منابع انرژی

باد

اصول باد
انرژی حاصل از هوای متحرک

باد در اثر گرم شدن ناهموار سطح زمین توسط خورشید ایجاد می شود. از آنجا که سطح زمین از انواع مختلف زمین و آب تشکیل شده است، گرمای خورشید را با سرعت های مختلف جذب می کند. یک نمونه از این گرمایش ناهموار، چرخه باد روزانه است.

چرخه باد روزانه

در طول روز، هوای بالای زمین سریعتر از هوا روی آب گرم می شود. هوای گرم روی زمین منبسط می شود و بالا می رود و هوای خنک تر و سنگین تری برای ورود به جای خود هجوم می آورد و باد ایجاد می کند. در شب وزش باد معکوس می شود زیرا هوا نسبت به آب سریعتر روی زمین خنک می شود.

به همین ترتیب، بادهای جوی که زمین را دایره می کنند ایجاد می شود زیرا زمین نزدیک به استوا زمین گرمتر از زمین نزدیک به قطب شمال و قطب جنوب است.

انرژی باد برای تولید برق

امروزه از انرژی باد به طور عمده برای تولید برق استفاده می شود. آسیاب های بادی پمپاژ آب زمانی در سراسر ایالات متحده مورد استفاده قرار می گرفتند و برخی هنوز در مزارع و مزرعه ها کار می کنند، عمدتا برای تأمین آب دام ها.

تولید برق از باد
نحوه کار توربین های بادی

توربین های بادی از تیغه ها برای جمع آوری انرژی جنبشی باد استفاده می کنند. باد از روی تیغه ها جریان می گیرد و باعث ایجاد بالابر می شود (شبیه تأثیر بال های هواپیما)، که باعث چرخش پره ها می شود. تیغه ها به شافت محرک متصل می شوند که یک ژنراتور الکتریکی را تولید می کند و باعث تولید برق می شود.

تولید برق با باد

در سال 2019، توربین های بادی در ایالات متحده منبع حدود 7.3٪ از کل تولید برق در مقیاس سودمند ایالات متحده بودند .

میزان برق تولید شده از باد از سال 2000 به میزان قابل توجهی رشد کرده است. تولید برق از باد در ایالات متحده از حدود 6 میلیارد کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) در سال 2000 به حدود 300 میلیارد کیلووات ساعت در سال 2019 افزایش یافته است.

فن آوری های جدید هزینه های تولید برق از باد را کاهش داده و با انگیزه های دولت و صنعت رشد در انرژی باد تشویق شده است.

جایی که باد مهار می شود
نیروگاه های بادی نیاز به برنامه ریزی دقیق دارند

بهره برداری از نیروگاه بادی پیچیده تر از نصب ساده توربین های بادی در یک منطقه بادی است. دارندگان نیروگاه های بادی باید با دقت برنامه ریزی کنند تا توربین های بادی را در کجا قرار دهند و باید سرعت و دفعات وزش باد در محل را نیز در نظر بگیرند.

مکان های خوب برای توربین های بادی جایی است که متوسط ​​سرعت باد سالانه حداقل 9 مایل در ساعت (یا هر ساعت 4 متر در ثانیه) برای توربین های بادی کوچک و 13 مایل در ساعت (5.8 متر در ثانیه) برای کاربرد است – توربین های مقیاس دار سایت های مطلوب شامل قله های تپه های صاف و گرد است. دشتهای باز و آب و شکاف های کوهستانی که باعث قوز و شدت باد می شود. منابع باد معمولاً برای تولید برق در ارتفاعات بالاتر از سطح زمین مطلوب ترند. توربین های بادی بزرگی بر روی برج هایی قرار گرفته اند که از حدود 500 فوت تا 900 فوت قد دارند.

سرعت باد در کل کشور یکسان نیست

منابع انرژی باد در سراسر ایالات متحده به صورت ساعتی و فصلی متفاوت است. به عنوان مثال، در Tehachapi، کالیفرنیا، که تعداد زیادی توربین بادی در آن قرار دارد، باد از آوریل تا اکتبر بیشتر از زمستان می وزد، و باد معمولاً بعد از ظهر شدیدتر است. این نوسانات نتیجه گرمای شدید کویر موهاوی در ماههای تابستان است. با بالا رفتن هوای گرم صحرا، هوای خنک و متراکم بالای اقیانوس آرام با عبور از گردنه کوه Tehachapi به جای خود می رود. در مونتانا، بادهای شدید زمستانی که از طریق دره های کوه راکی ​​عبور می کنند، بادهای شدیدتری را در طول زمستان ایجاد می کنند.

خوشبختانه، تغییرات فصلی سرعت باد در کالیفرنیا و مونتانا با تقاضای برق مصرف کنندگان در این ایالت مطابقت دارد. در کالیفرنیا، مردم بعد از ظهر و تابستان از برق بیشتری استفاده می کنند. در مونتانا، مردم به طور کلی در زمستان از برق بیشتری استفاده می کنند.

مکانهای پروژه های برق بادی ایالات متحده

در سال 2019، 42 ایالت دارای پروژه های انرژی باد در مقیاس مطلوب بودند که در مجموع حدود 300 میلیارد کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) تولید کردند. پنج کشور با بیشترین تولید برق از باد در سال 2019 تگزاس، اوکلاهاما، آیووا، کانزاس، و کالیفرنیا بودند. این ایالت ها در مجموع حدود 60٪ از کل تولید برق باد ایالات متحده در سال 2019 را تولید کردند.

نیروی باد بین المللی

تولید برق بادی جهان نیز در سالهای اخیر بسیار افزایش یافته است. در سال 1990، 16 کشور در مجموع حدود 3.6 میلیارد کیلووات ساعت برق باد تولید کردند. در سال 2000، 49 کشور در مجموع حدود 31 میلیارد کیلووات ساعت و در سال 2017، 129 کشور در مجموع حدود یک هزار و 129 میلیارد کیلووات ساعت برق باد تولید کرده اند.

  • پنج کشور برتر در تولید برق بادی و سهم آنها از کل تولید برق باد در جهان در سال 2017 بوده است
  • چین 27٪
  • ایالات متحده 23٪
  • آلمان 8٪
  • هند 5٪
  • انگلستان 4٪
نیروی باد دریایی

آبهای سواحل ایالات متحده پتانسیل قابل توجهی برای تولید برق از انرژی باد دارند. ایالات متحده در حال حاضر یک پروژه انرژی بادی دریایی عملیاتی دارد: مزرعه بادی Block Island در ساحل رود آیلند با 30 مگاوات (مگاوات) ظرفیت تولید برق. چندین پروژه بادی دیگر در سواحل شرقی ایالات متحده در مرحله برنامه ریزی هستند. یازده کشور اروپایی در سال 2017 پروژه های انرژی بادی دریایی را اجرا کردند.

 در مقیاس کمکی شامل امکاناتی با حداقل یک مگاوات ظرفیت تولید برق است.

انواع توربین های بادی

توربین های بادی دو نوع اساسی دارند:

  • توربین های محور افقی
  • توربین های محور عمودی

اندازه توربین های بادی بسیار متفاوت است. طول پره ها بزرگترین عامل در تعیین مقدار برق توربین بادی است. توربین های بادی کوچکی که می توانند یک خانه مجزا را تأمین کنند ممکن است 10 کیلووات (کیلووات) ظرفیت تولید برق داشته باشند. بزرگترین توربین های بادی در حال بهره برداری دارای ظرفیت تولید برق تا 10000 کیلووات هستند و توربین های بزرگتر در حال تولید هستند. توربین های بزرگ اغلب برای ایجاد نیروگاه های بادی یا نیروگاه های بادی با هم گروه می شوند که شبکه های برق را تأمین می کنند.

توربین های محور افقی مشابه موتورهای هواپیمای پروانه هستند

توربین های محور افقی دارای تیغه هایی مانند پروانه های هواپیما هستند و معمولاً دارای سه پره هستند. بزرگترین توربین های محور افقی به بلندی ساختمان های 20 طبقه و دارای تیغه هایی با طول بیش از 100 فوت هستند. توربین های بلندتر با پره های بلندتر برق بیشتری تولید می کنند. تقریباً همه توربین های بادی که در حال حاضر استفاده می شوند توربین های محور افقی هستند.

توربین های محور عمودی مانند تخم شکن ها هستند

توربین های محور عمودی دارای پره هایی هستند که به بالا و پایین یک روتور عمودی متصل شده اند. متداول ترین نوع توربین با محور عمودی – توربین بادی Darrieus، به نام مهندس فرانسوی Georges Darrieus که این طرح را در سال 1931 ثبت اختراع کرد – مانند یک تخم مرغ کوبنده غول دو تیغه به نظر می رسد. قد برخی از توربین های محور عمودی 100 فوت و 50 فوت عرض است. امروزه تعداد بسیار کمی از توربین های بادی با محور عمودی مورد استفاده قرار می گیرند زیرا عملکرد آنها به اندازه توربین های محور افقی نیست.

نیروگاه های بادی یا مزارع بادی برق تولید می کنند

نیروگاه های بادی یا مزارع بادی، مجموعه ای از توربین های بادی هستند که مقدار زیادی برق تولید می کنند. یک مزرعه بادی معمولاً توربین های زیادی را در منطقه وسیعی پراکنده کرده است. یکی از بزرگترین مزارع بادی جهان، مرکز انرژی بادی Horse Hollow در تگزاس، دارای حدود 430 توربین بادی است که در حدود 47000 هکتار گسترش یافته اند. این پروژه دارای ظرفیت تولید برق در حدود 735 مگاوات (یا 735،000 کیلووات) است.

تاریخچه قدرت باد
هزاران سال است که مردم از انرژی باد استفاده می کنند

مردم از انرژی باد برای پیشران قایق های کنار رود نیل در اوایل 5000 سال قبل از میلاد استفاده می کردند. تا سال 200 قبل از میلاد، پمپ های آب ساده با انرژی باد در چین استفاده می شد و آسیاب های بادی با تیغه های نی بافته شده در ایران و خاورمیانه سنگ زنی می کردند.

راه های جدید استفاده از انرژی باد سرانجام در سراسر جهان گسترش می یابد. در قرن یازدهم، مردم در خاورمیانه از پمپ های باد و آسیاب های بادی برای تولید مواد غذایی بسیار استفاده می کردند. بازرگانان و صلیبی ها فناوری باد را به اروپا آوردند. هلندی ها برای تخلیه دریاچه ها و باتلاق های دلتای رود راین، پمپ های بادی بزرگی ایجاد کردند. مهاجران از اروپا سرانجام فناوری انرژی باد را به نیمکره غربی بردند.

استعمارگران آمریکایی از آسیاب های بادی برای آسیاب غلات، پمپاژ آب و برش چوب در کارخانه های اره کشی استفاده می کردند. خانه داران و دامداران هنگام استقرار در غرب ایالات متحده هزاران پمپ باد نصب کردند. در اواخر دهه 1800 و اوایل دهه 1900، ژنراتورهای کوچک الکتریکی بادی (توربین) نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند.

وقتی در دهه 1930 خطوط برق برای انتقال برق به مناطق روستایی ساخته شد، استفاده از پمپ باد و توربین های کوچک رو به زوال بود. با این حال، برخی از دامداری ها هنوز از پمپ های بادی برای تأمین آب دام استفاده می کنند. توربین های بادی کوچک عمدتاً برای تأمین برق در مناطق دور افتاده و روستایی رایج می شوند.

در پی کمبود نفت و نگرانی های زیست محیطی، استفاده از انرژی باد گسترش یافت

کمبودهای نفت در دهه 1970 فضای انرژی را برای ایالات متحده و جهان تغییر داد. کمبودهای نفتی علاقه به ایجاد روشهایی را برای استفاده از منابع انرژی جایگزین مانند انرژی باد برای تولید برق ایجاد کرده است. دولت فدرال ایالات متحده از تحقیق و توسعه توربین های بادی بزرگ حمایت کرد. در اوایل دهه 1980، هزاران توربین بادی در کالیفرنیا نصب شد، بیشتر به دلیل سیاست های فدرال و ایالتی که استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر را تشویق می کرد.

در دهه 1990 و 2000، دولت فدرال ایالات متحده انگیزه هایی را برای استفاده از منابع تجدیدپذیر انرژی در پاسخ به نگرانی مجدد برای محیط زیست ایجاد کرد. دولت فدرال همچنین بودجه تحقیق و توسعه را برای کمک به کاهش هزینه توربین های بادی فراهم کرد و مشوق های مالیاتی و سرمایه گذاری را برای پروژه های برق بادی ارائه داد. علاوه بر این، دولت های ایالتی الزامات جدیدی را برای تولید برق از منابع تجدید پذیر تصویب کردند و بازاریابان و شرکت های برق شروع به تولید برق تولید شده از باد و سایر منابع انرژی تجدیدپذیر (که بعضاً به عنوان انرژی سبز نامیده می شود ) به مشتریان خود می کنند. این سیاست ها و برنامه ها منجر به افزایش تعداد توربین های بادی و میزان برق تولید شده از انرژی باد شد.

سهم تولید برق ایالات متحده از باد از کمتر از 1٪ در سال 1990 به حدود 7.3٪ در سال 2019 افزایش یافت. مشوق ها در اروپا باعث گسترش گسترده استفاده از انرژی باد در آنجا شده است. چین سرمایه گذاری زیادی در انرژی بادی انجام داده و هم اکنون بزرگترین تولید کننده برق بادی در جهان است. در سال 1990، 16 کشور در مجموع حدود 3.6 میلیارد کیلووات ساعت برق باد تولید کردند. در سال 2017، 129 کشور در مجموع حدود 1.13 تریلیون کیلووات ساعت برق باد تولید کرده اند.

انرژی باد و محیط زیست
باد منبع انرژی عاری از انتشار است

باد یک منبع انرژی تجدید پذیر است. به طور کلی، استفاده از باد برای تولید انرژی تأثیرات کمتری نسبت به بسیاری از منابع انرژی دیگر بر محیط زیست دارد. توربین های بادی انتشاراتی را که می تواند هوا یا آب را آلوده کند آزاد نمی کنند (به استثنای موارد نادر) و برای خنک سازی به آب نیاز ندارند. توربین های بادی همچنین ممکن است میزان تولید برق از سوخت های فسیلی را کاهش دهند، که منجر به کاهش آلودگی هوا و انتشار دی اکسید کربن می شود.

یک توربین بادی منفرد ردپای فیزیکی نسبتاً کمی دارد. گروههایی از توربینهای بادی، که بعضاً مزارع بادی نامیده می شوند، در زمینهای آزاد، بر روی پشته کوهها یا در دریاچه ها یا اقیانوس قرار دارند.

توربین های بادی بر محیط زیست تأثیر می گذارند

توربین های بادی مدرن می توانند ماشین های بسیار بزرگی باشند، و ممکن است از لحاظ بصری بر چشم انداز تأثیر بگذارند. تعداد کمی از توربین های بادی نیز آتش گرفته اند و برخی از آنها مایعات روانکاری نشت کرده اند، اما این موارد نادر است. برخی از افراد صدایی را که پره های توربین بادی هنگام چرخش در باد ایجاد می کنند دوست ندارند. برخی از انواع توربین های بادی و پروژه های بادی باعث مرگ پرندگان و خفاش ها می شوند. این مرگ و میرها ممکن است منجر به کاهش جمعیت گونه هایی شود که تحت تأثیر سایر تأثیرات انسانی نیز قرار دارند. صنعت انرژی باد و دولت ایالات متحده در حال تحقیق در مورد روش های کاهش اثر توربین های بادی بر پرندگان و خفاش ها هستند.

اکثر پروژه های برق بادی در خشکی به جاده های خدماتی نیاز دارند که به تأثیرات فیزیکی بر محیط زیست می افزایند. توربین های بادی همچنین ممکن است از مواد معدنی کمیاب خاکی استفاده کنند. این مواد معدنی غالباً در کشورهایی با استانداردهای زیست محیطی سختگیرانه کمتر از ایالات متحده واقع شده اند و استخراج این مواد معدنی می تواند اثرات منفی بر محیط زیست داشته باشد. تولید فلزات و سایر مواد مورد استفاده برای ساخت توربین های بادی و بتن مورد استفاده برای پایه های آنها نیاز به انرژی دارد که ممکن است توسط سوخت های فسیلی تولید شده باشد.