تولید انرژی بادی
تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی به وسیله توربین های بادی صورت می گیرد که از آن به منظور استفاده در آسیابهای بادی به جهت خوردکردن دانه ها و یا در پمپ های بادی به منظور پمپ کردن آب و یا پیش رانش قایق ها و کشتی ها استفاده می شود.
به منظور تامین انرژی در مقادیر زیاد و اتصال به شبکه الکتریکی ، از مزارع بادی استفاده می گردد و معمولاً توربین های بادی تنها برای تامین برق مناطق دور افتاده و با تعداد کم مورد استفاده است.
ایرانیان باستان برای اولین بار به جهت آبیاری مزارع از انرژی باد بهره گرفتند. آن‌ها از توان باد برای به حرکت درآوردن چرخ‌هایی استفاده می‌کردند تا آب را به سطح زمین و مزارعشان بیاورند.
باد یک انرژی پاک است که هزینه تولید برق با استفاده از این انرژی به مراتب کمتر از تولید برق با استفاده از سوختهای فسیلی مانند نفت و گاز می باشد.علاوه بر این این منابع فسیلی تجدیدناپذیر با ایجاد آلودگی و گازهای گلخانه ای به هوای پاک و محیط زیست آسیب وارد میکند که بهره گیری از انرژی بادی به کاهش تولید آلاینده ها کمک میکند.
بهره برداری از انرژی بادی در جهان در طول تاریخ
نخستین ماشین بادی ساخته شده به ایرانیان نسبت داده می شود . همچنین یونانیان و مصریها برای خرد کردن دانه‌ها ، رومی‌ها و چینی‌ها برای قایقرانی و آبیاری از انرژی باد استفاده کرده‌اند.
از آن پس در قرن ۱۳ این فناوری توسط سربازان صلیبی به اروپا برده شد. هلندی‌ها فعالیت زیادی در توسعه دستگاه‌های بادی داشتند، به‌طوری‌که در اواسط قرن نوزدهم در حدود ۹ هزار ماشین بادی به منظورهای گوناگون مورد استفاده قرار گرفته شد. انقلاب صنعتی در اروپا استفاده از ماشین‌های بادی را کاهش داد. در ایالات متحده از سال ۱۸۵۴ استفاده از انرژی باد شروع شد. از این ماشین‌ها بیشتر برای بالا کشیدن آب از چاه‌های آب و بعدها برای تولید الکتریسیته استفاده شد. در زمان جنگ جهانی دوم آمریکائی‌ها موفق به ساخت بزرگترین ماشین بادی شدند.
در نیمه اول قرن بیستم میلادی شوروی سابق یک ماشین بادی به ارتفاع 23 متر و قطره پره 30.5 متر با محور افقی بکار انداخت که انتظار بهره وری۱۰۰کیلو وات برق به شبکه را از آن داشتند .
در حال حاضر کشورهای آلمان و دانمارک دو کشور پیشتاز در زمینه صادرات توربین‌های بزرگ (۰٫۶۶ تا ۵ مگاوات) محسوب میشوند.
علاوه بر این هم اکنون بزرگترین توربین بادی جهان در دریای شمال در فاصله ۲۴ کیلومتری سواحل اسکاتلند نصب می باشد.این اولین باری است که توربین‌هایی به این ابعاد در دریا آزمایش میشوند. ژنراتور توربین‌ها در عمق ۴۴ متری سطح دریا کار گذاشته شده است.
برق بادی در مقیاس‌های کوچک
معمولاً برای تغذیه منازل، زمین‌های کشاورزی یا مراکز تجاری کوچک، تجهیزات تولید برق بادی در مقیاس کوچک (۱۰۰ کیلووات یا کمتر) مورد استفاده قرار میگیرد. در برخی از مکان‌های دور افتاده که مجبور به استفاده از ژنراتورهای دیزلی هستند ترجیح بر این است که از توربین‌های بادی استفاده شود تا نیاز به بهره وری از سوختهای فسیلی کاهش یابد.
برای تغذیه منازل دورافتاده از توربین‌های بادی با اتصال به باتری استفاده می‌شود. در ایالات متحده استفاده از توربین‌های بادی متصل به شبکه در رنج‌های ۱ تا ۱۰ کیلووات برای تغذیه منازل به‌طور فزاینده‌ای در حال گسترش است. توربین‌های متصل به شبکه در هنگام کار نیاز به استفاده از برق شبکه را از بین می‌برند. در سیستم‌های جدا از شبکه یا باید از برق به صورت دوره‌ای استفاده کرد یا از باتری برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده کرد.
سهم ایران در انرژی بادی
ازلحاظ تاریخی ایران یکی از کشورهای پیشگام در بهره گیری از انرژی بادی در آسیابهای بادی بوده ، اما نخستین کاربرد مدرن و صنعتی از نیروی بادی در ایران سال ۱۹۵۵ رخ داد و دراین سال دو توربین بادی مدرن به‌ظرفیت ۵۰۰ کیلووات خریداری و در استان گیلان نصب شد. پس از آن دولت ایران تصمیم گرفت تا انرژی بادی در ایران را توسعه دهد.
ایران در سال 1396 در بین کشورهای جهان در رده چهاردهم قرار گرفته که دارای ۷۵ هزار مگاوات ظرفیت منصوبه نیروگاهی بوده است و از این میان حدود ۱۰ درصد از ظرفیت منصوبه متعلق به نیروگاه‌های برق آبی و کمتر از ۱۰۰۰ مگاوات مربوط به انرژی‌های نو از جمله انرژی خورشیدی و بادی می باشد.
مراحل تولید برق به وسیله توربین های بادی
عملکرد توربین تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی است. نیروی باد باعث چرخش پره های توربین می شود .
نیروی حاصل از چرخش پره ها توسط شفت به ژنراتور انتقال می یابد و ژنراتور آن را به برق تبدیل می کند .
عملکرد یک توربین بادی را می توان با مراحل زیر توضیح داد :
جهت گیری خودکار
موقعیت یابی و جهت گیری توربین های بادی به طور خودکار با داده های ثبت شده توسط پره توربین و بادسنجی که روی نوک آن نصب شده تا جهت استفاده حداکثری از انرژی جنبشی باد را نشان دهند انجام می شود.
چرخش پره های توربین
حداقل میزان سرعت برای چرخش پره های توربین حدود ۳٫۵ متر بر ثانیه است. میزان سرعت باد برای چرخش حداکثری ۱۱ متر بر ثانیه می باشد. زمان شدت وزش باد که آن را 5/2 متر بر ثانیه تعریف میکنیم ، به علت نیم چرخ زدن پره ها توربین های بادی کند می شوند تا از ولتاژ زیاد جلوگیری کنند.
جعبه دنده
روتور یک واحد سه تیغه ای ، وسط توربین است که وظیف آن چرخاندن محورآهسته متصل به جعبه دنده و گیربکس است تا سرعت چرخش را از ۱۳ تا ۱۵۰۰ دور در دقیقه افزایش دهد.
تولید نیرو
جعبه دنده انرژی را توسط محوری سریع که به ژنراتور تولید برق متصل است انتقال می دهد.
تخلیه یا برون ریزی
انرژی تولید شده از داخل برج به پایه جریان می یابد و از آنجا انرژی از یک خط زیرزمینی به ایستگاه فرعی جریان می یابد که ولتاژ آن به منظور تزریق انرژی به شبکه الکتریکی و توزیع آن در نقاط مصرف افزایش می یابد.
مونیتورینگ یا نظارت
تمام عملکردهای مهم توربین های بادی برای شناسایی و رفع هرگونه حوادث توسط مرکز کنترل و ایستگاه فرعی مورد نظارت و مدیریت قرار میگیرد .
انواع توربین های بادی
توربین های بادی مدرن به طور کلی به دودسته زیر تقسیم می شوند :
1 ) توربین بادی با محور افقی
این مورد رایج ترین توربین بادی است که رو به باد قرار می گیرد دارای سه تیغه می باشد که با حرکت محوری پره های توربین در بالای برج خلاف جهت حرکت باد کار میکنند.
2 ) توربین بادی با محور عمودی
این توربین ها همه کاره هستند و برای بهره برداری از باد نیازی به تنظیم ندارند. این توربین دارای دو نوع متفاوت زیر می باشد :
1-مدل Darrieus یا سبک تخم مرغی
2-مدل Savnoius که مثل آسیاب آب کار میکند
