توربین‌های بادی (آشنایی با نظریه‌ها و اجزای سازنده)

مقدمه

انسان از انرژی برای دستیابی به دو هدف استفاده می‌کند:

۱- فراهم کردن گرما برای کاربردهایی مانند گرمایش ساختمان‌ها، پخت‌وپز و…

۲- تولید برق برای به کار انداختن ماشین‌ها و نیز روشنایی ساختمان‌ها

شکل‌های گوناگون انرژی

یکای انرژی، ژول است که با نماد J نشان داده می‌شود. نرخ تولید یا مصرف انرژی را قدرت گویند که یکای آن ژول بر ثانیه یا وات است که با نماد w نشان داده می‌شود. شکل‌های گوناگونی از انرژی وجود دارد که برخی از آن‌ها به‌قرار زیر است:

۱- انرژی مکانیکی: منظور انرژی مکانیکی، توانایی انجام کارهای فیزیکی است. انرژی مکانیکی در قالب انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی ظاهر می‌شود:

الف- انرژی پتانسیل: این نوع انرژی در اجسامی یافت می‌شود که ارتفاع بالاتری نسبت به اطراف خود دارند؛ مانند انرژی ذخیره شده در آب پشت سدها. انرژی پتانسیل یک جسم را از رابطه ی زیر محاسبه می کنیم:

۱-۱                                                                                                   E_p= mgh

در این رابطه، m نماد جرم جسم مورد نظر با یکای کیلوگرم، g نماد شتاب گرانشی زمین با یکای متر بر مجذور ثانیه و h نماد ارتفاع از سطح زمین با یکای متر است. به طور مثال، انرژی پتانسیل یک جسم ۱ کیلوگرمی در ارتفاع ۱۰۰ متری را این گونه بدست می آوریم:

E_p = 1´9/81´100=981J

ب -انرژی جنبشی: این نوع انرژی مربوط به انرژی موجود در اجسام در حال حرکت است و از رابطه زیر به دست می آید:

۲-۱

انرژی موجود در آب در حال حرکت در رودخانه، نمونه ای از انرژی جنبشی است. به طور مثال، انرژی جنبشی یک کیلوگرم آب که با سرعت ۲ متر بر ثانیه در حال حرکت است را این گونه محاسبه می کنیم:

J                                                                     ۳-۱

۲- انرژی الکتریکی: انرژی است که از حرکت الکترون ها در مواد رسانا به وجود می آید. انرژی الکتریکی کاربردهای زیادی در زندگی امروزه دارد. راه اندازی ماشین آلات و دستگاه های صنعتی و نیز استفاده از برق در روشنایی ساختمان‌ها، از عمده ترین کاربردهای انرژی الکتریکی است.

۳- انرژی شیمیایی: انرژی ذخیره شده در مواد شیمیایی است که بر اثر واکنش های شیمیایی آزاد می شوند. انرژی آزاد شده بر اثر سوختن چوب، نفت وگاز، همگی سرچشمه ی شیمیایی دارند. برای محاسبه ی انرژی شیمیایی، می‌بایست جرم سوخت را در ارزش گرمایی آن و راندمان احتراق ضرب کنیم.

۴- انرژی هسته ای: انرژی ای که در هسته ی اتم عنصرها ذخیره شده و بر اثر واکنش های هسته ای آزاد می‌شود.

۵- انرژی حرارتی: انرژی ای که به صورت گرما ظاهر می‌شود و علت آن جنبش و ارتعاش مولکول هاست.

چرا از نیروی باد استفاده کنیم؟

منظور از به کارگیری نیروی باد، استفاده از انرژی جنبشی موجود در باد و تبدیل آن به الکتریسیته است. با تولید برق از نیروی باد، وابستگی به منابع نفتی و سوخت های فسیلی کم می‌شود. این موضوع باعث کاهش تولید گازهای گلخانه ای شده که منجر به گرم شدن کره ی زمین شده‌اند. طراحی، ساخت و تولید توربین‌های بادی، نصب آن‌ها و تعمیر و نگهداری آن‌ها همگی اشتغال زایی فراوانی را فراهم می کنند. در مناطق محروم و یا صعب العبور که دسترسی به شبکه ی برق شهری وجود ندارد، با استفاده از توربین‌های بادی می توان به این مناطق برق رسانی کرد. البته یکی از کاستی های تولید برق با استفاده از نیروی باد این است که تنها در هنگام وزش باد می توان الکتریسیته تولید نمود. البته این موضوع هیچ مشکلی برای بیشتر کشورها به وجود نمی آورد؛ چرا که بسیاری از کشورها دارای مناطقی هستند که تولید الکتریسیته در آن جا با کمک توربین‌های بادی، صرفه ی اقتصادی دارد. انرژی جنبشی موجود در باد، با توان دوم سرعت باد ارتباط مستقیم دارد. در بحث استفاده از انرژی باد، درک درستی از ویژگی های باد، دارای اهمیت زیادی است. یکی از ویژگی های مهم باد، ثابت نبودن سرعت و شدت وزش آن است. وزش باد، تابعی از زمان و مکان است؛ به این صورت که ویژگی های باد، درهر مکان و در هر زمانی باهم متفاوت هستند. اقلیم های فراوانی در جهان وجود دارند که برخی از آن‌ها، بادخیزتر از بقیه هستند. مقدار وزش باد در یک مکان، تابعی از ارتفاع آن مکان هم هست. عوارض زمین مانند وجود کوه، دریا، دره، جنگل و… همگی در چگونگی وزش باد و ویژگی های آن تأثیر دارند. شب و روز و فصل‌های گوناگون سال نیز از پارامتر های مهم پیرامون موضوع وابستگی باد به زمان است؛ چرا که دمای هوا و فشار و رطوبت آن و دیگر ویژگی ها، در یک شبانه روز و از فصلی به فصل دیگر و حتی در سالیان پی در پی، همگی با یکدیگر متفاوت هستند. جذب انرژی خورشید توسط اتمسفر زمین و نیز وجود عوارض طبیعی، باعث بوجود آمدن مناطقی با فشار هوای گوناگون می‌شود. وجود این اختلاف فشار باعث می‌شود تا هوای موجود در اتمسفر از مناطق با فشار بالاتر به طرف مناطق با فشار پایین تر حرکت کنند. این سرزمین ها گاهی تا چند صد کیلومتر گستردگی دارند. تابش پرتوهای خورشیدی، تبخیر آب دریاها، وجود ابر، ناصافی سطح و… همگی در چگونگی حرکت جریآن‌های هوایی اثر دارند.

تاریخچه ی استفاده از نیروی باد

از گذشته تاکنون، آب و باد دو منبع مهم انرژی برای انسان بوده اند. وجود آسیاب های بادی و آبی که در گذشته های دور برای آبیاری کشتزار ها و خرد کردن گندم به کار می رفتند، گواه این است که بهره گیری انسان از انرژی باد، سابقه ای بس طولانی دارد. از نیروی باد به مدت چندین قرن برای به حرکت درآوردن کشتی ها استفاده می شده است. برتری بسیاری از کشورها در گذشته، به دلیل توانایی آن‌ها در به کارگیری کشتی هایی بوده که با نیروی باد حرکت می کردند.

آسیاب های بادی ایرانی با قدمت نزدیک به هزار سال پیش از میلاد مسیح (سه هزار سال پیش)، کهن ترین آسیاب های بادی شناخته شده هستند. اساس کار آسیاب های بادی ایرانی مانند توربین‌های بادی است که بر پایه ی نیروی پسا[1] کار می کنند؛ به بیان دیگر پره‌های به کار رفته در این گونه آسیاب ها با نیروی مستقیم باد شروع به چرخش حول محور خود می کنند. نکته ی جالب توجه این است که در اطراف پره ها و حول شفت اصلی، دیوار هایی با محاسبات ویژه به گونه ای قرار داده شده‌اند که باعث می‌شود تا باد از هر جهتی که بوزد، به درون فضای آسیاب بادی هدایت شود و پره ها را بچرخاند؛ به این ترتیب بدون توجه به مسیر وزش باد، همیشه می توان از این آسیاب های بادی بهره برد.

دانمارکی ها در استفاده از نیروی باد برای تولید برق پیشتاز بودند. آن‌ها نخستین بار به همین منظور از یک توربین بادی با قطر ۲۳ متر در سال ۱۸۹۰ برای تولید الکتریسیته استفاده کردند.

۱ نیروی پسا برگردان واژه ی drag force می باشد و نیرویی است که باعث می شود تا جسم مورد نظر به عقب رانده شود.