دانلود مقاله منابع انرژی- باد- توربین

مقدمه 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 ماهیچه‌ای 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، کم‌کم با پیشرفت تمدن بشری، چوب و پس از آن ذغال سنگ، نفت و گاز وارد بازار انرژی گردیده‌اند.

اما به دلیل افزایش روز افزون نیاز به انرژی و محدودیست منابع فسیلی از یک سو افزایش آلودگی محیط‌زیست 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 فکر کاربرد این انرژی در صنعت بوده است.

بشر از انرژی باد برای به حرکت در آوردن قایق‌ها و کشتی‌های بادبانی و آسیاب های بادی استفاده می‌کرده است.

در شرایط کنونی نیز با توجه به موارد ذکر شده و توجیه‌پذیری اقتصادی انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی‌های نو، پرداختن به انرژی باد امری حیاتی و ضروری به نظر می‌رسد.

در کشور ما ایران- قابلیت‌ها و پتانسیل‌های مناسبی جهت نصب و راه‌اندازی توربین‌های برق بادی وجود دارد، که با توجه به توجیه‌پذیری آن و تحقیقات، مطالعات و سرمایه‌گذاری که در این زمینه صورت گرفته، توسعه و کاربرد این تکنولوژی چشم‌انداز روشنی را فرا روی سیاست‌گذاران بخش انرژی کشور در این زمینه قرار داده است.

فصل اول کلیاتی درباره انرژی باد 1-1- انرژی باد: انرژی باد نظیر سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از نظر چغرافیایی گسترده و در عین حال به صورت پراکنده و غیر متمرکز و تقریباً همیشه در دسترس می‌باشد، انرژی باد طبیعتی نوسان 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 گسترده‌ای مورد بهره‌برداری 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 1973 و 1978 دو شوک بزرگ نفتی، ضربه بزرگی به اقتصاد انرژی‌های حاصل از نفت و گاز وارد آورد.

به این ترتیب هزینه انرژی تولید شده به وسیله توربین‌های 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 تامین انرژی الکتریکی نواحی دور افتاده 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 1975 پیشرفت‌های شگرفی در زمینه توربین‌های بادی در جهت تولید برق بعمل آمده است.

در سال 1980 اولین توربین برق بادی متصل به شبکه سراسری نصب گردید.

بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعه برق بادی چند مگاواتی در امریکا نصب و به بهره‌برداری رسید.

در پایان سال 1990 ظرفیت توربین‌های برق بادی متصل به شبکه در جهان به MW200 رسید که توانایی تولید سالانه Gwh3200 برق را داشته که تقریباً تمام این تولید مربوط به ایالت کالیفرنیا آمریکا و کشور دانمارک بود.

امروزه کشورهای دیگر نظیر هلند، آلمان، بریستانیا، ایتالیا هندوستان برنامه‌های ملی ویژه‌ای را در جهت توسعه و عرضه تجاری انرژی باد آغاز کرده‌اند.

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 15 سال پیش برخوردارند.

با این همه استفاده وسیع از سیستم‌های مبدل انرژی باد (W E C S) هنوز آغاز نگردیده است.

در مباحث مربوط به انرژی باد، بیشتر تاکیدات بر توربین‌های بادی مولد برق جهت اتصال به شبکه است زیرا این نوع از کاربرد انرژی باد می‌تواند سهم مهمی در تامین برق مصرفی جهان داشته باشد.

براساس برنامه سیاست‌های جاری (cp)، تخمین زده می‌شود که سهم انرژی باد در تامین انرژی جهان در سال 2020 تقریباً برابر با twh375 در سال خواهد بود.

این میزان انرژی با استفاده از توربین‌های بادی، به ظرفیت مجموع Gwh180 تولید خواهد گردید.

اما در قالب برنامه ضرورت‌های زیست محیطی (ED) سهم این انرژی در سال 2020 بالغ بر twh970 در سال خواهد بود، که با استفاده از توربین‌های بادی به ظرفیت مجموع Gw470 تولید خواهد شد.

به طور کلی با استفاده از انرژی باد، به عنوان یک منبع انرژی در دراز مدت می‌توان دو برابر مصرف انرژی الکتریکی فعلی جهان را تامین کرد.

1-2 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 در آوردن 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 خردکردن دانه‌ها و پمپاژ آب استفاده می‌شده است.

چنانچه از شواهد تاریخی برمی‌آید، در قرن 17 قبل از میلاد، هامورابی پادشاه بابل طرحی ارائه داده بود تا بتوان به کمک آن دشت حاصلخیز بین‌النهرین 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 200 سال قبل از میلاد مسیح برای آردکردن غلات از آسیاب‌های بادی با محور قائم استفاده کردند.

مثلاً در کتاب‌های قدیمی نوشته‌اند: 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 ببرند.

و نیز نوشته‌اند که در سیستان بادهای سخت مدام می‌وزد و به همین دلیل در آنجا آسیابهای بادی برای آرد کردن گندم ساخته‌اند.

از دیگر استان‌های دارای قدمت کاربرد انرژی باد می‌توان به کرمان، اصفهان و یزد اشاره نمود که در این مکانها در زمان‌های قدیم برای خنک‌کردن 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 قبل از میلاد، یک محقق مصری که در زمینه نیروی هوای فشرده تحقیق می‌کرد، آسیاب بادی چهار پره‌ای 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 پرتقال متداول گردیده و کمی بعد در بریتانیا، هلند و آلمان به کار گرفته شد.

برخی از مورخان اظهار داشته‌اند که ورود این آسیاب‌ها به اروپا باید مدیون شرکت‌کنندگان در جنگ‌های صلیبی دانست که از خاورمیانه باز گشتند.

آسیاب‌های بادی که در اروپا ساخته می‌شدند از نوع آسیاب‌های محور افقی و چهارپره بودند که برای آرد کردن حبوبات و گندم به کار می‌رفتند.

مردم هلند آسیاب‌های بادی را از سال 1350 میلادی به منظور خشک کردن زمین‌های پست ساحلی و همچنین گرفتن روغن از دانه‌ها و بریدن چوب و تهیه پودر رنگ برای رنگرزی به کار گرفتند.

آنچه که هلند را در قرن هفدهم میلادی در زمره غنی‌ترین و صنعتی‌ترین مردم اروپا قرار داد، صنعت کشتی‌سازی و ساخت آسیاب‌های بادی در آن کشور بود.

توربین‌های بادی بطنی که شامل پره‌های متعدد هستند، بعدها متداول شدند، در آغاز قرن بیستم اولین توربین‌های بادی سریع و مدرن ساخته شدند.

امروزه فعال‌ترین کشورها در این زمینه آلمان، اسپانیا، دانمارک، هندوستان و امریکا می‌باشند.

1-3 منشاء باد: هنگامی که تابش خورشید به طور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می‌رسد سبب ایجاد تغییرات در دما و فشار می‌گردد و در اثر این تغییرات باد به وجود می‌آید.

همچنین اتمسفر کره زمین به دلیل حرکت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می‌دهد که این امر نیز باعث به وجود آمدن باد می‌گردد.

جریانات اقیانوسی نیز به صورت مشابه عمل نموده و عامل 30% انتقال حرارت کلی در جهان می‌باشند.

در مقیاس جهانی این جریانات اتمسفری به صورت یک عامل قوی جهت انتقال حرارت و گرما عمل می‌نمایند.

دوران کره زمین نیز می‌تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره‌ای در اتمسفر، انرژی مضاعف ایجاد نماید.

پس همانطور که عنوان شد باد یکی از صورت‌های مختلف انرژی حرارت خورشیدی می‌باشد که دارای یک الگوی جهانی نیمه پیوسته می‌باشد.

تغییرات سرعت باد، ساعتی، روزانه و فصلی بوده و متاثر از هوا و توپوگرافی سطح زمین می‌باشد.

بیشتر منابع انرژی باد در نواحی ساحلی و کوهستانی واقع شده‌اند.

1-4 توزیع جهانی باد: به طور کلی جریان باد در جهان دارای دو نوع توزیع می‌باشد: الف- جریان چرخشی هادلی (Hadly) بین عرض‌های جغرافیایی 30 درجه شمالی و 30 درجه جنوبی، هوای گرم شده در استوا به بالا صعود کرده و هوای سردتری که از شمال و جنوب می‌آید جایگزین آن می‌شود.

این جریان را چرخش هادلی می‌نامند.

در سطح زمین این جریان بدیع معنی است که بادهای سرد به اطراف استوا می‌وزند و از طرف دیگر هوایی که در 30 درجه شمالی و 30 درجه جنوبی به پائین می‌آید خیلی خشک است و به دلیل آنکه سرعت دوران زمین در این عرض‌های جغرافیایی به مراتب کمتر از سرعت دوران زمین در استوا است، به سمت شرق حرکت می‌کند.

معمولاً در این عرض‌های جغرافیایی نواحی بیابانی مانند صحرا قرار دارند.

ب- جریان چرخشی راسبی (Rossby): بین عرض‌های جغرافیایی 30 درجه شمالی (جنوبی) و 70 درجه شمالی (جنوبی) عمدتاً بادهای غربی در جریان هستند.

این بادها تشکیل یک چرخش موجی را می‌دهند و هوای گرم سرد را به جنوب و هوای گرم را به شمال انتقال می‌دهند.

این الگو را جریان راسبی می‌نامند.

1-5 اندازه‌گیری پتانسیل انرژی باد: پتانسیل انرژی باد به عنوان یک منبع قدرت در مناطق مختلف و براساس اطلاعات موجود در مورد منابع باد قابل دسترس در هر نقطه مورد مطالعه قرار گرفته است.

پتانسیل مربوط به منابع باد به طور کلی به پنج دسته تقسیم می‌شود: پتانسیل هواشناسی: این پتانسیل بیانگر منبع انرژی باد در دسترس می‌باشد.

پتانسیل محلی: این پتانسیل بر مبنای پتانسیل هواشناسی بنا شده ولی محدود به محل‌هایی است که از نظر جغرافیایی برای تولید انرژی در دسترس هستند.

پتانسیل فنی: این پتانسیل با در نظر گرفتن نوع تکنولوژی در دسترس (کارایی، اندازه توربین و ....) از پتانسیل محلی محاسبه می‌شود.

پتانسیل اقتصادی: این پتانسیل، استعداد بالقوه فنی است که به صورت اقتصادی و بر پایه سیاست‌های اقتصادی قابل تحقیق و اجراست.

پتانسیل اجرایی: این پتانسیل با در نظر گرفتن محدودیت‌ها و عوامل تشویقی برای تعیین ظرفیت توربین‌های بادی قابل اجراء در یک محدوده زمانی خاص تعیین می‌شود.

مانند تعرفه‌های تشویقی که طبق سیاست‌های دولت‌های مختلف به تولیدکنندگان انرژی برق بادی حاصل از توربین‌های بادی تخصیص داده می‌شود.

1-6 قدرت باد: انرژی جنبشی باد همواره متناسب با توان دوم سرعت باد است هنگامی که باد به یک سطح برخورد می‌کند انرژی جنبشی از آن به فشار (نیرو) روی آن سطح تبدیل می‌شود.

حاصلضرب نیروی باد در سرعت باد مساوی قدرت باد می‌شود نیروی باد متناسب با مربع سرعت باد است پس قدرت باد متناسب با مکعب سرعت باد خواهد بود.

بنابراین هر چه سرعت باد بیشتر باشد قدرت آن نیز بیشتر خواهد شد.

مثلاً اگر سرعت باد دو برابر شود قدرت آن هشت برابر و اگر سرعت باد سه برابر گردد قدرت باد بیست و هفت برابر خواهد شد.

روند تحولات تکنولوژی انرژی باد در سالهای اخیر بزرگترین شرکت‌های سازنده توربین‌های بادی در جهان در حال حاضر شرکت وستاس، شرکت انرکون و شرکت NEG مایکون هستند که به ترتیب 3/23، 6/14، 4/12 درصد از بازار جهان را در اختیار دارند.

اطلاعاتی که از بررسی بازار تکنولوژی باد در آلمان به عنوان کشوری پیشتاز در صنعت باد جهان به دست آمده، بیانگر روند تحولات این صنعت در سالهای اخیر می‌باشد.

و لذت و توجه به این داده‌ها در پیش‌بینی‌های مربوط به آینده این انرژی سودمند خواهد بود.

میانگین ظرفیت هر توربین بادی نصب شده در آلمان تقریباً 900 کیلو وات است، اما اگر فقط توربین‌های نصب شده در نیمه اول سال 2003 را در نظر بگیریم.

میانگین ظرفیت توربین‌های جدید 1560 کیلووات می‌باشد.

لذا روند آشکاری از افزایش سایز توربین‌های بادی مدرن قابل مشاهده است.

در بازار توربین‌های بادی 58 مدل توربین وجود دارد که از این 58 مدل فقط 4 مدل آن بدون گیربکس هستند که روی سایزهای متوسط و بزرگ آزمایش شده‌اند.

اما 54 مدل دیگر (شامل سایزهای متوسط، بزرگ و خیلی بزرگ) هنوز از گیربکس استفاده می‌کنند.

بنابراین توربین‌های بدون گیربکس هنوز در ابتدای راه هستند و وضعیت آنها پس از سالها تجربه و بهره‌برداری روشن خواهد شد.

در گذشته توربین‌های بادی با یک سرعت دورانی ثابت (دور روتور) کار می‌کردند، اما مدلهای امروزی تقریباً سیستم یک ساعته را کنار گذاشته و به سیستم‌های دو سرعت یا سرعت متغیر روی آورده‌اند.

از میان 58 مدل موجود در بازار، فقط 2 مدل از نوع یک سرعته هستند و 22 مدل دو سرعته و 34 مدل با سرعت متغیر دیده می‌شوند.

1-7 مزایای بهره‌برداری از انرژی باد انرژی باد نیز مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از ویژگی‌ها و مزایای بالاتری نسبت به سایر منابع انرژی برخوردار است که اهم این مزایا عبارتند از: عدم نیاز به توربین‌های بادی به سوخت، که در نتیجه از میان مصرف سوخت‌های فسیلی می‌کاهد.

رایگان بودن انرژی باد توانایی تامین بخشی از تقاضای انرژی برق کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد نسبت به انرژی‌های فسیلی کمتربودن هزینه‌های جاری و هزینه‌های سرمایه‌گذاری انرژی باد در بلندمدت تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی قدرت مانور زیاد، جهت بهره‌برداری در هر ظرفیت و اندازه (از چند وات تا چندین مگاوات) عدم نیاز به آب عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب نداشتن آلودگی محیط‌زیست نسبت به سوخت‌های فسیلی.

افزایش قابلیت اطمینان در تولید انرژی برق ایجاد اشتغال آینده انرژی باد در ایران بازار تامین انرژی یک بازار رقابتی است که در آن تولید برق از نیروگاه‌های بادی در مقایسه با نیروگاههای سوخت فسیلی برتری‌های جدیدی پیش روی دست‌اندکاران بخش انرژی قرار داده است.

همچنین فعالیت گسترده تعدادی از کشورهای جهان برای تولید الکتریسیته از انرژی باد، سرمشقی برای دیگر کشورهایی است که در این زمینه راه‌ درازی در پیش دارند.

بسیاری از منابع اقتصادی در حال رشد، در منطقه آسیا واقع شده‌اند.

اقتصاد رو به رشد کشورهای آسیایی از جمله ایران، باعث شده تا این کشورها بیش از پیش به تولید الکتریسیته احساس نیاز کرده و اقدام به تولید الکتریسیته از منابع غیر فسیلی کنند.

افزون بر این موارد، نبود شبکه برق سراسری در بسیاری از بخش‌های روستایی در کشورهای آسیایی، مهر تاییدی بر سیستم‌های تولید الکتریسیته از انرژی باد زده است.

در خصوص دورنمای آینده اقتصادی استفاده از انرژی باد در ایران می‌بایست گفت استفاده از این انرژی موجب صرفه‌جویی فرآورده‌های نفتی به عنوان سوخت می‌شود.

صرفه‌جویی حاصله در درجه اول موجب حفظ فرآورده‌های نفتی گشته که امکان صادرات و مهمتر اینکه تبدیل آن را به مشتقات بسیار زیاد پتروشیمی با ارزش افزوده بالا فراهم می‌سازد.

در درجه دوم تولید الکتریسیته از این انرژی فاقد هر گونه آلودگی زیست محیطی بوده که همین عامل کمک شایانی به حفظ طبیعت زیست بشری نموده و در نتیجه مسیر برای نیل به توسعه پایدار اقتصادی اجتماعی فراهم می‌گردد.

استفاده از انرژی باد در ایران علاوه بر عمران و آبادانی موجبات ایجاد مشاغل جدید شده و بالاخره با بومی‌سازی فناوری انرژی باد اقتصاد کشور رشد بیشتری می‌یابد.

1-8 پتانسیل‌سنجی سطحی انرژی باد: پتانسیل‌سنجی چیست؟

لفظ پتروشیمی در مباحث مربوط به انرژی از اهمیت خاصی برخوردار است، پتروشیمی در واقع به نیروی موجودی اطلاق می‌گردد که در صورت شناخت کافی و صحیح از آن می‌توان به منبع بزرگی از انرژی دست یافت، انرژی باد نیز از این قاعده مستثنی نیست.

با بررسی انرژی بالقوه باد در هر مکان راه‌حلهای تولید انرژی در ابعاد وسیع مورد بررسی قرار گرفته و اهداف مشخصی در ارتباط با بهره‌برداری از انرژی باد در آینده تعیین می‌گردد.

در ارزیابی مربوط به پتانسیل‌سنجی به بررسی عواملی همچون فاکتورهای اقتصادی، آب، هوایی و نیز فاکتورهای فنی و سازمانی پرداخته می‌شود.

استعداد جهانی برای تولید انرژی از باد، به طوری که به توان آن را به عنوان پتانسیل نهایی تعریف کرد، در چندین مطالعه به صورت کلی بررسی شده است، که در یک بررسی کلی، پتانسیل تئوریک انرژی باد در جهان در حدود (هر اگا ژول معادل ژول) معادل بشکه نفت خام برآورده شده که پتانسیل قابل بهره‌برداری آن حدود EJ110 معادل بشکه نفت خام بوده که از این مقدار تا اواسط سال 1382 خورشیدی (2003 سال) 33400 مگاوات معادل بشکه نفت خام در سال، ظرفیت نصب شده می‌باشد و پیش‌بینی شده است که تا سال 2020 میلادی 10 درصد از برق جهان توسط انرژی باد تولید شده و تکنولوژی فوق‌الذکر 7/1 میلیون شغل ایجاد نماید.

در ضمن لابراتوار شمال غربی اقیانوس آرام (PNL) در مطالعه‌ای که برای سازمان هواشناسی جهانی (WMC) انجام داد نقشه‌هایی برای منابع باد در سطح جهان تهیه کرد که در آن متوسط سرعت چگالی انرژی باد برای مناطق مختلف جهان ارائه شده است به طور کلی در طول سال‌های مختلف ممکن است تا 25% در متوسط سرعت باد تغییر حاصل شود.

در اغلب نواحی جغرافیایی اختلافات قابل توجه فصلی در سرعت متوسط باد نیز ممکن است مشاهده شود.

عمدتاً بادهای زمستانی دارای سرعت متوسط بالاتری هستند ولی در این موارد استثناء نیز وجود دارد برای نمونه در کالیفرنیا بادهای تابستانی به علت توپوگرافی محل و اثرات نسیم دریا از سایر مواقع قوی‌تر می‌باشند.

از آنجایی که به سبب تغییرات فصلی، انرژی بالقوه باد جهت تولید قدرت می‌تواند به طور قابل توجهی بیشتر از آنچه که سرعت متوسط سالیانه باد ارائه می‌دهد باشد.

بنابراین در محاسبه میزان برق تولیدی توربین‌های بادی در یک منطقه، می‌بایست علاوه بر سرعت متوسط باد، توزیع تناوبی سرعت باد را نیز مد نظر قرار داد چونکه به این ترتیب سرعت باد بسته به شرایط اتمسفری و زبری سطح با ارتفاع تغییر می‌نماید.

افزایش سرعت باد همواره با افزایش ارتفاع و معمولاً بر حسب قانون توان با توابع لگاریتمی بیان می‌شود.

تغییرات ساعتی و روزانه نیز در سرعت باد وجود دارند.

این تغییرات برای شرکت‌های تولیدکننده برق از انرژی باد بسیار مهم می‌باشند.

زیرا آنها مجبورند تولید نیروگاههای متعارف را طوری تنظیم کنند که بتوانند هماهنگی‌های لازم با تقاضای انرژی الکتریکی را به وجود آورند.

تغییرات سرعت باد در مقیاس دقیقه و ثانیه برای سازندگان توربین‌های بادی مهم می‌باشد چون در طراحی بهینه توربین بادی موثر است.

1-9 بادسنج‌ها و انواع آنها برای اندازه‌گیری سرعت باد در نواحی که مستعد تشخیص داده شده‌اند.

لازم است که ایستگاه‌های بادسنجی نصب شود.

این ایستگاه‌ها علاوه بر سرعت باد پارامترهای دیگری مانند: جهت باد دمای منطقه میزان رطوبت شدت تشعشع میزان فشار هوا را اندازه‌گیری می‌کنند.

برای سنجش هر کدام از عوامل فوق حس‌گر مخصوص این کمیت نصب و توسط آن، مقدار کمیت سنجیده می‌شود.

به عنوان مثال حس‌گری که شدت رطوبت هوا را اندازه‌گیری می‌کند Humidity نامیده می‌شود.

سرعت باد مهمترین عاملی است که در یک دستگاه بادسنجی اندازه‌گیری می‌شود.

هر ایستگاه بادسنجی حداقل دارای 3 حس‌گر بادسنج است که در ارتفاع 10 و 20 و 40 متری نصب شده و سرعت باد را اندازه‌گیری می‌کنند.

طبق آخرین استانداردهای سازمان هواشناسی اطراف ایستگاه بادسنجی تا شعاع 90 متری نباید هیچگونه موانع طبیعی یا مصنوعی قرار داشته باشد.

سنسورهای بادسنجی امروزه از نظر ساخت تنوع بسیار زیادی دارند ولی از نظر ساختاری به دو دسته بزرگ تقسیم‌ می‌شوند: نوع مکانیکی الکترونیکی یا اولتراسونیک بادسنج نوع مکانیکی، از سه نیم کره تو خالی مانند کاسه که هر کدام توسط یک بازو به محور اصلی متصل است ساخته شده به همین دلیل آن را بادسنج کاسه‌ای نیز می‌نامند.

1-10- پتانسیل باد در ایران کشور ایران 195/648/1 کیلومتر مربع وسعت دارد و در غرب قاره آسیا واقع شده و جزء کشورهای خاورمیانه محسوب می‌شود.

در مجموع محیط ایران 8731 کیلومتر می‌باشد.

حدوداً 90 درصد خاک ایران در محدوده فلات ایران واقع است.

بنابراین ایران کشورهای 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 تاثیر بادهای دریای خزر، دریای مدیترانه و خلیج‌فارس 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 تاکنون آنچه مسلم است قرارگرفتن ایران در مسیر جریان‌های مهم هوایی زیر می‌باشد.

جریان مرکز فشار آسیای مرکزی در زمستان جریان مرکز فشار اقیانوس هند در تابستان جریان غربی از اقیانوس اطلس و دریای مدیترانه مخصوصاً در زمستان جریان شمال غربی در تابستان در خصوص تعیین پتانسیل باد ایران در مطالعه فاز صفر پروژه (تعیین پتانسیل باد در ایران) که توسط معاونت امور انرژی وزارت نیرو انجام گرفته بود، 26 منطقه کشور در 45 سایت مورد مطالعه قرار گرفته است که براساس نتایج این مطالعه، ایران کشوری با باد متوسط می‌باشد که در برخی از مناطق آن باد مناسب و مداوم تری برای تولید برق موجود می‌باشد.

براساس بررسی‌های اولیه انجام شده در پروژه فوق‌الذکر، توان بالقوه انرژی باد در سایت‌های مطالعه شده حدود 6500 مگاوات برآورد گردیده است.

در این راستا، دفتر باد و امواج سازمان انرژیهای نو ایران (سانا) به منظور توسعه، ترویج و برنامه‌ریزی جهت اجرای طرح‌ها و بهره‌برداری از انرژی بادی، اقدام به نصب سایت‌های ثبت آمار لحظه‌ای باد برای امکان سنجی احداث مزارع برق بادی به شرح زیر نموده است.

نصب 10 واحد ایستگاه بادسنجی 10 ، 20 و 40 متری در استان گیلان نصب 7 واحد ایستگاه بادسنجی 10 ، 20 و 40 متری در استان آذربایجان شرقی، غربی و اردبیل پروژه پتانسیل سنجی و تهیه اطلس باد کشور 1-11 نقشه‌ها و اطلس‌های موجود باد در طی دهه گذشته، در بسیاری از کشورها مطالعاتی جهت تخمین منابع انرژی باد در دسترس در هر منطقه انجام گرفته است، برخی از این مطالعات منجر به تهیه اطلس باد مانند اطلس ملی منابع باد ایالات متحده آمریکا و اطلس ملی باد اروپا و اطلس ملی باد آمریکای لاتین و کارائیب گشته‌اند.

همچنین نقشه‌های باد برای کشورهای چین، اسپانیا، پرو، مصر، ایران، سومالی و تعدادی از کشورهای مشترک المنافع به چاپ رسیده است.

به علاوه یک نقشه باد هم برای کل دنیا چاپ شده است.

همانطور که قبلاً نیز ذکر شد در کشور ما، تهیه اطلس باد کشور به عنوان یکی از مهمترین پروژه‌های جاری سازمان انرژی‌های نو ایران (سانا) می‌باشد که در حال اجراء است.

فصل دوم استحصال انرژی از باد توسط توربین‌های بادی انرژی بادی و توربین‌های بادی از نظر عملکردی در توربین‌های بادی انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌گردد.

بهره‌برداری از انرژی باد توسط توربین‌های بادی تفکر بسیار قدیمی است.

مثلاً سیستم‌های اولیه انرژی باد در چین باستان و خاور نزدیک زمان‌های طولانی به کار گرفته می‌شدند.

یک دوره نیز در قرن پانزدهم که فعالیت‌های اقتصادی در اروپای غربی افزایش پیدا کرد از توربین‌های بادی جهت تامین نیروی مکانیکی برای پمپاژ آب و آسیاب غلات استفاده می‌کردند.

امروزه گستره فعالیت‌ها و کاربرد توربین‌های بادی طیف وسیعی از صنایع را تحت پوشش قرار می‌دهد مثلاً برای پمپاژ آب یا شارژ باتری از این توربین‌ها استفاده می‌شود.

می‌توان این توربین‌ها را جهت استفاده بهینه‌ و تولید بیشتر قدرت سلول‌های خورشیدی (فتوولتاتیک) نیز ترکیب نمود.

در حال حاضر بیشترین ظرفیت توربین‌های بادی نصب شده در چند دهه گذشته از نوع متصل به شبکه بوده است.

البته گاهی اوقات در نواحی دور افتاده از توربین‌های بادی منفصل از شبکه استفاده شده است.

شارژ باتری از کاربردهای مهم دیگری است که توربین‌های بادی دارند.

تولید انرژی مکانیکی جهت پمپاژ آب نیز از نمونه کاربردهای دیگر توربین‌های بادی است.

سیستم‌های شارژ باتری و پمپ‌های بادی با وجود کوچک بودن از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند.

2-1- تقسیم‌بندی مبدلهای بادی محققین مبدلهای بادی را از جنبه‌های گوناگون بررسی نموده‌اند و بهمین دلیل آنها را به روشهای مختلفی دسته‌بندی کرده‌اند.

در این تقسیم‌بندیها، خصوصیات هندسی مبدل و یا خصوصیات و عملکردهای نیروهای روی مبدل و یا توان مبدل و یا عوامل دیگر بعنوان معیار تقسیم‌بندی مطرح شده‌اند.

معمولترین روشهای دسته‌بندی مبدلها، دسته‌بندی براساس یکی از سه معیار زیر می‌باشد: الف – راستای محور دوران مبدل، که نوعی تقسیم‌بندی هندسی است.

ب – جهت دوران پره نسبت به جهت باد، که نوعی تقسیم‌بندی نیرویی است.

ج – میزان توان خروجی هریک از این دسته‌بندیها بنحوی خصوصیات معینی از مبدلها را مورد توجه قرار می‌دهند ک شامل برخی مزایا و معایب آنها نیز می‌باشند.

در اینجا سه نوع دسته بندی فوق مختصراً مورد بررسی قرار می‌گیرند.

2-2- دسته‌بندی با معیار هندسی مبدلهای بادی از نظر «راستای محور دوران» به یکی از دو دسته کلی زیر تقسیم می‌شوند: الف – مبدلهای بادی محور قائم ب – مبدلهای بادی محور افقی که به سادگی با مشاهده هر مبدل می‌توان آنرا در یکی از این دو دسته قرار داد.

البته این سادگی سبب کاسته شدن از ارزش این تقسیم‌بندی نمی‌شود، زیرا این روش ساده هندسی با توجه به اینکه راستای وزش باد نیز افقی می‌باشد، بنحوی یک تقسیم‌بندی نسبت به وزش باد می‌باشد.

ویژگیهای اصلی مبدلها در هریک از دو گروه فوق عبارتنداز: 1- حساسیت نسبت به جهت وزش باد : اغلب طرحهای مبدلهای محور قائم می‌توانند مستقل از جهت وزش باد به دوران خود ادامه دهند.

یعنی باد از هر جهتی بوزد، مبدل می‌تواند آن را جذب و تبدیل به انرژی مفید نماید.

اما مبدلهای محور افقی کاملاً نسبت به جهت باد حساسند و برای آنکه بتوانند کارآیی مناسب خود را داشته باشند، باید رو به باد قرار داده شوند یعنی صفحه دوران مبدل عمود بر جهت وزش باد باشد.

بدین ترتیب مبدلهای محور افقی پیچیدگی ساختاری بیشتری دارند.

2- ایمنی و سادگی : در اغلب مبدلهای محور قائم سیستم تبدیل نیرو و تولید برق روی زمین یا نزدیک سطح زمین می باشد و مبدل تقریباً بر روی سطح زمین و بطور قائم رو به بالا قرار دارد.

در حالیکه مبدلهای محور افقی بر روی برجی قرار می‌گیرند و معمولاً مکانیزم تبدیل نیرو و تولید برق آنها نیز در بالای برج قرار داده می‌شود.

در نتیجه مبدلهای محور قائم دارای ایمنی بیشتر و مکانیزم ساده‌تری هستند.

3- راندمان نسبی : مبدلهای محور افقی در ارتفاع متوسط بالاتری واقع شده و عمل می‌کنند.

از طرفی ثابت شده است که سرعت وزش باد با افزایش ارتفاع از سطح زمین بیشتر می‌شود و نیز توان تولیدی یک مبدل با افزایش سرعت وزش باد زیادتر می‌شود.

در نتیجه بطور مشخص مبدلهای افقی راندمان نسبی بالاتری دارند.

4- جهت دوران : مبدلهای محور افقی همیشه در هنگام راه افتادن در یک جهت معین حرکت می‌کنند.

ولی برخی از طرحهای مبدلهای محور قائم (بویژه بسیاری از طرحهای جدید که راندمان بسیار زیادی دارند) جهت راه‌اندازی معینی ندارند و باید یک مکانیزم ویژه، در جهت معینی راه‌اندازی شوند.

و یا توسط یک مانع، بخشی از مبدل پوشانیدهشود تا باد فقط روی بخشی از آن اثر گردد و مبدل در جهت معینی حرکت کند.

وجوه تمایز عمومی دیگری را نیز می‌توان بین مبدلهای محور قائم و افقی برشمرد.

به هرحال سادگی این دسته‌بندی در عین کارآیی بسیار زیاد آن، سبب شده است که عمومی‌ترین روش تقسیم‌بندیی باشد که توسط محققین بکار می‌رود.

2-3- دسته‌بندی با معیار نیرویی از دیدگاه هیدرودینامیک، هر جریان سیال در برخورد با یک جسم، نیرویی به آن وارد می‌آورد که دارای دو مؤلفه می‌باشد.

بعبارت دیگر جریان سیال دو نوع نیرو به اجسام وارد می‌آورد: الف- نیروی پسا : نیرویی که در راستای جریان سیال (و هم‌جهت با جریان) می باشد و سبب عقب رانده شدن جسم در امتداد جریان برخورد می‌شود.

ب – نیروی برآ :‌ نیرویی که عمود بر جریان سیال بوده و سبب کنار زده شدن جسم از امتداد جریان برخوردی می‌گردد.

در اثر جریان سیال روی جسمی دلخواه و مؤلفه‌های نیروی پسا وبرآی آن مشاهده می‌شود که به ترتیب با D و L نشان داده شده‌اند.

اگر جسم موردنظ آزاد باشد که در جریان سیال حرکت کند، واضح است که نیروی D سبب حرکت جسم در امتداد جریان (یعنی در امتداد بردار سرعت V) خواهد شد که این حرکت، سرعتی کمتر از سرعت جریان V خواهد داشت.

ولی این محدودیت در امتداد L وجود ندارد، یعنی ممکن است جسم در اثر نیروی جریان سیال در امتداد L بنحوی حرکت کند که سرعت نقاطی از آن بیش از سرعت جریان سیال گردد.

حرکت نهایی جسم، برآیند حرکت آن در این دو امتداد خواهد بود.

اگر ی مبدل بادی درنظر گرفته شود نیز عملکرد آن می‌تواند به یکی از سه نوع زیر باشد.

الف- مبدل پسایی : حرکت مبدل ناشی از نیروی پسا می‌باشد.

ب – مبدل برآیی :‌ نیروی برآ عامل اصلی حرکت مبدل می‌باشد.

ج – مبدل ترکیبی: نیروهای برآ و پسا در حرکت مبدل نقشی مهم دارند.

این دسته‌بندی پیچیدگی بیشتری نسبت به دسته‌بندی هندسی دارد و لازم است که شناختی کلی از مبدل و رفتار سیال در اطراف مبدل و عوامل تئوری و عملی دیگر وجود داشته باشد تا بتوان یک مبدل را در دسته خاص قرار داد.

ولی چون این دسته‌بندی براساس عملکرد مبدلها می‌باشد شناخت دقیق‌تری نسبت به رفتار هر مبدل بدست می‌دهد.

بعنوان مثال مبدلهای پسایی معمولاً راندمانی بسیار کمتر از مبدلهای برآیی دارند در نتیجه امروزه تقریباً تنها مبدلهای برآیی بطور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بویژه برای تولید مقادیر زیاد انرژی و در مقیاس صنعتی، فقط از مبدلهای برآیی استفاده می‌شود.