استفاده از توربین بادی برای تولید انرژی سبز

انرژی باد یکی از منابع اصلی انرژی تجدیدپذیر محسوب می شود. طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی های تجدیدپذیر،  ظرفیت انرژی بادی نصب شده در جهان پس از انرژی برق آبی، در مکان دوم قرار دارد و ظرفیت نصب شده این انرژی طی بیست سال اخیر پنجاه برابر شده است. همچنین در دو سال اخیر و پس از انرژی خورشیدی که ظرفیت نصب شده سالانه آن در بین انرژی های تجدیدپذیر در جایگاه نخست قرار دارد، انرژی بادی جاگاه دوم را در اختیار دارد. همچنین طبق گزارش وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا، از نظر تئوری، بادهایی که در جهان جریان دارند قادر هستند سالانه  بیشتر از ۱۵ برابر نیاز کنونی جهان، انرژی تولید کنند که نشان دهنده اهمیت انرژی بادی و پتانسیل بالای آن می باشد.

۱۳۰ سال از ساخت اولین توربین مولد برق می گذرد

توربین های بادی در حدود سال های ۶۰۰ تا ۹۰۰ میلادی در ایران مورد استفاده قرار می گرفته است. آسیاب های بادی را می توان جزو اولین توربین های بادی دانست که از نیروی باد برای به حرکت در آوردن آسیاب استفاده می کردند. اولین توربین بادی تولید کننده برق، یک دستگاه شارژ باتری بود که توسط "جیمز بلیث"، دانشمند اسکاتلندی، در سال ۱۸۸۷ و برای روشنایی خانه خود نصب و راه اندازی شد. چند ماه پس از آن "چارلز باش"، مخترع آمریکایی موفق شد با همکاری اساتید دانشگاه، نخستین توربین بادی اتوماتیک را بسازد. این توربین با ارتفاع ۱۸ متر، قادر به تولید ۱۲ کیلوات انرژی بود. 
ظرفیت توربین های بادی در طول زمان افزایش پیدا کرده است. در سال ۱۹۸۵، توربین های معمولی ظرفیت پنج صدم مگاوات و قطر ۱۵ متر داشتند. اما امروزه توربین های جدید، ظرفیت های ۲ مگاوات برای نصب در خشکی و ۳ تا ۵ مگاوات برای نصب در دریا را دارند.

اولین توربین بادی اتوماتیک که توسط چارلز باش در سال ۱۸۸۷ ساخته شد.

توربین های بادی از نظر شکل، محور چرخش و ظرفیت، متفاوت هستند.

توربین های بادی از طریق ژنراتور، انرژی جنبشی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. تعدادی از توربین های بادی که در کنار هم قرار دارند و به عنوان یک نیروگاه عمل می کنند مزرعه بادی نامیده می شوند. این مزارع با توجه به ظرفیت مورد نیاز، مساحت های مختلفی دارند. به طو کلی حدود ۲.۵ هکتار زمین برای هر توربین، مسیر های دسترسی و تجهیزات دیگر مورد نیاز است. 
مقدار نیرویی که از باد می توان بدست آورد به اندازه توربین و طول تیغه های آن بستگی دارد. خروجی بدست آمده از توربین، با ابعاد توربین و توان ۳ سرعت باد رابطه مستقیم دارد. از لحاظ تئوری، هنگامی که سرعت توربین دو برابر می شود. پتانسیل نیروی باد با ضریب ۸ افزایش پیدا می کند.

نحوه کار کردن یک توربین بادی و تولید برق

  توربین های بادی بر اساس محور چرخش خود به دو نوع افقی و عمودی تقسیم می شوند. توربین های با محور افقی مرسوم تر می باشند. اغلب توربین هایی که در مزارع بادی و به منظور تولید تجاری برق استفاده می شوند، از نوع محور افقی بوده و سه تیغه دارند و بسته به نوع طراحی، طول های مختلفی می توانند داشته باشند. این توربین ها باید در فواصل مشخصی که اغلب ۶ تا ۱۰ برابر قطر توربین است، نصب شوند. 

انواع توربین های بادی - محور افقی (تصویر وسط) و محور عمودی (تصاویر راست و چپ)

موادی که برای ساختن تیغه های توربین بادی استفاده می شوند کامپوزیت هایی هستند که در عین سبکی دارا مقاومت و سختی زیادی می باشند. به دلیل رقابت در بازار توربین های بادی، شرکت های سارنده همواره به دنبال راه هایی هستند که بهره وری طرح های خود را افزایش دهند.
برخی از توربین ها در درون آب و اغلب اقیانوس ها نصب می شوند. چرا که در برخی موارد سرعت باد در سطح آب نسبت به خشکی بیشتر است. فاکتوری که در دریا مزیت محسوب می شود عدم وجود موانع طبیعی در مسیر باد است که باعث می شود باد رسیده به توربین دارای کمترین توربولانس باشد. یکدست بودن باد و عدم تغییر جهت به میزان زیادی در کارکرد مناسب توربین نقش دارند. در سال ۲۰۱۷، بریتانیا، آلمان و چین بیشترین مقدار تولید برق از مزارع بادی واقع در آب را داشته اند. با این حال طبق آمار، تا پایان سال ۲۰۱۷، انرژی تولید شده در این حالت، حدود چهار درصد از کل مقدار انرژی بادی نصب شده که حدود ۵۲۰ هزار مگاوات می باشد است.
استفاده از توربین های بادی محدود به نیروگاه ها و تولید تجاری برق نمی شود.  توربین های بادی کوچکی نیز برای مصارفی مانند برج های مخابراتی، مکان های روستایی مانند بیمارستان ها و مدارس، سکوهای دریایی و غیره وجود دارند.
آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا، توربین های با ظرفیت کوچکتر و یا مساوی صد کیلووات را در طبقه بندی توربین های کوچک قرار می دهد.
شرکت وستاس که یکی از شرکت های معتبر در زمینه ساخت توربین های بادی است، توربین V۱۶۴ را که یک توربین سه تیغه ای است، با ظرفیت اسمی ۹.۵ مگاوات تولید کرده است که یک رکورد جهانی محسوب می شود .

نیروگاه بادی نصب شده در دریای بالتیک - دانمارک

هزینه احداث توربین بادی بسته به نوع آن متفاوت است. برای مقیاس های خانگی، به ازای هر کیلووات ظرفیت، هزینه احداث رقمی بین ۳ تا ۸ هزار دلار می باشد. اما در مقیاس تجاری، این رقم بین ۱.۳ تا ۲.۲ میلیون دلار به ازای هر مگاوات ظزفیت اسمی نصب شده است. اکثر توربین های که در مقیاس نیروگاهی نصب می شوند، ظرفیت ۲ مگاواتی دارند که هزینه نصب آن ها، رقمی حدود ۳ تا ۴ میلیون دلار می شود.
البته باید به این نکته توجه داشت هزینه های نصب یک توربین بادی در مقیاس نیروگاهی، بسته به تعداد توربین های مورد نیاز، هزینه های تامین مالی، زمان توافقنامه برای خرید توربین ها، قرارداد احداث، موقعیت اجرای پروژه و فاکتور های دیگر، بسیار متغیر است.

سندروم توربین بادی، یکی از معایب این صنعت است

از آنجا که انرژی باد، انرژی پاک و تجدیدپذیری محسوب می شود، تولید برق با استفاده از این انرژی، باعث انتشار گاز گلخانه ای نمی شود چرا که با تولید برق از انرژی باد به جای استفاده از سوخت های فسیلی، به ازای هر مگاوات، سالانه از انتشار ۱۵۰۰ تن کربن جلوگیری می شود. یکی دیگر از مزایای مهم این انرژی، عدم نیاز به آب در زمان بهره برداری است که با توجه به تغییر اقلیم و بحران خشکسالی که جهان و به خصوص منطقه خاورمیانه با آن ها مواجه است، یکی از گزینه های مناسب جهت تولید انرژی سبز می باشد.
در مقابل، به دلیل ابعاد بزرگ، این توربین ها از لحاظ بصری نامطلوب می باشند. همچنین توربین های بادی آلودگی صوتی نیز ایجاد می کنند که از نقطه نظر پزشکی، می تواند باعث ایجاد استرس و بیماری شود.
نکته قابل توجه این است که سندرومی به نام سندروم توربین بادی وجود دارد. سندروم توربین بادی یک اختلال روانشناختی است که اغلب به علت اضطراب در مورد مزارع بادی و نه خود توربین ها می باشد. شواهد محدودی از اثرات اضطرابی ناشی از سر و صدای کم در مجاورت توربین وجود دارد. لذا مزارع بادی، باید فاصله حدودا ۲ کیلومتری از مناطق مسکونی داشته باشند.  
یکی از معایب دیگر توربین های بادی، اثرات منفی این توربین ها بر محیط زیست علی الخصوص حیات وحش است. به ازای هر توربین حدودا ۱.۳ هکتار از زیستگاه های واقعی از بین می رود. علاوه بر آن، توربین های بادی باعث کشته شدن پرنده ها می شوند. بر اساس نتایج یک تحقیق، در طول یک سال، تنها در ایالات متحده آمریکا بین ۲۰ هزار تا ۶۰۰ هزار پرنده توسط توربین های بادی کشته می شوند.