تاریخچه انرژی بادی

آغاز استفاده از انرژی باد (1000 سال قبل از میلاد مسیح تا 1300 سال بعد از میلاد مسیح)

تاریخچه انرژی بادی یک سیر تکاملی را به استفاده از قطعات سبک و ساده برای به حرکت درآوردن پره ها بوسیله نیروی درگ، به جای قطعات سنگین پیش گرفته است تا استفاده از قطعات سبک و مواد ایرودینامیکی پر بازده در دوران مدرن امروزی رواج پیدا کند. اما نباید اینگونه پنداشت که نیروی لیفت (نیرویی که باعث پرواز هواپیما می گردد) یک مفهوم جدید می باشد و برای باستانیان ناشناخته بوده است. اولین استفاده شناخته شده از انرژی باد مربوط به کاربرد در قایقهای بادی است و این تکنولوژی نقش بسیار مهمی در توسعه آسیابهای بادی دارد.

ملوانان باستانی نیروی لیفت را می شناختند و روزانه از آن استفاده می کردند ولو اینکه هیچ توضیحی علمی برای آن نداشتند. اولین آسیابهای بادی برای آسیاب کردن غلات و پمپاژ آب به کار گرفته شده بودند و قدیمیترین مدل طراحی شده آن از نوع محور عمودی بوده که در طی سالهای 900-500 میلادی در ایران توسعه یافته است. ظاهرا اولین استفاده از این آسیابها برای پمپاژ آب بوده است ولی نحوه دقیق کار آن معلوم نیست زیرا هیچ گونه طراحی یا نقاشی از این آسیابها موجود نیست.

نخستین مستندات مربوط به طراحی این آسیابهای بادی نیز مربوط به ایرانیان می باشد که پره های آن یا اصطلاحا بادبانهای آنها از جنس چوب یا نی بوده که با تیرهای افقی به یک محور عمودی متصل می شدند مطابق شکل زیر: آسیاب نمودن غلات اولین استفاده مستند شده و بسیار ساده آسیابهای بادی می باشد به طوری که سنگ آسیاب به همان محور عمودی متصل می شده است.

کلیه قسمتهای آسیاب بادی معمولا در داخل یک ساختمان محصور می شده اند و ورودی ساختمان در جهت وزش باد فضای بازی داشته تا باد بتواند به سمت داخل هدایت شود. آسیابهای بادی محور عمودی در چین هم مورد استفاده قرار می گرفتند و چینیان ادعای تخصیص این نوع آسیابها را به زادگاه خود دارند. این در حالی است که به طور دقیق می توان گفت اولین مستندات آنها مربوط به سال 1219 میلادی می باشد که توسط یک سیاستمدار چینی با نام Yehlu Chhu-Tshai اختراع شده است.

در این کشور هم اولین کاربردهای آسیاب بادی برای آرد نمودن غلات و پمپاژ آب بوده است. یکی از خوش منظره ترین و موفق ترین کاربردهای انرژی بادی که در حال حاضر هم موجود می باشد، استفاده گسترده برای پمپاژ آب در جزیره کرت می باشد. به معنای واقعی کلمه صدها آسیاب بادی برای پمپاژ آب برای محصولات کشاورزی و استفاده دام فعال هستند.

آسیابهای بادی در غرب جهان(1875-1300 بعد از میلاد مسیح)

اولین آسیابهای بادی در غرب اروپا از نوع محور افقی بوده اند. دلیل تکامل طراحی آسیابهای بادی محور عمودی ایرانیان به محور افقی در دست نیست.

اما این واقعیت هم وجود دارد که چرخآب اروپائیان پیکربندی با محور افقی داشته است و ظاهرا آنها این تکنولوژی را برای آسیابهای بادی اولیه خود نیز به خدمت گرفته اند. و یکی دیگر از دلایل شاید این باشد که راندمان نیروی درگ در سیستمهای با محور افقی بسیار بالاتر از سیستمهای با محور عمودی است. برجهای آسیابهای بادی در قرن 13 طراحی جدیدی به خود گرفت. آسیابهای بادی بر بالای برجهای بزرگ سنگی که به صورت کلاهکی دوار بوده نصب می شدند بادنما نیز در پشت پره ها نصب می گردید.

در اوایل سال 1390 میلادی هلندی ها برج های جدیدی را طراحی کردند که پیش از آن در سواحل دریا مدیترانه روئیت شده بودند. برجی که هلندی ها ساختند از چند طبقه مختلف تشکیل شده بود که شامل طبقاتی از جمله طبقه ذخیره غلات، طبقه مخصوص از بین بردن کاه، طبقه سنگ آسیاب و طبقه پائین که محلی برای زندگی آسیاببان بوده است. این آسیابهای بادی طوری طراحی شده بودند که می بایست به صورت دستی و با فشاردادن اهرمی که در پشت پره های آنها بوده به سمت باد می چرخیدند.

برای صدها سال مهمترین کاربرد آسیابهای بادی برای پمپاژ آب بوده است که برای این کار از سیستمهای کوچک با روتورهایی به طول یک تا چند متر استفاده می کردند. این سیستمها در طول قرن 19 تکمیل شدند و کار خود را با آسیاب بادی Halladay در سال 1854 آغاز کردند و به کار خود با طرحهای موتور بادی و Dempster که هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرند، ادامه دادند. اولین آسیابها 4 پره چوبی داشتند که بیشتر آنها اهرمی در پشت خود داشتند تا پره ها را به سمت جهت باد بچرخانند ولی برخی از آنها برجهایشان را در مسیر باد برپا می کردند.

مهمترین رویداد در آسیابهای بادی استفاده از پره های فولادی در سال 1870 در آمریکا بوده است، چراکه پره های فولادی سبکتر و به شکل کارآمدتری ساخته می شدند. بین سالهای 1850 تا 1970 در حدود 6 میلیون سیستم بادی کوچک (در حدود 1 اسب بخار و یا کمتر) تنها در آمریکا نصب گردید. استفاده اولیه آنها برای پمپاژ آب برای تهیه آب مورد نیاز آبیاری مزارع و خانه ها بوده است. آسیابهای بادی از سال 1888 تا کنون در اواخر قرن 19 میلادی اولین آسیاب بادی برای تولید برق طراحی گردید.

این آسیاب بادی در سال 1888 میلادی در کلیولند اوهایو توسط Charles F. Brush ساخته شد. روتورهای این آسیاب بادی به قطر 17 متر بوده که یک اهرم جانبی برای چرخاندن آن به سمت باد داشته است و اولین آسیاب بادی بوده که گیربکسی با نسبت 50:1 و ژنراتور جریان مستقیم با RPM 500 داشته است. با وجود موفقیت نسبی این آسیاب بادی در مدت 20 سال ولی محدودیتهایی در سرعت کم و استحکام بالای روتور برای تولید برق وجود داشت. میزان برق تولیدی این آسیاب بادی 12 کیلوواتی با روتور 17 متری در مقابل توربینهای بادی مدرن با این قطر روتور و ظرفیت 70 تا 100 کیلوواتی بسیار ناچیز می باشد. از این زمان بود که نام توربینهای بادی جایگزین آسیاب های بادی شدند.

در سال 1891 میلادی فردی دانمارکی اولین سیستم بادی با پره های آیرودینامیکی را طراحی نمود و در بهترین برج آسیاب بادی به کار گرفت. سرعت بالاتر حرکت پره ها باعث تولید برق بیشتری گردید. با پایان جنگ جهانی دوم استفاده از سیستمهای بادی 25 کیلوواتی در سرتاسر دانمارک رواج پیدا کرد ولی قیمت ارزان تر سوختهای فسیلی در نیروگاههای بخاری باعث شد تا استفاده از این آسیابهای بادی از رونق بیفتد. اولین توربینهای بادی کوچک برای تولید برق جریان مستقیم مورد استفاده قرار می گرفتند. این توربینها توسط دو شرکت Parris-Dunn و Jacobs Wind-electric برای استفاده در مناطق روستایی ساخته می شدند.

کاربرد اولیه این سیستمها برای روشنائی مزارع و شارژ باتری ها برای استفاده در رادیو به کار می رفته است. در سال 1922 توربینهای محور عمودی savonius توسط مهندس فنلاندی اختراع گردید. این توربینها با نیروی درگ کار می کردند و راندمانهای آنها پایین بوده است. در سال 1927 میلادی توربینهای محور عمودی Darrieus طراحی گردید. در این توربینها از نیروی لیفت به جای درگ استفاده می گردید و دو یا سه پره آیرودینامیکی به محور مرکزی متصل می شده است. راندمان این توربینها نیز پایین است چرا که نیاز به سرعت بالای باد برای شروع به چرخش دارد.

توربینهای بادی با ظرفیت بیشتر برای اولین بار در سال 1931 در روسیه توسعه یافتند. به طوری که توربینی 100 کیلوواتی در سواحل دریای خزر در طول 2 سال در حدود 200 هزار کیلووات ساعت برق تولید نمود. پس از آن نیروگاههای بادی در آمریکا، دانمارک، فرانسه، آلمان و انگلستان در طول سالهای 1935 تا 1970 با توربینهای بادی در مقیاس بزرگ راه اندازی شدند. در سال 1931 توربینهای بادی Darrieus معروف به egg beate توسط مهندسی فرانسوی اختراع گردید. بزرگترین توربین بادی به ظرفیت 1.25 مگاوات در سال 1941 در ورمونت نصب گردید.

این توربین از نوع محور افقی و با 2 پره با قطر 175 فوت رو به باد ساخته شده بود. روتور آن از جنس فولاد ضد زنگ و به وزن 16 تن بوده و سیستم کنترل آن روی 28 دور در دقیقه تنظیم شده بود. در سال 1945 تنها بعد از چند صد ساعت کار مداوم یکی از پره ها شکست و علت آن فقط به خاطر فرسودگی و خوردگی فلز آن بوده است. و اما توربینهای مدرن امروزی بیشتر از نوع محور افقی و با سه پره می باشند. پره های این توربینها بسیار شبیه به بال هواپیما طراحی گردیده و از نیروی لیفت استفاده میکنند. میزان برق تولیدی آنها به ظرفیت توربین و محل قرار گیری آن مربوط می باشد. اکثر توربینهای تجاری بین 1 تا 2.5 مگاوات می باشند. با توجه به شرایط وزش باد و میزان برق مصرفی خانوارها توربینهای 1 مگاواتی برق مورد نیاز تقریبا 500 خانه را تامین می کنند.