تولید برق از انرژی باد به چه صورت است؟

تولید برق با انرژی باد (Wind Energy Electricity Generation) یکی از رایج ترین و مهم ترین روش های تولید انرژی به حساب می آید. با توجه به چالش های زیست محیطی و نیاز روزافزون به منابع انرژی پاک، تمرکز بر منابع تجدیدپذیر مانند باد، خورشید و آب اهمیت فزاینده ای یافته است. اگر به دنبال آشنایی با این فناوری هستید، در این مقاله از پارس پایاپایپ (تولید کننده سینی کابل گالوانیزه) ما به طور مفصل به شما توضیح خواهیم داد که انرژی باد چگونه مهار شده و به جریانی پایدار از برق تبدیل می شود.

انرژی باد چیست و چگونه به برق تبدیل می شود؟

انرژی باد در واقع از خورشید به وجود می آید. وقتی خورشید به زمین می تابد، بخش های مختلف زمین را به اندازه های متفاوت گرم می کند. این گرم شدن نابرابر باعث می شود هوا در بعضی جاها گرم تر و سبک تر، و در بعضی جاها سردتر و سنگین تر شود. به همین دلیل هوا شروع به حرکت می کند، و این حرکت همان باد است.

روش تولید برق با باد یک مفهوم ساده اما دارای موارد فنی پیچیده است. تولید برق با انرژی باد عموماً از طریق دستگاه های بزرگ به نام توربین های بادی انجام می شود. وقتی باد از پره های توربین عبور می کند، آن ها را به حرکت در می آورد. این حرکت چرخشی، که انرژی مکانیکی است، از طریق یک مجموعه دنده به یک ژنراتور منتقل می شود، که در نهایت آن را به برق (انرژی الکتریکی) تبدیل می کند.

چگونه با باد برق تولید می شود؟

پاسخ در قلب فیزیک مکانیک نهفته است؛ توربین بادی، بر خلاف آسیاب بادی قدیمی که برای کارهای مکانیکی مانند آسیاب کردن استفاده می شد، برای انجام یک هدف واحد طراحی شده است: تبدیل حرکت به الکتریسیته.

در واقع، این پره ها شبیه بال هواپیما عمل می کنند؛ باد با عبور از پره، نیروی بالابری (Lift) تولید می کند که باعث چرخش آن ها می شود و در ادامه از این چرخش برق تولید می شود.

اجزای اصلی یک نیروگاه بادی (توربین بادی)

یک توربین بادی مدرن، که ستون فقرات تولید برق با توربین بادی است، یک سیستم مهندسی پیچیده است که از چندین بخش اصلی تشکیل شده است. هر یک از این اجزا نقشی حیاتی در فرآیند نهایی تولید برق از طریق باد ایفا می کنند:

روتور (پره ها و هاب)

• پره ها (Blades): معمولاً سه پره آیرودینامیکی (شبیه بال هواپیما) که برای جذب حداکثر انرژی جنبشی باد طراحی شده اند.
• هاب (Hub): پره ها به هاب متصل می شوند. هاب به شفت کم سرعت متصل است و تمام نیروی چرخشی پره ها را به داخل ناسل (Nacelle) منتقل می کند.

ناسل (Nacelle)

• این جعبه بزرگ در بالای برج قرار دارد و شامل مهم ترین قطعات مکانیکی و الکتریکی است.
• جعبه دنده (Gearbox): این بخش حیاتی، سرعت چرخش شفت کم سرعت (حدود ۱۵ تا ۳۰ دور در دقیقه) را به سرعت بسیار بالاتر (مثلاً ۱۰۰۰ تا ۱۸۰۰ دور در دقیقه) که برای عملکرد ژنراتور لازم است، افزایش می دهد.
• ژنراتور (Generator): این دستگاه، وظیفه نهایی تبدیل انرژی مکانیکی سریع به انرژی الکتریکی را بر عهده دارد.
• سیستم کنترل (Controller): مسئول مانیتورینگ عملکرد توربین و خاموش کردن آن در سرعت های باد بسیار بالا (حدود ۲۵ متر بر ثانیه) برای جلوگیری از آسیب است.
• سیستم انحراف (Yaw Drive): این سیستم تمام ناسل را می چرخاند تا پره ها همیشه رو به باد قرار گیرند و به این ترتیب، بالاترین میزان جذب انرژی تضمین شود.

برج (Tower)

بلندترین جزء توربین است و روتور و ناسل را در ارتفاع مناسب قرار می دهد، جایی که باد قوی تر و پایدارتر می وزد. ارتفاع برج ها معمولاً از ۶۰ تا ۱۰۰ متر متغیر است.

زیرساخت (Foundation)

بنیاد بتنی یا فولادی که توربین را محکم به زمین یا بستر دریا متصل می کند.

مراحل تولید برق از باد

درک نحوه تولید برق با باد مستلزم دنبال کردن مراحل تبدیل انرژی از لحظه برخورد باد به پره ها تا ورود برق به شبکه است.

1. جذب انرژی جنبشی: باد به پره های آیرودینامیک برخورد می کند و نیروی چرخشی ایجاد می کند. این نیروی جنبشی، پره ها و هاب را به حرکت در می آورد.
2. انتقال اولیه و افزایش سرعت: حرکت چرخشی از هاب به شفت کم سرعت منتقل می شود. از اینجا، نیروی مکانیکی وارد جعبه دنده می شود. جعبه دنده با استفاده از سیستم های چرخ دنده پیچیده، سرعت چرخش را به شدت افزایش می دهد.
3. تبدیل به الکتریسیته: شفت پرسرعت، ژنراتور را به حرکت در می آورد. در ژنراتور، با استفاده از قانون القای الکترومغناطیسی (چرخش سیم پیچ ها در میدان مغناطیسی)، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. این مرحله همان جایی است که تولید برق از طریق باد عملاً به ثمر می نشیند.
4. تنظیم و تزریق به شبکه: برقی که توسط ژنراتور تولید می شود، ممکن است ولتاژ و فرکانس متغیری داشته باشد. یک ترانسفورماتور و مبدل های الکترونیکی این برق را تصفیه کرده، ولتاژ آن را افزایش داده و فرکانس آن را مطابق با نیازهای شبکه برق محلی تنظیم می کنند. در نهایت، این برق از طریق خطوط انتقال وارد شبکه برق عمومی می شود.

مزایای استفاده از انرژی باد برای تولید برق

تولید برق با استفاده از انرژی باد به دلیل مزایای متعددی که دارد، در سطح جهانی به سرعت در حال رشد است:

• تجدیدپذیر و نامحدود: باد یک منبع انرژی نامحدود است. برخلاف سوخت های فسیلی که ذخایر آن ها محدود است، تا زمانی که خورشید می درخشد و زمین می چرخد، باد وجود خواهد داشت. این ویژگی آن را به ستون اصلی امنیت انرژی در آینده تبدیل می کند.
• پاک و کم آلاینده: استفاده از انرژی باد برای تولید برق هیچ گونه گازهای گلخانه ای یا آلاینده های هوا (مانند دی اکسید گوگرد یا اکسیدهای نیتروژن) در طول عملیات تولید برق منتشر نمی کند. این امر به بهبود کیفیت هوا و کاهش انتشار کربن کمک شایانی می کند.
• کاهش هزینه های سوخت: پس از نصب اولیه، هزینه عملیاتی توربین ها نسبتاً پایین است، زیرا به سوخت نیاز ندارند. این امر نوسانات قیمت سوخت های فسیلی را از معادله اقتصادی حذف می کند.
• اشتغال زایی و رشد اقتصادی: صنعت باد، از تولید قطعات و نصب گرفته تا نگهداری و مدیریت، فرصت های شغلی جدیدی را در بخش های فنی و مهندسی ایجاد می کند.
• استفاده چند منظوره از زمین: مزارع بادی (Wind Farms) می توانند در زمین های کشاورزی یا مراتع نصب شوند. این به این معنی است که کشاورزان می توانند درآمدی از اجاره زمین خود کسب کنند، در حالی که کشاورزی و دامداری همچنان در زیر سایه توربین ها ادامه می یابد. در واقع از انرژی باد برای تولید برق استفاده میشود بدون اینکه فعالیت های اقتصادی دیگر را متوقف کند.

معایب استفاده از انرژی باد برای تولید برق

با وجود مزایای فراوان، چالش هایی نیز وجود دارد که باید در برنامه ریزی های کلان در نظر گرفته شوند:

• ناپایداری (Intermittency): باد همیشه نمی وزد. اگرچه الگوهای وزش باد در یک منطقه قابل پیش بینی هستند، اما نمی توان اطمینان داشت که در هر لحظه خاصی باد کافی برای تولید برق مورد نیاز شبکه وجود داشته باشد. این ناپایداری نیاز به سیستم های ذخیره سازی انرژی (مانند باتری های بزرگ) یا منابع پشتیبان دیگر را ضروری می سازد.
• تاثیر بصری و صوتی: برخی افراد ظاهر توربین های بادی بزرگ را ناخوشایند می دانند (“آلودگی بصری”). همچنین، در حالی که فناوری های جدیدتر صدای کمتری تولید می کنند، صدای چرخش پره ها می تواند در نزدیکی مناطق مسکونی یک مسئله باشد (“آلودگی صوتی”).
• تأثیر بر حیات وحش: برخورد پره های توربین با پرندگان و خفاش ها یک نگرانی جدی زیست محیطی است. با این حال، مکان یابی دقیق مزارع بادی دور از مسیرهای مهاجرت و استفاده از فناوری های جدید برای شناسایی و توقف پره ها می تواند این اثر را کاهش دهد.
• هزینه اولیه بالا: هزینه های نصب اولیه برای توربین ها، ساخت برج ها و زیرساخت های انتقال، بسیار بالاست و زمان زیادی برای بازگشت سرمایه نیاز دارد.
• مسائل انتقال: بهترین مکان ها برای وزش باد (به عنوان مثال، مناطق ساحلی یا کوهستانی دورافتاده) اغلب دور از مراکز پرجمعیت و شبکه های انتقال برق موجود هستند. این امر نیاز به ساخت خطوط انتقال جدید با هزینه های بالا دارد.

جمع بندی

همانطور که دیدیم، تولید برق با انرژی باد یک فرآیند پیچیده و در عین حال زیباست که از یک نیروی طبیعی (باد) برای تامین انرژی پایدار استفاده می کند. از پره های آیرودینامیک تا ژنراتور قدرتمند، تمام اجزای توربین بادی برای به حداکثر رساندن کارایی و حداقل کردن اثرات زیست محیطی کار می کنند.

با وجود چالش های مرتبط با ناپایداری باد و هزینه های اولیه، پیشرفت های فناوری در زمینه های ذخیره سازی انرژی و طراحی توربین، آینده ای روشن برای این منبع پاک پیش بینی می کنند.

سوالات متداول