انرژی تجدیدپذیر باد

تاریخچه استفاده از انرژی باد
بشر از زمانهای بسیار دور انرژی باد را به شیوه های مختلف بکار گرفته است. ایرانیان اولین کسانی بودند که در حدود 200 سال قبل از میلاد مسیح برای آردکردن غلات از آسیابهای بادی استفاده کرده­اند که امروزه آثار آن در نواحی خواف و تایباد در شرق کشور به چشم می خورد. همچنین مصریان باستان از نیروی باد برای راندن کشتی های خود روی رودخانه نیل استفاده می­کرده و در قرن هفدهم میلادی، مردم هلند با بهبود طراحی پایه آسیابهای بادی گام بزرگی در این مسیر برداشتند.
اوایل از انرژی باد در قالب آسیاب های بادی برای آسیاب گندم و ذرت، پمپ کردن آب و قطع درختان استفاده شده و امروزه از انرژی باد غالبا در تولید برق با استفاده از توربین های بادی بهره گیری می­گردد. اولین توربین های بادی در آغاز قرن بیستم ساخته شده و فعال ترین کشور ها در این زمینه آلمان، ایتالیا، آمریکا، دانمارک و هند می باشند.
توربین های بادی
توربین های بادی انرژی جنبشی باد را به توان مکانیکی تبدیل می نمایند که این توان مکانیکی از طریق شفت به ژنراتور انتقال پیدا کرده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می­شود. توربین های بادی بر اساس یک اصل ساده کار می کنند؛ انرژی باد دو یا سه پره ای را که به دور روتور توربین بادی قرار گرفته اند بچرخش در می آورد و توسط ژنراتور برق تولید می گردد. توربین ها به دو دسته تقسیم می گردند، توربین با محور چرخش عمودی و توربین با محور چرخش افقی.گفتنی است که توربین هایی که محور چرخش افقی هستند کاربرد بیشتری دارند

کاربرد توربینهای بادی

الف- کاربردهای غیرنیروگاهی شامل:
· پمپهای بادی آبکش جهت :
- تأمین آب آشامیدنی حیوانات در مناطق دور افتاده
- آبیاری در مقیاس کم
- آبکشی از عمق کم جهت پرورش آبزیان
- تأمین آب مصرفی خانگی
· کاربرد توربینهای بادی کوچک بعنوان تولید کننده برق برای مجتمع­های مسکونی
· شارژ باتری

ب - کاربردهای نیروگاهی
· نیروگاههای بادی منفرد جهت تأمین انرژی الکتریکی واحدهای مسکونی، تجاری، صنعتی
و یا کشاورزی
· مزارع برق بادی جهت تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق شبکه

اتصال به شبکه ی برق بادی تولیدی
پس از تولید برق توسط توربین های بادی می بایستی این برق به شبکه های محلی مستقر در نزدیکی مزارع بادی تزریق گردد شرایط اتصال به شبکه عبارت انداز: 1- توان تولیدی باید بین 50 تا 60 هرتز باشد، 2- کیفیت شبکه های الکتریکی برق محلی باید در حد قابل قبولی باشد، 3- شبکه به اندازه کافی قوی باشد تا در برابر الکتریسیته ی تولیدی بادی تحمل بالایی از خود نشان دهد. می­بایست توجه گردد که مقایسه عرضه و تقاضا در خطوط شبکه برق بسیار مهم است. سیستم عرضه شامل چند واحد تولیدکننده ی برق مانند هسته ای- توربین گاز سیکل ترکیبی- برق آبی- توربین بادی و ذغال سنگی متصل به شبکه می باشد. از میان اینها یکی به عنوان تولیدکننده اصلی(main base) و مابقی به عنوان مکمل می باشند، در انتخاب تولیدکننده اصلی باید سراغ سیستم های تولیدی رفت که با وجود هزینه ی سرمایه گذاری بالای اولیه، هزینه ی جاری (running) آنها پایین باشد، توربین های بادی به علت دارا بودن این خصوصیت می توانند به عنوان تأمین کننده ی اصلی انتخاب شوند برای مثال به علت هزینه های پایینِ جاریِ گفته شده در توربین­های بادی نسبت به ذغال سنگ بهتر است از حداکثر پتانسیل توربین های بادی در طول روز استفاده گردد.
انرژی‏های دریایی
از میان انرژی‏های تجدیدپذیر، انرژی‏های دریایی از پاکترین و پرظرفیت‏ترین انرژی‏ها به شمار می روند. و به همین دلیل کشورهای پیشرفته دنیا برنامه‏های جامعی برای استحصال انرژی از دریاها و اقیانوس‏ها دارند. در ادامه به معرفی مختصر انواع انرژی‏های تجدیدپذیر دریایی پرداخته می‏شود. منشا انرژی‏های دریایی نیز مانند همه انرژی‏های مورد استفاده ما، خورشید است. انرژی‏های قابل استحصال از دریا به طور کلی شامل منابع زیر است، که به اختصار در ادامه می آید:
· جزرومد _ روش سنتی به دام انداختن آب و ایجاد اختلاف تراز
· امواج _ شامل امواج خط ساحلی، نزدیک ساحل و فراساحلی
· باد فراساحلی
· جریانات _ عموما ناشی از جزرومد
· اختلاف گرمایی _ سامانه‏ های موسوم به OTEC
· اختلاف چگالی (شوری)
· منابع زیستی و رسوبات دریایی

انرژی جزرومد
تاریخچه استفاده از انرژی جزرومد به قرن یازدهم میلادی برمی­گردد که سد‏های متعدد کوچکی در دهانه نهرها زده می شد و از آب پشت آنها جهت آسیاب کردن غلات استفاده می گردید.
انرژی جزرومد معمولا توسط سامانه‏ هایی شبیه سد‏های هیدرولیکی معمولی مهار می شود. به این ترتیب که در هنگام بالا آمدن آب مخازنی در ساحل پر شده و آبی که در آن به دام افتاده است در هنگام پایین رفتن تراز آب از دریچه‏ های سد عبور داده می شود و توربین‏های آبی را برای تولید برق می چرخاند. البته می توان در صورت وجود شرایط مناسب منطقه ای و تاسیسات لازم، در هنگام بالا بودن تراز آب هم عکس این عمل را انجام داد و از یک جزرومد دو بار انرژی استحصال کرد. برای بهره برداری اقتصادی از این سامانه‏ ها، اختلاف تراز آب در حالت جزر و حالت مد باید متوسطی معادل حداقل 5 متر داشته باشد که طبق مطالعات تنها 40 نقطه در دنیا چنین اختلاف ترازی را تجربه می کنند. نود درصد کل انرژی که در دنیا به این روش تولید می شود تنها در یک کشور و در منطقه La Rance فرانسه است که اولین نیروگاه جزرومدی جهان نیز به شمار می آید. این نیروگاه در طول 6 سال از 1960 تا 1966 ساخته شده و 240 مگاوات ظرفیت تولید برق دارد.
انرژی امواج
انرژی امواج عمدتا ناشی از تاثیر باد روی سطح دریا است و باد، خود حالت خاصی از انرژی خورشیدی است که به عنوان منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر می تواند نقش مهمی در تامین نیازهای روزافزون انرژی جهان ایفا نماید.
انرژی موج نامنظم، نوسانی و دارای فرکانس پایین است که قبل از اضافه شدن به شبکه باید به فرکانس 60 هرتز تبدیل شود. بر اساس برآوردهای انجام شده، کل انرژی امواج در جهان 2 تراوات (2 میلیون مگاوات) انرژی الکتریکی باشد. به طور تقریبی حداکثر 20 درصد از این انرژی قابل استحصال است. تا اواسط دهه 90 بیش از 12 سامانه متمایز برای استحصال این انرژی پیشنهاد شده و اکنون تعداد بیشتری از سامانه‏ های جدید معرفی شده اند که تنها تعداد کمی از آنها از نظر اقتصادی و فنی امکان‏پذیر هستند.
انرژی موج را نمی توان در هر نقطه ای استحصال کرد. بهترین مناطق جهت احداث نیروگاه، نقاطی است که ارتفاع موج زیاد باشد بنابراین مناطق بادخیز که عموما بین عرض‏های جغرافیایی 40 و 60 درجه هستند، یا تنگه‏ های باریک، حاشیه جزایر و قطعات خشکی مرتفع کنار دریا مناطق مناسبی محسوب می شوند. سواحل غربی اسکاتلند، شمال کانادا، جنوب آفریقا، و سواحل شمال شرقی و شمال غربی ایالات متحده آمریکا از نظر پتانسیل انرژی امواج غنی هستند. برآوردها حاکی از آن است که تنها در شمال غربی اقیانوس آرام امکان تولید 40 تا 70 کیلووات انرژی الکتریکی از هر متر از سواحل غربی وجود دارد. این سواحل بیش از 1600 کیلومتر طول دارند که به طور متوسط از هر کیلومترسواحل لااقل می توان 10 مگاوات انرژی تولید کرد.
فن­آوری تولید انرژی از امواج شامل تهیه انرژی از موج و تبدیل آن به انرژی الکتریکی از طریق تبدیل اولیه، تبدیل با واسطه، تولید انرژی و انتقال انرژی است.مبدل­های اولیه انرژی در طول سال­های شروع تحقیقات خیلی سریع توسعه یافتند. به­طور کلی می­توان مبدل­های اولیه را به 5 گروه تقسیم کرد.
1) جسم متحرک: این روش از انرژی موج برای حرکت دادن یک جسم و تبدیل حرکت آن به انرژی الکتریکی بهره می­جوید.
2) ستون نوسانگر آب (OWC): ستونی از آب در یک لوله بدون کف یا جعبه شناور روی سطح دریا بالا و پایین می­رود و این حرکت تولید جریانی از هوا با سرعت زیاد می­نماید که می­تواند توربین را به حرکت در آورد.
3) سطح فشرده شونده: از تغییرات فشار آب برای ایجاد هوای فشرده درون یک سامانه مغروق استفاده می­کند. این فشار می­تواند تبدیل به جریانی از هوا یا آب شود و به انرژی الکتریکی تبدیل گردد.
4) دستگاه سر ریز کننده موج: در این روش ارتفاع موج با کم کردن عمق آب افزایش پیدا کرده و آب تا ارتفاع بیشتری به بالا پمپ می­شود.
5) دستگاه­های متمرکز کننده موج: تراز متوسط آب دریا را در نقاط مشخص افزایش داده و از روش­های سازه­های قیفی شکل و به تله انداختن امواج بلند استفاده می­نماید.
این تقسیم ­بندی را می­توان از لحاظ مکان نصب به­ صورت فراساحلی، نزدیک ساحل و در ساحل نیز در نظر گرفت. این سامانه ‏ها ممکن است به حالت‏های مختلفی نصب شوند؛ ثابت در کف دریا، شناور روی آب، غوطه ور در زیر آب در مناطق فراساحلی و یا در بستر دریا در مناطق کم عمق ساحلی. می‏توان آنها را در منطقه فراساحلی به صورت کاملا مغروق نصب کرد که در این صورت تاسیسات را می توان تا سطح آب هم امتداد داد. البته در عمل به جز بویه‏ های ناوبری که از امواج برای تامین انرژی خود استفاده می کنند، بیشتر نمونه ‏های عملی این سامانه‏ ها در نزدیکی ساحل ساخته می شوند. با ساخت تاسیسات تبدیل انرژی موج در منطقه فراساحلی می تواند 3 تا 8 برابر بیشتر از مناطق ساحلی انرژی الکتریکی برداشت کرد اما هزینه‏ های ساخت تاسیسات فراساحلی و خطوط انتقال برق فراساحلی آنقدر زیاد است که پروژه را غیرعملی می سازد.
انرژی جریانات دریایی
انرژی حاصل از جریانات کمتر مورد بررسی قرار گرفته است و حتی در برخی منابع معتبر انرژی‏های تجدیدپذیر، از این منبع به عنوان منبع انرژی نام برده نشده است. استحصال انرژی از این طریق نیز نسبت به بقیه منابع جدیدتر است و تنها می توان به یک یا دو نمونه که در عمل ساخته شده اند اشاره کرد.
شرکت انگلیسی Marine Current Turbine یا MCTدر این زمینه پیشرو بوده و پس از نصب توربین‏های 300 کیلوواتی Seagen در خلیج Bristol هم اکنون در حال نصب توربین‏های 1.2 مگاواتی در شمال ایرلند است. این فن‏آوری بسیار شبیه توربین‏های بادی کار می کند و از جریان سیال آب جهت چرخاندن پره‏ های بزرگ استفاده می نماید. می توان این فن‏آوری را در مناطقی که سرعت جریان جزرومدی بالا است و یا در مناطقی که جریانات پایدار اقیانوسی سرعت قابل قبولی دارند نصب کرد. محصول این شرکت که Seagen نام دارد از دو پره دایره‏ای با قطر 15 تا 20 متر تشکیل شده که موتوری را می چرخانند. سرعت چرخش این پره‏ها 12 دور در دقیقه است که برای جانوران بزرگ دریایی عبور کننده خطرناک نباشد. در کشور ما نیز به علت وجود تنگه‏ ها و خورهای دارای جریانات با سرعت قابل توجه، احتمالا امکان استفاده از این فن آوری وجود دارد.

انرژی ناشی از اختلاف گرمایی Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC)
این نیروگاهها با بهره برداری از اختلاف دمای میان سطح و عمق اقیانوس یک سیکل حرارتی باد و چشمه عظیم گرم و سرد تشکیل می‌دهند و از این راه می‌توان با استفاده از ایجادبخار و تقطیر موادی مانند پروپان با آمونیاک سیکل حرارتی کاملی را تشکیل داد وبوسیله تجهیزات ویژه‌ای انرژی مکانیکی و در نهایت انرژی الکتریکی تولید نمود.
انرژی ناشی از اختلاف چگالی (شوری)
از اختلاف چگالی و لایه بندی شدن آب دریاها و اقیانوس‏ها می توان اختلاف فشار ایجاد کرده و از این اختلاف فشار برای تولید الکتریسیته استفاده کرد.
در این تحقیق تنها منابع باد، موج، جریان و جزرومدمورد بررسی قرار خواهند گرفت. چرا که در روش OTEC نیاز به عمق زیاد و اختلاف دمای سطح و عمق بیش ار 20 درجه سانتی‏گراد داریم که در معدود نقاطی از دنیا قابل انجام است.