تاریخچه انرژی باد و انواع توربین بادی

انرژی باد، مشابه سایر منابع انرژی تجدیدپذیر، به‌طور جغرافیایی گسترده و در عین حال پراکنده و غیرمتمرکز است و تقریباً همیشه در دسترس قرار دارد. این نوع انرژی دارای نوسانات و عدم ثبات است و وزش باد به‌طور دائم اتفاق نمی‌افتد. انسان‌ها از هزاران سال پیش با استفاده از آسیاب‌های بادی تنها بخش کوچکی از این انرژی را به کار گرفته‌اند. پیش از انقلاب صنعتی، این منبع انرژی به‌طور گسترده‌ای مورد بهره‌برداری قرار می‌گرفت، اما در دوران انقلاب صنعتی، سوخت‌های فسیلی به دلیل قیمت پایین و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرژی باد شدند. در این زمان، توربین‌های بادی قدیمی از نظر اقتصادی قابل رقابت با انرژی‌های نفت و گاز نبودند.
با وقوع دو شوک بزرگ نفتی در سال‌های ۱۹۷۳ و ۱۹۷۸، اقتصاد انرژی‌های نفت و گاز تحت تأثیر قرار گرفت و هزینه تولید انرژی با توربین‌های بادی در مقایسه با نرخ جهانی انرژی بهبود یافت. در نتیجه، مراکز و موسسات تحقیقاتی مختلف در سراسر دنیا به بررسی تکنولوژی‌های مختلف برای استفاده از انرژی باد به‌عنوان یک منبع بزرگ پرداختند. این بحران همچنین موجب ایجاد تمایلات جدید در زمینه کاربرد تکنولوژی انرژی باد برای تولید برق متصل به شبکه، پمپاژ آب و تأمین انرژی الکتریکی برای نواحی دورافتاده شد. مشکلات زیست‌محیطی و تغییرات آب و هوایی ناشی از استفاده از منابع فسیلی نیز بر شدت این تمایلات افزوده است.
از سال ۱۹۷۵، پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه توربین‌های بادی برای تولید برق صورت گرفته و در سال ۱۹۸۰، اولین توربین برق بادی متصل به شبکه سراسری نصب شد. به‌زودی، اولین مزرعه برق بادی چند مگاواتی در آمریکا به بهره‌برداری رسید. تا پایان سال ۱۹۹۰، ظرفیت توربین‌های برق بادی متصل به شبکه در جهان به ۲۰۰ مگاوات رسید و توانایی تولید سالانه ۳۲۰۰ گیگاوات ساعت برق را داشت که بیشتر این تولید مربوط به ایالت کالیفرنیا و کشور دانمارک بود. امروزه کشورهای دیگری مانند هلند، آلمان، بریتانیا، ایتالیا، اسپانیا، چین و هندوستان برنامه‌های ملی ویژه‌ای را برای توسعه و عرضه تجاری انرژی باد آغاز کرده‌اند.
در دهه گذشته، هزینه تولید انرژی با توربین‌های بادی به‌طور قابل توجهی کاهش یافته و این توربین‌ها از کارایی و قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به ۱۵ سال پیش برخوردارند. با این حال، استفاده گسترده از سیستم‌های مبدل انرژی باد (WECS) هنوز به‌طور کامل آغاز نشده است. در مباحث مربوط به انرژی باد، بیشتر توجه‌ها به توربین‌های بادی مولد برق متصل به شبکه معطوف شده است، زیرا این نوع کاربرد می‌تواند سهم مهمی در تأمین برق مصرفی جهان داشته باشد. بر اساس پیش‌بینی‌های انجمن جهانی انرژی بادی (WWEA)، انرژی باد تا سال ۲۰۲۰ قادر به تأمین حداقل ۱۲ درصد از برق مصرفی جهان خواهد بود و ظرفیت نصب شده جهانی در این سال به حداقل ۱۵۰۰ گیگاوات خواهد رسید. به‌طور کلی، با استفاده از انرژی باد به‌عنوان یک منبع انرژی در درازمدت، می‌توان دو برابر مصرف انرژی الکتریکی فعلی جهان را تأمین کرد.

تاریخچه استفاده از انرژی باد

بشر از زمان‌های دور به قدرت باد پی برد و سال‌ها از این انرژی برای به حرکت درآوردن کشتی‌ها و آسیاب‌های بادی استفاده کرده است. در طول تاریخ، ثابت شده که می‌توان انرژی باد را به انرژی مکانیکی یا الکتریکی تبدیل و مورد بهره‌برداری قرار داد. منابع تاریخی نشان می‌دهند که ساخت آسیاب‌ها در ایران، عراق، مصر و چین سابقه‌ای باستانی دارد و در این تمدن‌ها از آسیاب‌های بادی برای خرد کردن دانه‌ها و پمپاژ آب استفاده می‌شده است. شواهد تاریخی حاکی از آن است که در قرن ۱۷ قبل از میلاد، هامورابی پادشاه بابل طرحی ارائه کرد تا با استفاده از انرژی باد، دشت حاصلخیز بین‌النهرین را آبیاری کند. آسیاب‌هایی که در آن زمان ساخته می‌شدند، از نوع ماشین‌های محور قائم بودند و مشابه آنها هنوز در نواحی خواف و تایباد ایران دیده می‌شود. ایرانیان حدود ۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح برای آرد کردن غلات از آسیاب‌های بادی با محور قائم بهره می‌بردند. در کتاب‌های قدیمی آمده است که سیستان دیار باد و ریگ است و بادهای آن آسیاب‌ها را به گردش درآورده و آب را از چاه می‌کشد تا باغ‌ها را سیراب کند. همچنین در سیستان بادهای سخت و همیشگی می‌وزد که دلیل ساخت آسیاب‌های بادی برای آرد کردن گندم در این منطقه است. دیگر استان‌های دارای سابقه استفاده از انرژی باد شامل کرمان، اصفهان و یزد هستند که در گذشته برای خنک کردن منازل از کانال‌های مخصوص جهت هدایت باد استفاده می‌شد. کشورهای عربی و اروپایی نیز بعد از ایران به توانایی باد در تبدیل انرژی پی بردند.

در قرن سوم بعد از میلاد، یک محقق مصری آسیاب بادی چهار پره‌ای با محور افقی طراحی کرد که از هوای فشرده آن برای نواختن موسیقی استفاده می‌کرد. شواهد نشان می‌دهند 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 رایج شدند و سپس در بریتانیا، هلند و آلمان نیز به کار گرفته شدند. برخی مورخان معتقدند که ورود این آسیاب‌ها به اروپا را باید مدیون شرکت‌کنندگان در جنگ‌های صلیبی دانست که از خاورمیانه بازگشتند. آسیاب‌های بادی ساخته شده در اروپا از نوع محور افقی چهار پره بودند که برای آرد کردن حبوبات و گندم به کار می‌رفتند. مردم هلند از سال ۱۳۵۰ میلادی آسیاب‌های بادی را برای خشک کردن زمین‌های پست ساحلی و همچنین استخراج روغن از دانه‌ها و بریدن چوب و تهیه پودر رنگ برای رنگرزی به کار گرفتند. این کشور در قرن هفدهم میلادی به یکی از غنی‌ترین و صنعتی‌ترین کشورها در اروپا تبدیل شد، که بخشی از آن به صنعت کشتی‌سازی و ساخت آسیاب‌های بادی مربوط می‌شود. توربین‌های بادی مدرن، شامل پره‌های متعدد، بعدها متداول شدند و در آغاز قرن بیستم اولین توربین‌های بادی سریع و مدرن ساخته شدند. امروزه آلمان، اسپانیا، دانمارک، هندوستان و آمریکا از فعال‌ترین کشورها در این زمینه به شمار می‌آیند.

توربین های بادی:

توربین‌های بادی یکی از اصلی‌ترین و متداول‌ترین روش‌های تولید برق از انرژی باد هستند. این دستگاه‌ها با طراحی خاص خود قادرند انرژی حرکتی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. در ادامه به جزئیات بیشتری درباره این فناوری می‌پردازیم:

اجزا اصلی توربین بادی:

پره‌ها (Blades): معمولاً از مواد سبک و مقاوم ساخته می‌شوند و به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند حداکثر انرژی را از باد جذب کنند. – تعداد پره‌ها معمولاً بین ۲ تا ۳ عدد است.

ناحیه چرخش (Nacelle): این قسمت در بالای برج قرار دارد و شامل اجزای مکانیکی و الکتریکی است که انرژی تولیدشده را مدیریت می‌کنند.

برج (Tower): برج توربین بادی معمولاً از فولاد یا بتن ساخته می‌شود و ارتفاع آن بسته به منطقه و نوع توربین متفاوت است. – ارتفاع بیشتر به منظور دسترسی به بادهای قوی‌تر و پایدارتر است.

ژنراتور (Generator): انرژی مکانیکی تولیدشده از چرخش پره‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این بخش معمولاً در ناحیه چرخش قرار دارد.

سیستم کنترلی: برای اطمینان از عملکرد بهینه توربین، سیستم کنترلی به طور مداوم شرایط باد و عملکرد توربین را نظارت می‌کند و در صورت لزوم تنظیماتی را اعمال می‌کند.

انواع توربین‌های بادی با توجه به محور :

توربین‌های بادی با محور ثابت   (Fixed Axis Wind Turbines)

این نوع توربین‌ها دارای محور ثابت هستند و به سمت باد نمی‌چرخند.

– ویژگی‌ها:

  – موقعیت: معمولاً در مکان‌هایی با وزش باد یکنواخت نصب می‌شوند.

  – سازگاری: نیاز به تنظیمات کمتری دارند و معمولاً نصب و نگهداری آسان‌تری دارند.

– کاربرد:

  – مناسب برای مناطق با وزش باد پایدار و در شرایطی که تغییرات باد کم است.

توربین‌های بادی با محور چرخان  (Yawing Turbines)

این نوع توربین‌ها به طور خودکار می‌توانند محور خود را نسبت به وزش باد تنظیم کنند.

– ویژگی‌ها:

  – سیستم یاو (Yaw System): این سیستم به توربین اجازه می‌دهد تا به سمت باد بچرخد و کارایی بهتری داشته باشد.

  – کارایی: این طراحی باعث می‌شود که توربین‌ها در شرایط مختلف باد بهینه عمل کنند.

– کاربرد:

  – مناسب برای مزارع بادی بزرگ و مکان‌هایی با تغییرات باد زیاد.

انواع توربین بادی با توجه به سمت محور:

توربین‌های بادی افقی  (Horizontal Axis Wind Turbines – HAWT)

این نوع توربین‌ها دارای محور چرخش افقی هستند و رایج‌ترین نوع توربین بادی محسوب می‌شوند.

– ویژگی‌ها:

  – پره‌ها: معمولاً دو یا سه پره دارند که به دور یک محور افقی می‌چرخند.

  – ارتفاع: معمولاً در ارتفاعات بالا نصب می‌شوند تا از وزش باد قوی‌تر بهره‌برداری کنند.

  – کارایی: این توربین‌ها دارای کارایی بالاتری در تبدیل انرژی باد به برق هستند و بیشتر در مزارع بادی استفاده می‌شوند.

– کاربرد:

  – مناسب برای تولید برق در مقیاس بزرگ و استفاده در شبکه‌های برق.

توربین‌های بادی عمودی   (Vertical Axis Wind Turbines – VAWT)

این نوع توربین‌ها دارای محور چرخش عمودی هستند و به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند از وزش باد از هر جهت بهره‌برداری کنند.

– ویژگی‌ها:

  – طراحی: معمولاً به شکل دو یا چند پره عمودی طراحی می‌شوند. دو نوع رایج آن‌ها Darrieus و Savonius هستند.

  – مناسبت: به دلیل طراحی خاص، می‌توانند در مکان‌های با وزش باد غیرمنظم نصب شوند.

– کاربرد:

  – مناسب برای کاربردهای کوچک، مانند تأمین انرژی در مناطق دورافتاده و یا به عنوان انرژی کمکی در ساختمان‌ها.