرار دهیم، پر روی آن شناور خواهد ماند. هوای داغ بالای ظرف، بدلیل آنکه دانسیته کمتر از هوای اطراف دارد بسمت بالا حرکت میکند، همانند چوب پنبه درون آب. اما هوای گرم یک تفاوت اساسی با چوب پنبه ای دارد که بر روی آب شناور میماند. وقتی که هوای گرم به سمت بالا حرکت میکند با هوای اطاق ترکیب شده و خنک میشود. بدین ترتیب تکه پری که بر روی هوای گرم شناور بود، به کنار ظرف سقوط میکند.

گردش اتمسفر (بدون چرخش زمین)

 هوای اتمسفر اطراف زمین تحت تاثیر تابش خورشید گرم میشود. گرمای دریافتی از خورشید بطور یکنواخت در همه جای سطح زمین یکسان نیست. میدانیم زمین شکل کره دارد. سطح زمین مسطح نزدیک استوا، تقریبا عمود بر اشعه خورشید است. هرچه از استوا به سمت شمال یا جنوب برویم، سطح زمین نسبت به اشعه های خورشید شیب پیدا میکند.این بدین معنی است که مقدار یکسان انرژی خورشید، در مساحت بیشتری نسبت به استوا پخش میگردد. بطوریکه انرژی دریافتی از خورشید در قطبهای زمین، نصف آن در استوا است، به همین دلیل قطبها خنکتر میباشند. میدانیم که زمین روی یک محور مایل، میچرخد که این باعث پیدایش فصلها میشود. در تابستان در نیمکره شمالی، سطح زمین رو به سمت خورشید میچرخد. این شرایط برای نیمکره جنوبی در زمستان رخ میدهد. با همه اینها، در هر روز فرضی، انرژی خورشید در یک نیمکره نسبت به نیمه دیگر تمرکز بیشتری خواهد داشت. و لذا همواره یک قسمت زمین گرمتر و قسمت دیگر خنکتر میباشد.

مکانهای گرمتر هوای گرمتری با دانسیته کمتر دارند که به سمت بالا جریان می یابد. بر عکس، مکانهای خنکتر، هوای خنکتری، با دانسیته بیشتر، بر سطح خود دارند. مقدار فشار حاصل از ستون هوا به دما بستگی دارد. هوای گرمتر فشار کمتری نسبت به هوای خنکتر ایجاد میکند. برعکس، ستون هوای خنک، بدلیل دانسیته بیشتر، فشار بیشتری ایجاد میکند. هوای پرفشار(خنکتر) تمایل به حرکت به سمت هوای کم فشار (گرمتر) دارد.

 چرا باد در مناطق گرمسیری و در نزدیکی قطبها از شرق و در نواحی با دمای معتدل از غرب می وزد؟

برای درک این موضوع، لازم هست بالا رفتن و پائین آمدن هوا در مقیاس جهانی را بدانید. در ناحیه استوا، زمین، بیشترین انرژی را از خورشید دریافت میکند و بسیار گرم میباشد. این باعث جریان یافتن هوای گرم بسمت بالا میشود. وقتی هوا به ارتفاع بالاتر میرسد، خنک شده و دانسیته اش افزایش می یابد. اما این هوای خنک شده، با دانسیته بیشتر، نمیتواند بسادگی بسمت پائین حرکت کند چرا که جریان هوا بسمت بالا همچنان ادامه دارد. لذا هوای خنک شده، به سمت شمال یا جنوب جریان می یابد و در آنجا به سطح زمین برمیگردد. این هوای خنک شده تحت فشار بالا قرار دارد، بنابر بر روی سطح زمین، بسمت هوای کم فشار در مناطق گرمسیر جریان می یابد. و در واقع به محلی که از آنجا، مسیر خود را شروع کرده، برمیگردد. این چرخه هوا یوسته برقرار میباشد.این پدیده را با نام سلول همرفتی (convection cell) میشناسند. در هر نیمکره، تعداد ۳ مورد از این سلولها وجود دارد. در مناطق گرمسیری هم تعداد دو مورد دیگر از گردش هوا موسوم به سلولهای هالدی وجود دارد.

اثر کوریولیس

گردش بالا و پایین سلولهای همرفتی در حرکت افقی هوا که ما به عنوان باد میشناسیم، چگونه تعبیر می شود؟

میدانیم که زمین دور محور خود میچرخد و هر روز یک دور چرخش خود را کامل میکند. محیط زمین حدود ۴۰ هزار کیلومتر است. تصور کنید که  جسمی بر روی خط استوا واقع شده. چون زمین میچرخد، یک روز طول میکشد که به نقطه اول خود برگردید. لذا سرعت شما ۱،۶۶۷ کیلومتر در ساعت  (معادل ۴۰،۰۰۰ کیلومتر در ۲۴ ساعت ) میباشد. به همین ترتیب، اکنون جسم دیگری را در نظر بگیرید که در نزدیکی قطب شمال قرار گرفته که در آنجا، محیط زمین حدود ۱۶،۰۰۰ کیلومتر است. بنابر این، سرعت چرخش آن برابر خواهد بود با ۶۶۷ کیلومتر در ساعت. این کمتر از نصف سرعت در خط استوا است. بخاطر بیاوریم که خورشید از شرق طلوع میکند، بنابراین زمین به سمت شرق حرکت میچرخد. اگر شما جسم اول را از خط استوا به سمت قطب شمال با سرعت ۱۶۰ کیلومتر در ساعت جابجا کنید، متوجه خواهید شد که مسیر شما بر روی یک مسیر مستقیم نمیباشد، بلکه به سمت راست منحرف خواهید شد. چرا؟ چون همزمان با اینکه با سرعت ۱۶۰ کیلومتر بر ساعت در جهت شمال حرکت میکنید، زمین نیز با سرعت ۱،۶۶۴ کیلومتر بر ساعت بسمت شرق حرکت میکند، در حالی که شما به سمت شمال در حرکت هستید، زمین زیر پایتان به آرامی به سمت شرق حرکت می کند. این پدیده را اصطلاحا اثر کوریوکیس مینامند. در نیمکره شمالی، اجسام در حرکت به سوی شمال، به سمت راست منحرف میشوند و برعکس در  مسیر حرکت به جنوب به سمت چپ منحرف میشوند.

چرخش اتمسفر

حال که با اثر کوریولیس آشنا شدید، میتوانید متوجه شوید که چطور چرخشهای بالا و پائین سلولهای همرفتی ایجاد میشوند و در نتیجه بادها به اطراف حرکت میکنند. به سلول هادلی در نیمکره شمالی نگاه کنید، سلول همرفتی در مناطق گرمسیری شمالی. توجه داشته باشید که هوای  خنکی که به سطح زمین فرود می آید، بر روی زمین، به جنوب حرکت می کند. اما بدلیل اثر کوریولیس، بطور مستقیم به جنوب نمیرود. بلکه به سمت غرب منحرف میگردد. چون نامگذاری بادها براساس محلی که در آن ایجاد میشود، صورت میپذیرد، این باد، باد شرقی نامیده میشود. به سلول همرفتی بعدی نگاه کنید که به سمت شمال میرود. توجه کنید که هوای نزدیک سطح زمین به سمت شمال میرود و تحت اثر کوریولیس بسمت راست (در جهت شرق) منحرف میشود. بنابراین آن را باد غربی مینامند.

 اکنون دلیل اصلی بادهای غربی و شرقی را میدانید. میدایند که همانند اشکال متنوع کوهستانها و آبهای سطحی، شدت این جریان ها هم در بسیاری از نقاط متفاوت میباشند. باد ها، بر روی سطح زمین، با کوه ها برخورد میکنند. در برخورد با این موانع،  سرعت باد را افزایش می دهد و چنین مکانهایی را برای نصب و بهره برداری توربین های بادی مستعد میسازد.

کوهها و دره های مجاور آنها انواع دیگری از بادهای قابل پیشبینی را بر اساس الگوهای محلی گرمی و خنکی، ایجاد میکند. بادهای آناباتیک از گرم شدن هوای روز در دره ها و دامنه های روبه آفتاب ایجاد میشوند. دامنه ای که زیر نور آفتاب، هوای مجاور سطح خود را گرم میکنند، دانسیته آنها را کاهش میدهند، و جریان بالارونده را باعث میشود.

بادهای کاتاباتیک از بالای کوهها به دره های اطراف جریان می یابند. که ممکن است در طی روز اتفاق بیافتد. شب هنگام، هوا و سطح زمین در قله کوه گرمای خود را، از طریق تابش، به اتمسفر برمیگرداند. این باعث ایجاد هوای خنک و با دانسیته بالا میکند . وزن بالای این هوای خنک شده، آنرا به سمت پائین میکشد وجود برف و یخ مداوم در ارتفاعات کوهها ممکن است جریانهای پائین رونده طولانی مدت هوا را باعث شود. در برخی نواحی ساحلی واقع در ارتفاعات بالا، در جریانهای کاتاباتیک،  معمولا سرعت طوفانها تا ۲۲۰ کیلومتر در ساعت میرسد.

در نواحل ساحلی شرایط برای ایجاد نسیم ساحلی ایجاد فراهم میگردد و مواقعی رخ میدهد که در هنگام صبح زمین شروع به گرم شدن میکند. زمین گرم، هوای بالای خود را گرم میکند و دانسیته هوا را کاهش میدهد که این منجر با بالا رفتن هوا میشود. جای این هوای بالارونده را هوای خنکی میگیرد که بر روی سطح آب دریا قرار گرفته است. این نسیم ساحلی از اواسط روز تا غروب آفتاب ادامه می یابد. بدلیل این که ظرفیت گرمایی خاک از آب کمتر است، سرعت گرم شدن و خنک شدن آن از آب سریعتر است. لذا زمین ساحل زودتر از آب اطراف گرو و خنک میشود. خنک شدن سریع زمین در هنگام شب به اندازه کافی باعث افت دمای هوای ساحل میشود تا اینبار جایگزین هوای گرمتر روی سح آب که جریان بالارونده پیداکرده است بشود. و بدین ترتیب جهت جریان نسیم در شب هنگام از ساحل به دریا میباشد.

طوفانها تغییرات موقتی در الگوی بادها ایجاد میکنند. شدت زیاد و مدت کوتاه طوفانها، برای توربینهای باد مناسب نیست. در واقع، اکثر توربینهای باد برای گردش آرام طراحی میشوند تا از آسیبهای مکانیکی و الکتریکی اجتناب شود.

مهار و بهره برداری از انرژی باد

قایق بادبانی باستانی که برای حرکت از باد گائین رونده کمک میگرفت

انسان برای تامین انرژی مورد نیاز خود به محیط وابسته است. همانند همه حیوانات، ما غذا میخوریم تا انرژی مورد نیاز متابولیسم(سلول و بدن) را تامین کنیم. حیوانات زیادی  برای بهره گیری از انرژی محیط، با روشهایی غیر از غذا خوردن،  تکامل یافته اند. عقابها از هوای گرم بالارونده برای شناور شدن در هوا، و بدون بال زدن، بهره میبرند. گیاهان و حیوانات ریز دریایی همانند پلانکتون از جریان آب اقیانوسها برای جابجایی خود استفاده میکنند. مارها و مارمولکها بعد از خوردن غذا، زیر آفتاب میخوابند تا گرم شوند. این کار باعث میشود غذا زودتر هضم شود.

زمانی که انسان موفق به مهار آتش شده و از آن را برای گرم کردن و پختن غذا استفاده کردند، در واقع اولین گام را در بهره گیری از انرژی محیط و توسعه شرایط زندگی خود برداشت. گام بعدی زمانی بود که قایقهای بادی برای دریا نوردی رواج پیدا کرد و توانست قدرت باد را مهار نماید. بادبانهای اولیه، جریان هوا را مسدود میکردند و باعث می شد که قایق با سرعتی برابر سرعت باد حرکت کند.

پیشرفت بزرگ در تکنولوژی دریانوردی به۲۰۰۰ سال قبل برمیگردد. و آن زمانی بود که بادبانهای مثلثی در قایقهای مصریها استفاده شد.این نوآوری مصریان، شکل جیدی از ایرفویل را ایجاد کرد که در آن از نیروی بالا کشنده(lift) بجای نیروی هل دهنده(Drag) استفاده میشود که علاوه بر بالا بودن راندمان ، شرایط برای حرکت قایق در خلاف جهت باد فراهم میشود.

در حقیقت، قایقهای بادی مدرن میتوانند سریعتر از سرعت باد حرکت کنند! قایقی که ،تحت تاثیر وزش بادی از بالا با زاویه ۴۵ درجه و سرعت ۱۰ گره دریایی، در حرکت است دراین شرایط سرعت قایق، ۶ گره دریایی خواهد بود. ( گره دریایی معادل مایل دریایی در ساعت  میباشد. مایل دریایی حدود ۱۰ درصد بیشتر از مایل میباشد. به کمک جمع بردارها،  جریان واقعی باد بر روی قایق با سرعت ظاهری حدود ۱۴ گره دریایی بدست میاید.

گر شما، در یک هوای ساکن، در حال دوچرخه سواری با سرعت یک متر بر ثانیه باشید، جریان باد ظاهری را با سرعت یک متر بر ثانیه بر روی صورت خود احساس خواهید کرد. حال اگر شما دوچرخه سواری را با سرعت یک متر بر ساعت را در خلاف جهت باد یک متر بر ثانیه انجام دهید، سرعت ظاهری ۲ متر بر ثانیه را بر صورت خود احساس خواهید کرد و نیروی بیشتری را برای ادامه حرکت نیاز خواهید داشت و پاهای شما خسته تر خواهد شد. اما اگر مسیر دوچرخه سواری شما هم جهت با وزش باد و با همان سرعت باشد، این بار، سرعت ظاهری باد صفر خواهد بود و شما باد را بر صورت خود احساس نخواهید کرد. ضمن آنکه به پدال زدن آنچنان نیاز نخواهید داشت.

تیر حمال قایق بادی از نمایی دیگر

یک قایق بادی برای حرکت در هر جهتی غیر از جهت وزش باد، نیاز به وسیله ای دارد تا مانع انحراف آن به کنار شود. این کار توسط تیر حمال قایق و با ایجاد مقاومت جانبی انجام میشود.

 عملکرد ایرفویلها چگونه است؟

حرکت قایق بادبانی در مسیر خلاف جهت باد

برای حرکت قایق بادبانی در خلاف جهت باد، نیروی lift باید ایجاد شود. حشرات، پرنده ها و خفاشها قبل از دریانوردها و هوانوردها از آن بهره میبردند.  نیروی lift بدلیل شکل نامتقارن ایرفویل ایجاد میشود. زمانی که باد از یک فویل عبور میکند، سرعت آن در سطح طولانیتر آن، افزایش می یابد و بر اساس قانون برنولی، سرعت بالاتر باد، کاهش فشار را، در سطح طولانیتر آن، باعث میشود. این اساسیترین تعریف از نیروی بالابر  lift میباشد و مناسب برای طراحی انواع مختلف هواپیما و قایقهای بادبانی میباشد. با وجود این، بیشتر کار تغییر جهت، توسط بال قایق و با تغییر مسیر جریان باد، رو به عقب، انجام میپذیرد.

نیروهای باد در یک بادبان قایق

به مثال قایق بادبانی دقت کنید، بیشتر نیروی بالابر lift که از شکل بادبانها ناشی میشود برای هدایت باد به سمت عقب و حرکت روبه جلوی قایق میشود.

برای جریان گیدا کردن هوا به اطراف قایق، باد باید منحرف شود. اگر برای یک قایق، سرعت اولیه باد را Vi و سرعت نهایی Vf بنامیم،تغییر سرعت را با dv نشان میدهیم. تغییرات سرعت سرعت از رابطه  dv/dt حاصل میشود. لذا Fa نیرویی خواهد بود که بادبان به باد اعمال میکند. نیرویی که باد به قایق اعمال میکند را با Fw نشان میدهیم.

نیروی lift که توسط بادبان تولید میشود به عوامل مختلفی بستگی دارد. اگر ضریب lift برای باد در یک زاویه حمله معین، مشخص باشد، میتوان نیروی lift تولید شده برای هر جریان بادی از تساوی زیر محاسبه کرد:

( L = CL x A x (1/2 x ρ x v2

که در آن:

L: نیروی lift ،

Ρ: چگالی هوا،

V: سرعت واقعی باد،

A: مساحت بادبان،

CL: ضریب نیروی lift که به زاویه برخورد باد با بادبان و سایر عوامل، بستگی دارد.

 

نیروی مقاومDrag بجای نیروی بالابرنده Lift

وقتی که هوا و یا آب از روی جسمی جریان می یابد، همانگونه که توضیح داده شد، نیروی بالابر lift ایجاد میشود. اما در عین حال، نیروی مقاوم Drag نیز ایجاد میگردد که نیرویی برخلاف lift میباشد. انواع مختلفی از نیروی Drag وجود دارد:

 ift-induced drag: زمانی ایجاد میشود که هوا، بعد از که بر روی آن جسمی جریان می یابد، در زمان ترک آن، اغتشاش می یابد و در نتیجه جریانهای گردابی ایجاد شده و تولید نیروی مقاوم Drag میکند.

 Form drag: این نیرو بر اساس شکل بدنه قایق و یا هواپیمای در حال حرکت ایجاد میشود.

 Skin friction drag: این نیرو از سطح ناهموار جسم در حال حرکت، در جریان سیال، ناشی میشود. ناهمواری سطح باعث بدام افتادن جریان سیال و پخش شدن جریان یکنواخت سیال و در نتیجه تولید نیروی مقاوم میشود.

اکنون که با نیروی Drag آشنا شدید، به فرمول قبلی برمیگردیم. طبق این فرمول هرچه بادبان بزرگتر باشد، نیروی lift بیشتری ایجاد میشود. هوای محوری که از پره خارج می شود شروع به چرخش می کند. اگر انگشت خود را داخل آب حرکت دهید متوجه چرخش آب در پشت انگشتتان خواهید شد. همین شرایط برای هوا هم وجود دارد.

 هوای اغتشاش یافته تولید نیروی Drag میکند که نیروی در خلاف جهت قایق یا هواپیما میباشد. بادبانهای بزرگتر نیروی Drag بیشتری تولید میکند. اگر به اندازه کافی، باد وجود داشته باشد، بادبان کوچک میتواند قایق را به حرکت درآورد چرا که در آن نیروی lift زیاد و نیروی Drag کم تولید میشود. جامبوجتهای بزرگ، به نسبت، بالهای کوچکتری دارند زیرا موتورهای آنها بسیار قوی هستند و به میتوانند به اندازه کافی، هواگیما را با سرعت زیاد در هوا به حرکت درآورند. برعکی در هواپیمای کوچک، به نسبت، بالهای بزرگتری دارند. زیرا هواپیما سرعت کمتری دارد و در نتیجه، هوایی که از روی بالهای آن جریان می یابد سرعت کمتری دارد.

همین مزایا باعث گردید که هواپیماهای مدرنتر و بهتر به پرواز درآیند، توربینهای بادی با راندمان بالاتر و توان بیشتر و قایقهایی با سرعت اعجاب آور ساخته شوند.

 

از کشتیهای بادبانی به آسیابها و توربینهای بادی

هزاران سال پیش، ایرانیها از نیروی Drag برای بکار انداختن آسیابهای بادی استفاده میکردند. حدود سال ۱۳۰۰ میلادی، اروپائیها با تغییر آسیابها بادی به شکل عمودی، بسیار شبیه به آسیابهای آبی، آنرا ارتقا دادند. این برجهای بادی، از چرخدنده های چوبهای برای دوران محور استفاده میکردند. هلندیها که دریانوردان مشهوری بودند، دانش و کاربرد بادبانها را از قایقها به پوشش پره های آسیابهای بادی انتقال دادند.آسیابهای بادی اولیه و توربینهای بادی مدرن بر همان قاعده نیروهای lift و  Drag استوار میباشند که قایقهای بادبانی را برای هزاران سال بکار انداخت.

خرابه های یک آسیاب شکر

 

آسیاب بادی قدیمی در کنار توربین بادی مدرن امروزی

 

در قرن نوزدهم، توربینهای بخار به تدریج جایگزین آسیابهای

بادی شدند. اگر چه توربینهای بخار به سوخت وابسته بودند اما از انرژی باد مطمئن تر بود. با این وجود، در نیمه دوم قرن نوزدهم، استفاده از انرژی باد به طور گسترده در سراسر آمریکای شمالی گسترش یافت. آسیابهای بادی چند پره، بالای برج های چوبی، آهنی یا فولادی، به چشم انداز عادی مزارع در سراسر قاره تبدیل شده بود. آنها برای پمپاژ آب به مزارع کشاورزی و سیراب کردن دامها استفاده میشد. در واقع، شکل نمادین مزرعه ای در فاصله سالهای ۱۸۵۰ تا ۱۹۷۰ میلادی بدون آسیابهای بادی کامل نخواهد بود.تنها ۶میلیون از آنها در این فاصله زمانی نصب گردید و بسیاری هنوز برای پمپاژ آب همچنان مورد استفاده قرار میگیرد. بسیاری دیگر، توسط مزرعه داران، برای تولید برق، تغییراتی داده شد. با این که در ایالات متحده، تا سال ۱۹۰۰ میلادی،  همه شهرها برقدار شدنده بودند، برخی مناطق روستایی تا پایان جنگ جهانی دوم،یعنی حدود سال ۱۹۵۰، به شبکه برق آمریکا متصل نبودند. بنابراین اگر یک کشاورز در سال ۱۹۳۰ میلادی میخواست به رادیو گوش کند یا لامپ برقی را روشن کند، احتمالا از موتور خودرو یا آسیاب بادی قدیمی استفاده میکرد تا یک باطری خودرو را شارژ نماید.

 نیروهای lift و Drag در توربین بادی

آسیاب بادی طرح ایران باستان

همانگونه که گفته شد، اولین قایق بادبانی تنها میتوانست در مسیر بادی که از پشت سر در حال وزیدن بود حرکت کند. بادبانهای آنها برای ایجاد نیروی Drag، نیروی فشار باد را مورد استفاده قرار میدادند. بادبان های مثلثی شکل کشتی تک دکلی، ایجاد نیروی lift کرده و باعث حرکت کشتی در خلاف جهت باد میشود. آسیابهای بادی اولیه ایرانیها شبیه بادبانهای اولیه بودند که بر اساس نیروی Drag کار میکردند. در مقایسه، آسیابهای بادی هلندی بدلیل طراحی بر اساس نیروی lift، راندمان بیشتری داشتند.

توربینهای بر پایه نیروی Drag، روش ساخت آسانی دارند اما راندمانشان از توربینهای بر پایه نیروی lift کمتر میباشد. جدیدترین نسل از توربین های بادی، از پره هایی استفاده میکنند که استحکام بالایی داشته و از مواد کامپوزیتی سبک، شامل فیبر کربنی و رزینهای اپوکسی، ساخته میشوند. شکل پره ها برای سرعت دورانی حدود ۱۵ دور در دقیقه طراحی میشوند. اگر به شکل یک پره توجه نمایید متوجه خواهید شد که در قسمت دم پهنای بیشتری دارند و برعکس در قسمت نوک پره باریک هستند. اما چرا؟

پدیده کورولیوس را بخاطر بیاورید. همینکه که زمین میچرخد، جسمی که در استوا واقع هست سریعتر از جسم دیگری که در قطب ها واقع هست، حرکت میکند.

پره توربین بادی از یک روتور قطر ۹۰ متر

 

توربین بادی مدرن

  1. فونداسیون اتصال به شبکه   ۳٫ برج    ۴٫ نردبان   ۵٫ کنترل جهت باد    ۶٫ Nacelle     ۷٫ ژنراتور     ۸٫ بادسنج        ۹٫ جدا کننده    ۱۰٫ گیربکس     ۱۱٫ پره    ۱۲٫  تنظیم زاویه پره   ۱۳٫ محفظه روتور

نقطه ای واقع در قسمت دم پره توربین بادی، سرعت بسیار کمتری در مقایسه با نقطه ای دیگر واقع در نوک پره دارد. نقطه ای نزدیک دم پره توربین بادی کندتر از نقطه ای واقع در نوک پره حرکت میکند. بر اساس فرمول نیروی lift که پیش از این بررسی شد، این نیرو با مساحت و سرعت رابطه مستقیم دارد. چون نوک پره سریعتر از دم آن در هوا حرکت میکند باید مساحت کمتری داشته باشد تا به اندازه دم پره تولید نیروی lift کند. یک توربین مدرن امروزی دارای سرعت محوری توربین ۱۵ دور در دقیقه است که این، نوک پره را با سرعت ۷۰٫۷ متر در ثانیه به حرکت در میآورد. در حالی که این عدد در قسمت دم برابر ۴٫۷ متر در ثانیه خواهد بود. بنابراین انتهای پره در قسمت دم بایستی پهنای بیشتری داشته باشد تا بتواند نیروی lift برابر با نوک پره را ایجاد کند. سرعت ۷۰٫۷ متر بر ثانیه نوک پره معادل ۱۵۸ متر بر ساعت میباشد. این زیبایی نیروی lift است! شاید برایتان جالب باشد که چرا تمام سطح پره را پهن انتخاب نمیکنند تا نیروی lift بیشتری تولید شود. باید گفت که سطح بزرگتر تولید نیروی drag بیشتر هم میکند که منجر به کند شدن سرعت حرکت پره میشود.

برای تخمین مقدار نیروی تولید شده  در واحد زمان از  معادله توان  زیر استفاده میشود که در آن توان بر حسب وات، سطح بر حسب متر مربع و دانسیته بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب  و سرعت هوا بر حسب متر بر ثانیه میباشد:

۳( سرعت) * (دانسیته هوا )*(مساحت سطح دایروی جاروب شده توسط پره ها)* ۰٫۵ = توان تولیدی

 با توجه به فرمول فوق، افزایش سرعت هوا با توان ۳، در توان تولیدی موثر میباشد. برای روشنتر شدن موضوع سرعت باد را در دو وضعیت  ۴ متر بر ثانیه و ۸ متر بر ثانیه باهم مقایسه میکنیم.

سطح جاروب شده پره ها = ۱۰،۰۰۰ متر مربع

محل نصب توربین: هم سطح آبهای آزاد

دانسیته= ۱٫۲ کیلوگرم بر متر مکعب

سرعت باد= ۴ متر برثانیه      در نتیجه      توان تولیدی= ۳۸۴،۰۰۰ وات

سرعت باد= ۸ متر برثانیه      در نتیجه      توان تولیدی= ۳،۰۷۲،۰۰۰ وات

مشاهده میشود که افزایش دوبرابری سرعت باد، توان تولیدی را ۸ برابر افزایش میدهد.

سرعت بادی را که در آن، توربین بادی شروع به تولید برق میکند را سرعت cut-in مینامند. این سرعت معمولا برابر با ۳٫۵ متر بر ثانیه میباشد. به همین ترتیب سرعت بادی را که بالاتر از آن، توربین بادی به دلیل محدودیتهای مکانیکی ، قادر به تولید برق نمیباشد را  سرعت  cut-out مینامند و معمولا ۲۵ متر بر ثانیه میباشد. ادامه کار توربین در سرعتهای بالاتر از این مقدار، باعث آسیب رسیدن به یاتاقانها و سایر اجزای مکانیکی میشود و گرمای تولید شده در ژنراتور باعث بروز آتش سوزی میگردد. بر اساس قانون Beltz، حداکثر ۶۰% از انرژی جنبشی باد در عبور از توربین بادی میتواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. بدین مفهوم که سرعت باد بعد از عبور از توربین بادی کاهش می یابد. اگر قرار بود که تمام انرژی باد در توربین بادی به الکتریسیته تبدیل شود میبایست بعد از توربین، سرعت باد صفر و جرین هوا متوقف شود که این امری غیر ممکن است. توربینهای باد مدرن امروزی تنها تا ۸۰% مقدار ماکزیمم توان قانون Beltz را میتوانند تولید کند. لذا در کل میتوان گفت که تنها ۵۰ درصد از انرژی جنبشی باد به الکتریسیته تبدیل میگردد.

 توربینهای بادی مدرن امروزی رو به مسیر باد نصب میگردد در حالی که در توربینهای قدیمی پشت به مسیر باد قرار میگرفتند. در روش قدیمی هوا در عبور از پایه و سایر تجهیزات، قبل از برخورد با پره ها، دچار اغتشاش میشود که به نوبه خود ارتعاش ایجاد میکرد.

توربین بادی بزرگ متعلق به سال ۱۸۸۸ میلادی

 اولین توربین بادی مقیاس بزرگ برای تولید برق در اوخر قرن نوزدهم نصب و راه اندازی گردید. در سال ۱۸۸۸ میلادی  کارلوس اف براش، در اوهایو آمریکا، از یک آسیاب بادی برای تولید برق استفاده کرد که تا ۲۰ سال بعد از آن بخوبی کار میکرد. توان تولیدی آن ۱۲ کیلو وات بود که این، یک دهم توان تولیدی توربینهای مدرن امروزی در همان مقیاس و ابعاد میباشد. در قرن بیستم، توربینهای باد بسیاری مورد تست قرار گرفت. اکثر آنها با چالش ضعف مواد مورد استفاده و عدم استحکام لازم در مقابل بادهای شدید مواجه بودند. سرمایه گذاری جدی در توربینهای باد برای تولید الکتریسیته همزمان با بحران انرژی در اوایل ۱۹۷۰ میلادی اوج گرفت. این، همزمان بود با دستیابی به مواد جدید و مستحکم که شرایط را برای ساخت توربینهای باد مدرن مهیا میکرد. در دهه ۱۹۷۰ میلادی و در اوایل دهه ۱۹۸۰ میلادی ، تورینهای آزمایشی و تجاری بسیاری در گوشه کنار دنیا مشاهده گردید. این طرحهای توربین بادی همچنان با مشکلات بسیاری مواجه بودند. در سال ۱۹۸۱ ، رئیس جمهور وقت آمریکا، ریگان، به قدرت رسید و سریعا پنلهای خورشیدی را که رئیس جمهور پیشین، جیمی کارتر، در کاخ سفید نصب کرده بود را حذف کرد. برخورد او با انرژی باد هم مشابه انرژی خورشیدی بود. بدنبال آن سرمایه گذاری در زمینه انرژی باد در آمریکا وارد دوره رکود شد. در دوره ریست جمهوری جورج بوش در سال ۱۹۸۸، انرژی بادی مجددا مورد توجه قرار گرفت.  در دوره محدودیت انريیهای تجدیدپذیر در ایالات متحده، اروپایی ها و آسیایی ها پیشرفت خود در این زمینه را ادامه دادند. در سال  ۲۰۰۰ میلادی، صنعت توربین بادی به بلوغ رسید و جهش خود را شروع کرد. در دوره ریاست جمهوری اوباما، بین سالهای ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۶، ظرفیت نصب شده تولید برق بادی در ایالات متحده سه برابر شد. این علیرغم مقاومت کنگره برای کاهش مالیات تولید برق در آمریکا بود که در واقع یک سیستم تشویقی برای استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر به شمار میرفت. با وجود تمرکز ترامپ، رئیس جمهور فعلی آمریکا، بر تولید سوختهای فسیلی، صنعت باد، اکنون بخوبی جایگاه خود را پیدا کرده و از طرف فعالان محیط زیست و صنایع بسیاری مورد حمایت میباشد.

توربنهای باد اولیه (حدود سال ۱۹۸۰)

 

توربینهای مدرن امروزی در تگزاس

 

توربینهای بادی دریایی امروزی

بزرگترین تولید کننده برق خورشیدی در آمریکا در ایالت تگزاس واقع شده است. در سال ۲۰۱۹ مالکان مناطق روستایی از اجاره دادن زمین برای تولید برق بادی، ۲۲۲ میلیون دلار درآمد کسب کردند. تا زمانی که نیروگاههای سوخت فسیلی میتوانند در هر جایی نصب شده و به سوخت و آب خنک کاری مورد نیاز دسترسی داشته باشند، توربینهای بادی نیاز به حمایت قوی دارد.

 بهینه سازی طراحی توربینهای بادی و مکان نصب آنها

 سازندگان آسیابهای بادی قدیمی متوجه شده بودند که میزان باد در مکانهای مختلف متفاوت میباشد. هلندیها، آسیابهای بادی خود را در ساحل احداث میکردند که از وزش باد ساحلی استفاده نمایند. هنگامی که اروپایی ها برای کاشت شکر، منطقه کارائیب را مستعمره خود ساختند، آسابهای بادی خود را بر روی تپه ها مستقر نمودند. همه توربینهای بادی طوری طراحی میشوند که پره ها، عمود بر جریان باد قرار گیرند. برای آنهایی که نزدیک کوهها قرار میگیرند، شاید نیاز به قابلیت دیگری برای قرار دادن جهت پره ها رو به بالا و یا پائین باشد تا بادهای آناباتیک و کاتاباتیک را برای تولید برق بخوبی مهار کنند. بخاطر بیاورید که توربینهای بادی اولیه، بشکل گسترده ای در مقیاسهای کوچک، از تغییر آسیابهای بادی برای گرداندن ژنراتورهای برق استفاده میکردند. تولید در مقیاس کوچک همچنان اهمیت دارد. شرکتهای زیادی، توربینهای بادی کوچک را با قیمتی حدود ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ دلار تولید میکنند. افرادی که در مناطق دور و فاقد شبکه برق زندگی میکنند میتوانند از این توربینها برای شارژ باطریها و تامین روشنایی استفاده نمایند.

 آسیابهای بادی مقابل توربینهای بادی

 تا اینجا، متوجه تفاوت اساسی بین آسیابهای بادی و توربنهای باد شدید. آسیابهای بادی انرژی جنبشی هوا را به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل میکنند که این میتواند با اتصال به سنگ آسیاب یا پمپ آب برای آسیاب کردند و یا پمپاژ آب، مورد استفاده قرار گیرد. همچنین توربین بادی، از باد برای دوران محوری استفاده میکند که انتهای دیگرش به ژنراتور برق متصل میباشد.

به نمودار ظرفیت نیروگاه بادی نصب شده نگاه کنید. کدام کشورها پیشتاز هستند؟ و دلیلش چیست؟

ظرفیت جهان توربینهای بادی نصب شده بتفکیک سال

 

موانع رشد صنعت توربین بادی

مزیت عمده انرژی باد این است که نیازی به سوخت فسیلی ندارد، رایگان است و باعث تغییرات منفی در آب و هوایی جهانی نمیشود. پس چرا سریعتر از آنچه که هست رشد نمیکند؟

سه نوع اصلی توربین باد

 

ابتدا اینکه وقتی باد نمی وزد، برقی در توربین باد تولید نمیشود. برخی اعتقاد دارند که رفع این محدودیت نیاز به امکانات ذخیره برق همانند باطریهای، تولید گاز هیدروژن از برق مازاد تولیدی، هوای فشرده در مخازن ذخیره، پمپاژ آب به پشت سدها و سایر موارد مشابه دارد. هرچند، برخی ادعا دارند که ترکیبی از انرژی باد و انرژی خورشید به اندازه کافی میتواند برق مورد مصرف بشر را بدون نیاز به روشهای ذخیره سازی، تامین نماید.

البته، توربین های باد بر محیط بی تاثیر هم نیستند. بسیاری از پرنده ها در برخورد با آنها کشته میشوند. در محیط دریایی نیز، ارتعاشات آن باعث آسیب بر موجودات دریایی میشود. بسیاری از مردم آن ها را آزار دهنده می پندارند چرا که می توانند آلودگی صوتی ایجاد کند.

موضوع دیگر ، رقابت با صنایع مرتبط با سوختهای فسیلی است. شرکتهای گاز و ذغال سنگ به انرژی باد بعنوان خطر جدی نگاه میکنند و با پرداخت پولهای قابل توجهی علیه انرژیهای بادی و خورشیدی، علیه آنها لابی گری میکنند. از دهه ۱۹۷۰ میلادی، کنگره آمریکا مشوقهای مالیاتی را برای انرژیهای تجدیدپذیر تصویب کرده است. بطور کلی، دموکراتها، بر خلاف جمهوری خواهها، از مشوقهای مالیاتی حمایت میکنند. این باعث میشود که اطمینان و در نتیجه سرمایه گذاری پایداری در تجدیدپذیرها صورت نپذیرد چرا که بتناوب قدرت بین دموکراتها و جمهوری خواهها دست به دست میشود. گواه این امر در سال ۲۰۱۳ رخ داد و برای اولین بار در طی بیست سال نرخ جهانی ظرفیت نصب شده کاهش یافت. در سال ۲۰۱۲، رکورد ۱۳ گیگاوات ظرفیت نصب شده ثبت گردید اما این رقم در سال ۲۰۱۳ به یک گیگاوات افت پیدا کرد.  و این رکود ناشی از تضعیف کنگره آمریکا در تصویب مجدد مشوق های مالیاتی برای این صنعت بود.

در حال حاضر، در سراسر جهان، رونق تولید گاز طبیعی بکمک تکنیک های شکستن هیدرولیک افزایش یافته است. این تکنیک آبهای زیرزمینی را سمی و هوا را با آزاد کردن متان آلوده میکند اما در عین حال، گاز ارزان قیمت را در دسترس قرار میدهد. با وجود گاز ارزان قیمت، جذب سرمایه و سیاستگذاریها برای سرمایه گذاری بیشتر در انرژی باد مشکل میباشد.

با این حال، اکنون، هر دو صنعت باد و خورشیدی به نقطه ای رسیده اند که تولید انبوه آنها، هزینه های نصب و راه اندازی انرژی های تجدیدپذیر را کاهش داده است به طوری که در حال حاضر ارزان ترین روش برای تولید برق میباشند. در ایالات متحده در سال ۲۰۱۶، ۲۱۶ گیگاوات ظرفیت جدید تولید برق نصب که ۹٫۵ گیگاوات آن خورشیدی و ۸ گیگاوات آن گازی، ۶٫۸ گیگاوات آن بادی، ۱٫۱ آن اتمی و ۰٫۳ آبی بوده است.

 

منبع:

https://serc.carleton.edu/integrate/teaching_materials/energy_sustain/student_materials/using_wind_do_w.html

 

مطالب مرتبط

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.




ارسال