تحقیق انرژی ، کار و گرما
باد هواي در حال حركت است. باد به وسيلة گرماي غير يكنواخت كه سطح كرة زمين كه حاصل عملكرد خورشيد است، بوجود مي‌آيد. از آنجائيكه سطح زمين از سازنده‌هاي خشكي و آبي قنوعي تشكيل شده‌اند، اشعة خورشيد را بطور غيريكنواخت جذب مي‌كند. وقتي خورشيد در طول روز مي‌تابد، هواي روي سرزمين‌هاي خشكي سريعتر از هواي روي سرزمين‌هاي آبي گرم مي‌شود. هواي گرم روي خشكي ضبط شده و بالا مي‌رود و هواي خنك تر و سنگين تر روي آب جاي آنرا مي‌گيرد كه اين فرآيند بادهاي محلي را مي‌سازد. در شب، از آنجا كه هوا روي خشكي سريعتر از هواي روي آب خنك مي‌شود، جهت باد برعكس مي‌شود.
به همين طريق بادهاي بزرگ جوي كه زمين را دور مي‌زنند به علت اينكه هواي سطحي نزديك استوا در اثر گرماي خورشيد بيشتر از هواي قطب شمال و جنوب گرم شده، بوجود مي‌آيند. از آنجا كه باد تا زمانيكه خورشيد به زمين مي‌تابد، بطور پيوسته توليد خواهد شد، آنرا منبع انرژي تجديد شونده مي‌نامند. امروزه، انرژي بادي عمدتاً براي توليد برق بكار برده مي‌شود.
تاريخچة باد
در طي تاريخ، انسانها باد را به شيوه‌هاي مختلف به كار بردند. بيش از پنج هزار سال پيش، مصريان باستان از نيروي باد براي راندن كشتي‌هاي خودروي رود نيل استفاده كردند. بعد از آن، انسان آسياب بادي را براي آسياب كردن بذر خود ساخت. جديدترين آسياب بادي متعلق به ايران است. اين آسياب شبيه به پاروهاي بسيار بزرگ بوده.
قرن‌ها بعد، مردم هلند طرح پاية آسياب بادي را بهبود دادند. آنها تيغه‌هاي پروانه مانند ساخته شده از پره‌هاي نو به آسياب بادي اضافه كردند و روشي براي تغيير جهت آن مطابق با جهت باد ابداع كردند. آسيابهاي بادي به هلندي‌ها كمك كردند كه در قرن 17 صنعتي ترين كشور جهان باشند.
برخی از کشورها آسيابهاي بادي را براي آسياب گندم و ذرت، پمپ كردن آب و قطع درختان به كار مي‌بردند. در سال 1920 در کشورهای توسعه یافته از آسيابهاي كوچك براي توليد برق روستايي بدون خدمات برق به كار بردند. در سال 1930 زمانيكه خطوط نيرو شروع به انتقال برق از نواحي روستايي كرد، آسيابهاي محلي كمتر و كمتر شدند، اگرچه در حال حاضر نيز مي‌توان آنها را ديد.
ذخاير نفت در سال 1970 تصوير انرژي را براي كشورهاي جهان عوض كرد. اين امر محيطي بازتر براي منابع جايگزين انرژي خلق كرد و راه را براي ورود مجدد آسيابهاي بادي به چشم انداز آمريكايي در توليد برق هموار كرد.
مكانيسم‌هاي آسيابهاي بادي
آسيابهاي بادي چون سرعت باد را كم مي‌كنند، مي‌توانند كار كنند. باد روي تيغه‌هاي ورقه مانند نازكي جريان يافته و آنها را بلند مي‌كند و باعث چرخش آنها مي‌شوند (مانند تأثير باد روي بالهاي هواپيما) تيغه‌ها به ميلة هدايت متصل است و آن نيز يك مولد برق را چرخانده و الكتريسيته توليد مي‌كند.
مكانيسم‌هاي بادي نو
مكانيسم‌هاي بادي امروزه از لحاظ فني بسيار پيشرفته‌تر از انواع قديمي هستند. در اين مكانيسم همچنان براي جمع‌آوري انرژي حركتي باد از تيغه‌ها استفاده مي‌شود اما اين تيغه‌ها كه از فايبرگلاس يا هر مادة محكم ديگر ساخته شده‌اند.
مكانيسم‌هاي بادي مدرن هنوز با مشكلاتي دست و پنجه نرم مي‌كند، مثلاً اينكه وقتي باد نمي‌وزد بايد چه كرد. توربين‌هاي بزرگ به شبكة نيرويي خدماتي متصل شده‌اند. برخي از آنها هنگامي كه بادي نمي‌وزرد، جمع مي‌شوند. توربين‌هاي كوچك گاهي اوقات به مولدهاي الكتريكي ـ ديزلي متصلند و يا گاهي اوقات داراي باتري براي ذخيرة برق اضافي جمع آوري شده در هنگام وزش بادهاي شديد، هستند.
انواع آسيابهاي بادي
امروزه عموماً دو نوع مكانيسم بادي استفاده مي‌شود، محور افقي با تيغه‌هاي شبيه به پرة هواپيما و محور عمودي كه شبيه به فرفره است.
مكانيسم بادي محور افقي به علت اينكه مواد كمتري براي يك واحد برق نياز دارد، بيشتر مورد استفاده است. حدود 95 درصد مكانيسم‌هاي بادي افقي محور هستند. ماشين بادي افقي ويژه‌اي داراي ارتفاعي به اندازة يك ساختمان 20 طبقه و سه تيغه دارد كه قطر چرخش آن 200 متر است. بزرگترين ماشينهاي بادي دنيا تيغه‌هايي بزرگتر از يك زمين فوتبال دارند! ماشينهاي بادي براي اينكه باد بيشتري را به دام بيندازند، بلند و عريض هستند.
ماشينهاي آسياب بادي افقي
ماشينهاي بادي با محور قائم تنها پنج درصد ماشينهاي بادي بكار برده شده در دنياي امروز را به خود اختصاص داده است. نوع نمونه آن 100 متر طول و 50 متر پهنا دارد.
هر ماشين باري امتيازات و ايرادات خود را دارد. ماشينهاي با محور افقي نياز به روشي براي نگهداشتن گرداننده رو به باد دارد. اين كار با يك دم روي ماشينهاي كوچك انجام مي‌گيرد. در ماشينهاي بزرگ، يا يك گردانند در بخش پاييني برج قرار دارد كه كاري شبيه به بادنماي هواشناسي را انجام مي‌دهد و يا يك موتور هدايت كننده به كار برده مي‌شود، ماشينهاي با محور قائم مي‌توانند باد را در هر جهتي قبول كنند.
دستگاههاي نيروي بادي
دستگاههاي نيروي بادي يا فراري بادي، سري ماشينها بادي است كه براي توليد برق بكار برده مي‌شوند. يك مزرعة بادي معمولاً داراي چندين ماشين پخش شده در ناحية وسيعي است. دستگاههاي هسته‌اي يا ذغالي و بسياري از دستگاههاي بادي غالباً به شركت‌هاي با منافع عمومي داده نمي‌شوند. در عوض آنها توسط تاجراني كه برق توليد شده از مزرعة بادي را براي خدمات رفاهي مي‌فروشند، اداره و مديريت مي‌شود. اين شركت‌هاي خصوصي به عنوان «توليد كننده‌هاي مستقل نيرو» شناخته مي‌شوند.
به كار اندازي يك دستگاه نيروي بادي كار آساني نيست و مالكان آن بايد براي تعيين موقعيت نصب آن به دقت برنامه ريزي كنند. آنها بايد ميزان وزش باد، شرايط هواشناسي محلي، نزديكي خطوط انتقال برق و كدهاي منطقه‌بندي محلي را در نظر بگيرند.
دستگاههاي بادي به زمين‌هاي زيادي نياز دارند. يك ماشين بادي حدوداً به دو جريب زمين نياز دارد. يك دستگاه نيروي بادي صدها جريب زمين نياز دارد. از طرف ديگر، كشاورزان مي‌توانند در اطراف ماشينهاي بادي محصولات خود را به بار آورده و يا به چراي گله‌هاشان بپردازند.
وقتي يك دستگاه شناخته شد، هنوز هزينه‌هايي باقي مي‌ماند. در برخي حالات، هزينه‌هاي باقيمانده با بخشش‌هاي مالياتي كه به منابع تجديدپذير انرژي داده مي‌شود، حيران مي‌شوند. دستگاه سياليست‌هاي منظم منافع عمومي يا PURPA هم براي خريداري برق از توليد كننده‌هاي مستقل نيرو با قيمت‌هاي منصفانه به شركت‌هايي نياز دارد.
منابع بادي
بهترين محل براي نصب يا ساخت دستگاه بادي كجاست؟ ميانگين سرعت باد براي به صرفه بودن تبديل انرژي باد به برق حدود 23 كيلومتر در ساعت است. ميانگين سرعت باد در برخی از کشورها16 كيلومتر در ساعت است. به علت دسترسي آسان به باد با دوام و هميشگي، برخي شركت‌ها نصب ماشينها را در مناطق و دور از ساحل مدنظر دارند
دانشمندان از وسيله‌اي به نام آنمومتر (anemometer) براي اندازه‌گيري سرعت باد استفاده مي‌كنند. آنمومتر شبيه يك بادنماي هواشناسي است با ظاهري مدرن. اين وسيله سه پرده با فنجان‌هايي در سد آنها و روي ميلة چرخاني كه با وزش باد مي‌چرخد دارد. اين وسيله به متري وصل است كه سرعت باد را نشان مي‌دهد. يك بادنما جهت باد را نشان مي‌دهد اما سرعت باد را نشان نمي‌دهد. براساس يك قانون طبيعي سرعت باد در نواحي پهناور و بدون وقفه در وزش باد، با عرض جغرافيايي افزايش مي‌يابد. مكانهايي مناسب براي دستگاههاي بادي بالاي تپه‌هاي گرد و صاف، دشت يا سواحل باز و فواصل كوهي كه مثل قيف عمل مي‌كنند، هستند .
توليد باد
چقدر مي‌توانيم از باد انرژي بدست آوريم؟ دو اصطلاح وجود دارد كه توليد پاية برق را توضيح مي‌دهد. عامل كارايي و عامل گنجايش.
كارايي به اين موضوع بر مي‌گردد كه چقدر مي‌توان انرژي مفيد (در اين مورد، برق) از منبع انرژي كسب كرد. يك ماشين انرژي صد درصد كارا، مي‌تواند تمام انرژي را به انرژي مفيد تبديل كند و هيچ انرژي را هدر نمي‌دهد هيچ ماشين با كارايي يا بهره وري صد درصد وجود ندارد. بعضي انرژي‌ها هميشه وقتيكه شكلي از انرژي به شكل ديگر تبديل مي‌شود، از دست مي‌روند. انرژي هدر رفته معمولاً به شكل گرماي پراكنده شده در هوا است و نمي‌توان از آن بهرة اقتصادي مجدد برد. ماشينهاي بادي چقدر كارايي دارند؟ ماشينهاي بادي تنها به اندازة دستگاههاي ديگر مانند دستگاههاي زغال بهره وري دارند. ماشينهاي بادي 30 تا 40 درصد انرژي متحرك باد را به برق تبديل مي‌كند، يك دستگاه مولد نيروي زغال سوز، حدود 30 تا 35 درصد انرژي شيميايي زغال را به الكتريسيتة قابل استفاده تبديل مي‌كند
واژة گنجايش به توانايي دستگاه نيرو در توليد برق بر مي‌گردد. يك دستگاه نيرو با گنجايش صد درصد تمام روز و هر روز هفته با تمام نيرو كار مي‌كند. در چنين شرايطي هيچ وقتي براي تعمير يا سوختگيري صرف نمي‌شود كه اينچنين چيزي براي هر دستگاهي غيرممكن است. مشخصاً دستگاههاي زغالي اگر تمام روزهاي سال و بطور شبانه روزي كار كنند، داراي ظرفيت 75 درصد خواهند بود.
دستگاههاي نيروي باد متفاوت از دستگاههاي مولد نيروي سوخت سوز هستند. بهره‌وري آنها به ميزان باد و ميزان سرعت باد بستگي دارد. بنابراين ماشينهاي بادي نمي‌توانند در طول سال بطور 24 ساعته كار كنند. يك توربين بادي در يك مزرعة بادي شاخص در 65 تا 80 درصد زمان