مقدمه.............................................................................................................................................. 5

فصل اول كلياتي درباره انرژي باد................................................................................................................ 6

1-1- انرژي باد:................................................................................................................................ 6

1-2 تاريخچه استفاده از انرژي باد:............................................................................................................ 7

1-3 منشاء باد:................................................................................................................................. 9

الف- جريان چرخشي هادلي (Hadly)....................................................................................................... 10

ب- جريان چرخشي راسبي (Rossby):..................................................................................................... 10

1-5 اندازه‌گيري پتانسيل انرژي باد:.......................................................................................................... 10

1-6 قدرت باد:............................................................................................................................... 11

روند تحولات تكنولوژي......................................................................................................................... 12

1-7 مزاياي بهره‌برداري از انرژي باد.......................................................................................................... 13

آينده انرژي باد در ايران........................................................................................................................ 13

1-8 پتانسيل‌سنجي سطحي انرژي باد:........................................................................................................ 14

پتانسيل‌سنجي چيست؟......................................................................................................................... 14

1-9 بادسنج‌ها و انواع آنها................................................................................................................... 16

1-10- پتانسيل باد در ايران................................................................................................................. 17

1-11 نقشه‌ها و اطلس‌هاي موجود باد....................................................................................................... 19

فصل دوم استحصال انرژي از باد توسط توربين‌هاي بادي..................................................................................... 20

انرژي بادي و توربين‌هاي بادي................................................................................................................. 20

2-1- تقسيم‌بندي مبدلهاي بادي............................................................................................................. 20

2-2- دسته‌بندي با معيار هندسي........................................................................................................... 21

2-3- دسته‌بندي با معيار نيرويي.............................................................................................................. 22

2-4- دسته‌بندي با معيار توان خروجي....................................................................................................... 24

2-5- مبدلهاي بادي محور قائم.............................................................................................................. 25

2-5-1 مبدلهاي محور قائم «پسايي»....................................................................................................... 25

2-5-2 مبدلهاي محور قائم برآيي........................................................................................................... 26

2-5-3 مبدلهاي محور قائم تركيبي.......................................................................................................... 28

2-6- مبدلهاي محور قائم غيرمستقيم....................................................................................................... 30

2-7- مبدلهاي بادي محور افقي............................................................................................................. 33

2-7-1 مبدلهاي محور افقي پسايي.......................................................................................................... 33

2-7-2 مبدلهاي محور افقي برآيي........................................................................................................... 33

2-8- طرحهاي مورد بررسي كشورهاي مختلف.............................................................................................. 37

2-9- مبدل بادي ملخي...................................................................................................................... 38

2-9-1 برج................................................................................................................................... 39

2-9-2 كلاهك............................................................................................................................... 40

2-9-3 پره‌ها.................................................................................................................................. 41

2-10- مبدل بادي داريوس.................................................................................................................. 42

2-10-1 بناي پايه............................................................................................................................ 43

2-10-2 پره‌ها و ديرك‌....................................................................................................................... 44

2-11- مبدلهاي چرخ آسيابي (جايروميل)................................................................................................. 45

2-11-1 برج................................................................................................................................. 46

2-11-2 پره‌ها................................................................................................................................ 46

2-12- به طور كلي اجزاء مختلف يك توربين به شرح زير مي‌باشد:....................................................................... 47

2-13- انواع كاربرد توربين‌هاي بادي:....................................................................................................... 49

الف: كاربردهاي غير نيروگاهي.................................................................................................................. 49

الفه-1) پمپ‌هاي بادي آبكش................................................................................................................ 49

الف-2) كاربرد توربين‌هاي كوچك به عنوان توليدكننده برق................................................................................... 50

الف-3) شارژ باتري............................................................................................................................ 50

ب: كاربردهاي نيروگاهي........................................................................................................................ 51

توربين‌هاي بادي و ذخيره انرژي:............................................................................................................... 52

فصل چهارم:.................................................................................................................................... 53

طراحي يک Vertical Axis Wind Turbine:.......................................................................................... 53

مقدمه ای بر فصل چهار:....................................................................................................................... 54

توربين بادي عمودي چگونه کار مي کند؟................................................................................................................................... 54

تعيين ابعاد کلي توربين:......................................................................................................................... 57

طول bladelb=............................................................................................................................. 57

اجزاي اساسي توربين بادي عمودي:........................................................................................................... 58

Blade(1....................................................................................................................................... 59

جنس bladeها:..................................................................................................................................................................... 59

انتخاب تعداد bladeها:.......................................................................................................................................................... 60

انتخاب ايرفويل:...................................................................................................................................................................... 61

2)پايه:.......................................................................................................................................... 68

3)شفت:........................................................................................................................................ 68

4)پايه نصب مرکزي:............................................................................................................................ 68

5)بازوهاي جانبي:.............................................................................................................................. 69

5)اتصالات bladeها:........................................................................................................................ 69

اين اجزا براي اتصال بازوهاي شعاعي به bladeها استفاده مي شود........................................................................ 69

6)ياتاقان ها:.................................................................................................................................... 69

7)مکانيسم ايجاد pitch:.................................................................................................................... 70

Pitching فعال:..................................................................................................................................................................... 70

Pitching غيرفعال:................................................................................................................................................................. 70

فصل چهارم:.................................................................................................................................... 71

-1-4چشم‌انداز آينده و رويكرد جهاني درخصوص انرژي باد:................................................................................. 71

4-2- خط‌مشي كشورها در نصب مزارع بادي در دريا (آفشور)............................................................................ 72

4-3- فعاليت‌ها و برنامه‌هاي كشور در زمينة انرژي باد..................................................................................... 74

الف – فعاليت‌هاي اجرا شده:................................................................................................................................................... 74

ب – برنامه‌هاي آينده:............................................................................................................................................................. 76

فهرست منابع:.................................................................................................................................. 78

مقدمه

گستردگي نياز انسان به منابع انرژي همواره از مسائل اساسي مهم در زندگي بشر بوده و تلاش براي دستيابي به يك منبع تمام نشدني انرژي از آرزوهاي ديرينه انسان بوده است، از نقوش حك شده بر ديوار غارها مي‌توان دريافت كه بشر اوليه توانسته بود نيروي ماهيچه‌اي را به عنوان يك منبع انرژي مكانيكي به خوبي شناخته و از آن استفاده كند. ولي از آنجايي كه اين نيرو بسيار محدود و ضعيف است انسان همواره در تصورات خود نيرويي تمام نشدني را جستجو مي‌كرد كه همواره در هر زمان و مكان در دسترس باشد. اين موضوع را مي‌توان در داستانهاي مختلف كه ساخته تخيل و ذهن بشر نخستين بوده، به خوبي دريافت، كم‌كم با پيشرفت تمدن بشري، چوب و پس از آن ذغال سنگ، نفت و گاز وارد بازار انرژي گرديده‌اند. اما به دليل افزايش روز افزون نياز به انرژي و محدوديست منابع فسيلي از يك سو افزايش آلودگي محيط‌زيست ناشي از سوزاندن اين منابع از سوي ديگر استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير را روز به روز با اهميت‌تر و گسترده‌تر نموده است. انرژي باد يكي از انواع اصلي انرژي‌هاي تجديدپذير مي‌باشد كه از ديرباز ذهن بشر را به خود معطوف كرده بود. به طوري كه وي همواره به فكر كاربرد اين انرژي در صنعت بوده است. بشر از انرژي باد براي به حركت در آوردن قايق‌ها و كشتي‌هاي بادباني و آسيابهاي بادي استفاده مي‌كرده است. در شرايط كنوني نيز با توجه به موارد ذكر شده و توجيه‌پذيري اقتصادي انرژي باد در مقايسه با ساير منابع انرژي‌هاي نو، پرداختن به انرژي باد امري حياتي و ضروري به نظر مي‌رسد. در كشور ما ايران- قابليت‌ها و پتانسيل‌هاي مناسبي جهت نصب و راه‌اندازي توربين‌هاي برق بادي وجود دارد، كه با توجه به توجيه‌پذيري آن و تحقيقات، مطالعات و سرمايه‌گذاري كه در اين زمينه صورت گرفته، توسعه و كاربرد اين تكنولوژي چشم‌انداز روشني را فرا روي سياست‌گذاران بخش انرژي كشور در اين زمينه قرار داده است.

فصل اول كلياتي درباره انرژي باد

1-1- انرژي باد:

انرژي باد نظير ساير منابع انرژي تجديدپذير از نظر چغرافيايي گسترده و در عين حال به صورت پراكنده و غير متمركز و تقريباً هميشه در دسترس مي‌باشد، انرژي باد طبيعتي نوسان و متناوب داشته و ورزش دائمي ندارد. هزاران سال است كه انسان با استفاده از آسياب‌هاي بادي، تنها جزء بسيار كوچكي از آن را استفاده مي‌كند. اين انرژي تا پيش از انقلاب صنعتي به عنوان يك منبع انرژي، به طور گسترده‌اي مورد بهره‌برداري قرار مي‌گرفت، ولي در دوران انقلاب صنعتي، استفاده از سوخت‌هاي فسيلي به دليل ارزاني و قابليت اطمينان بالا، جايگزين انرژي باد شد. در اين دوره، توربين‌هاي بادي قديمي ديگر از نظر اقتصادي قابل رقابت با بازار انرژي‌هاي نفت و گاز نبودند. تا اينكه در سال‌هاي 1973 و 1978 دو شوك بزرگ نفتي، ضربه بزرگي به اقتصاد انرژي‌هاي حاصل از نفت و گاز وارد آورد. به اين ترتيب هزينه انرژي توليد شده به وسيله توربين‌هاي بادي، در مقايسه با نرخ جهاني قيمت انرژي بهبود يافت. پس از آن مراكز و موسسات تحقيقاتي و آزمايشگاهي متعددي در سراسر دنيا به بررسي تكنولوژي‌هاي مختلف جهت استفاده از انرژي باد به عنوان يك منبع بزرگ انرژي پرداختند. به علاوه اين بحران باعث ايجاد تمايلات جديدي در زمينه كاربرد تكنولوژي انرژي باد جهت توليد برق متصل به شبكه، پمپاژ آب و تامين انرژي الكتريكي نواحي دور افتاده شد. همچنين در سال‌هاي اخير، مشكلات زيست محيطي و مسائل مربوط به تغيير آب و هواي كره زمين به علت استفاده از منابع انرژي فسيلي بر شدت اين تمايلات افزوده است. از سال 1975 پيشرفت‌هاي شگرفي در زمينه توربين‌هاي بادي در جهت توليد برق بعمل آمده است. در سال 1980 اولين توربين برق بادي متصل به شبكه سراسري نصب گرديد. بعد از مدت كوتاهي اولين مزرعه برق بادي چند مگاواتي در امريكا نصب و به بهره‌برداري رسيد.

در پايان سال 1990 ظرفيت توربين‌هاي برق بادي متصل به شبكه در جهان به MW200 رسيد كه توانايي توليد سالانه Gwh3200 برق را داشته كه تقريباً تمام اين توليد مربوط به ايالت كاليفرنيا آمريكا و كشور دانمارك بود. امروزه كشورهاي ديگر نظير هلند، آلمان، بريستانيا، ايتاليا هندوستان برنامه‌هاي ملي ويژه‌اي را در جهت توسعه و عرضه تجاري انرژي باد آغاز كرده‌اند. در طي دهه گذشته، هزينه توليد انرژي به كمك توربين‌هاي بادي به طور قابل ملاحظه‌اي كاهش يافته است.

در حال حاضر توربين‌هاي بادي از كارآيي و قابليت اطمينان بيشتري در مقايسه با 15 سال پيش برخوردارند. با اين همه استفاده وسيع از سيستم‌هاي مبدل انرژي باد (W E C S) هنوز آغاز نگرديده است. در مباحث مربوط به انرژي باد، بيشتر تاكيدات بر توربين‌هاي بادي مولد برق جهت اتصال به شبكه است زيرا اين نوع از كاربرد انرژي باد مي‌تواند سهم مهمي در تامين برق مصرفي جهان داشته باشد. براساس برنامه سياست‌هاي جاري (cp)، تخمين زده مي‌شود كه سهم انرژي باد در تامين انرژي جهان در سال 2020 تقريباً برابر با twh375 در سال خواهد بود. اين ميزان انرژي با استفاده از توربين‌هاي بادي، به ظرفيت مجموع Gwh180 توليد خواهد گرديد. اما در قالب برنامه ضرورت‌هاي زيست محيطي (ED) سهم اين انرژي در سال 2020 بالغ بر twh970 در سال خواهد بود، كه با استفاده از توربين‌هاي بادي به ظرفيت مجموع Gw470 توليد خواهد شد. به طور كلي با استفاده از انرژي باد، به عنوان يك منبع انرژي در دراز مدت مي‌توان دو برابر مصرف انرژي الكتريكي فعلي جهان را تامين كرد.

1-2 تاريخچه استفاده از انرژي باد:

بشر از زمان‌هاي بسيار دور به نيروي لايزال باد پي برده و سالها بود كه از اين انرژي براي به حركت در آوردن كشتي‌ها و آسياب‌هاي بادي بهره مي‌گرفت.

طي ساليان دراز ثابت شده است كه مي‌توان انرژي باد را به انرژي مكانيكي و يا انرژي الكتريكي تبديل كرد و مورد استفاده قرار داد. منابع تاريخي نشان مي‌دهند كه ساخت آسياب‌ها در ايران، عراق، مصر و چين قدمت باستاني داشته و در اين تمدن‌ها، از آسياب‌هاي بادي براي خردكردن دانه‌ها و پمپاژ آب استفاده مي‌شده است. چنانچه از شواهد تاريخي برمي‌آيد، در قرن 17 قبل از ميلاد، هامورابي پادشاه بابل طرحي ارائه داده بود تا بتوان به كمك آن دشت حاصلخيز بين‌النهرين را توسط انرژي حاصل از باد آبياري نمود. آسياب‌هايي كه در آن زمان ساخته مي‌شدند از نوع ماشين‌هاي محور قائم و شبيه به آنهايي هستند كه امروزه آثار آنها در نواحي خواف و تايباد ايران به چشم مي‌خورد. ايرانيان اولين كساني بودند كه در حدود 200 سال قبل از ميلاد مسيح براي آردكردن غلات از آسياب‌هاي بادي با محور قائم استفاده كردند. مثلاً در كتاب‌هاي قديمي نوشته‌اند: ديار سيستان ديار باد و ريگ است و همان شهري است كه گويند باد آنجا آسياب‌ها را گرداند و آب از چاه كشد و باغها را سيراب كند و در همه دنيا شهري نيست كه بيشتر از آنجا از باد سود ببرند. و نيز نوشته‌اند كه در سيستان بادهاي سخت مدام مي‌وزد و به همين دليل در آنجا آسيابهاي بادي براي آرد كردن گندم ساخته‌اند. از ديگر استان‌هاي داراي قدمت كاربرد انرژي باد مي‌توان به كرمان، اصفهان و يزد اشاره نمود كه در اين مكانها در زمان‌هاي قديم براي خنك‌كردن منازل از كانال‌هاي مخصوص جهت هدايت باد استفاده مي‌كردند. بعد از ايران كشورهاي عربي و اروپايي پي به قدرت باد در تبديل انرژي بردند. در قرن سوم قبل از ميلاد، يك محقق مصري كه در زمينه نيروي هواي فشرده تحقيق مي‌كرد، آسياب بادي چهار پره‌اي را با محور افقي طراحي نمود كه از هواي فشرده آن جهت نواختن يك ارگ استفاده مي‌كرد. با توجه به شواهد موجود مي‌توان ادعا كرد كه زادگاه ماشين‌هاي بادي از نوع محور قائم، حوزه شرقي مديترانه و چين بوده است.

در قرون وسطي، آسياب‌هاي بادي در ايتاليا، فرانسه، اسپانيا و پرتقال متداول گرديده و كمي بعد در بريتانيا، هلند و آلمان به كار گرفته شد. برخي از مورخان اظهار داشته‌اند كه ورود اين آسياب‌ها به اروپا بايد مديون شركت‌كنندگان در جنگ‌هاي صليبي دانست كه از خاورميانه باز گشتند. آسياب‌هاي بادي كه در اروپا ساخته مي‌شدند از نوع آسياب‌هاي محور افقي و چهارپره بودند كه براي آرد كردن حبوبات و گندم به كار مي‌رفتند. مردم هلند آسياب‌هاي بادي را از سال 1350 ميلادي به منظور خشك كردن زمين‌هاي پست ساحلي و همچنين گرفتن روغن از دانه‌ها و بريدن چوب و تهيه پودر رنگ براي رنگرزي به كار گرفتند. آنچه كه هلند را در قرن هفدهم ميلادي در زمره غني‌ترين و صنعتي‌ترين مردم اروپا قرار داد، صنعت كشتي‌سازي و ساخت آسياب‌هاي بادي در آن كشور بود. توربين‌هاي بادي بطني كه شامل پره‌هاي متعدد هستند، بعدها متداول شدند، در آغاز قرن بيستم اولين توربين‌هاي بادي سريع و مدرن ساخته شدند. امروزه فعال‌ترين كشورها در اين زمينه آلمان، اسپانيا، دانمارك، هندوستان و امريكا مي‌باشند.

1-3 منشاء باد:

هنگامي كه تابش خورشيد به طور نامساوي به سطوح ناهموار زمين مي‌رسد سبب ايجاد تغييرات در دما و فشار مي‌گردد و در اثر اين تغييرات باد