انرژی باد که به عنوان نیروی باد نیز شناخته می شود، وسیله ای برای مهار باد و تبدیل آن به برق است. میانگین راندمان باد توربین ها بین 35-45 درصد است.
تولید نیروی باد
باد در جو زمین به دلیل اختلاف دمای زمین به صورت محلی یا در مقیاس منطقه ای و جهانی تولید می شود. هنگامی که گرما گرم می شود، بالا می رود و با فشار هوا کم از محل خارج می شود. هوا از مناطق سردتر با فشار هوای بالاتر به سمت داخل حرکت می کند تا فشار هوا را یکسان کند.
آسیاب‌ها و توربین‌های بادی از انرژی جنبشی یا «انرژی حرکتی» بهره می‌برند که هوا یا باد را از مکانی به مکان دیگر منتقل می‌کند و آن را به برق تبدیل می‌کند.توربین‌های بادی در مکان‌های بادخیز نصب می‌شوند، بنابراین باد می‌تواند پره‌های توربین‌ها را حرکت دهد. این تیغه ها یک موتور را می چرخانند و چرخ دنده ها چرخش را به اندازه ای افزایش می دهند که برق تولید کند. طراحی های مختلف توربین ها برای شرایط مختلف مناسب هستند.
بازده و ضریب ظرفیت باد
راندمان باد با ضریب ظرفیت باد یکی نیست، این همان چیزی است که وقتی مردم به کارایی انرژی فکر می کنند بحث می شود. Wind Watch تفاوت بین این دو پدیده را توضیح می دهد.
بازدهی باد و حد آن
بازدهی باد مقدار انرژی جنبشی باد است که به انرژی مکانیکی و الکتریسیته تبدیل می شود. قوانین فیزیک توصیف شده توسط Betz Limit می گوید حداکثر حد تئوری 59.6٪ است. باد به بقیه انرژی نیاز دارد تا از کنار تیغه ها عبور کند. این در واقع خوب است. اگر یک توربین 100 درصد انرژی را به دام انداخته باشد، باد از وزیدن باز می ماند و پره های توربین نمی توانند برای تولید برق بچرخند.
اما در حال حاضر برای هیچ ماشینی امکان پذیر نیست که تمام 59.6 درصد انرژی جنبشی محبوس شده را از باد به برق تبدیل کند. محدودیت هایی به دلیل نحوه ساخت و مهندسی ژنراتورها وجود دارد که باعث کاهش بیشتر انرژی می شود که در نهایت به نیرو تبدیل می شود. میانگین در حال حاضر 35-45٪ است، همانطور که در بالا ذکر شد. حداکثر عملکرد در اوج می تواند به 50٪ بر اساس Wind Watch برسد. یک سند دولت استرالیا (NSW) همچنین موافق است که 50٪ حداکثر بازده باد است که می توان به دست آورد (صفحه 3).
بازده انرژی به اندازه ضریب ظرفیت باد که تا حد زیادی به موقعیت مکانی و شرایط آب و هوایی بستگی دارد، تغییر نمی کند.
ضریب ظرفیت باد
فاکتور ظرفیت باد مقدار انرژی تولید شده توسط یک ژنراتور در مقابل آنچه که اگر همیشه در اوج ظرفیت کار کند، تولید می‌کند، طبق گفته گرین تک‌مدیا. ضریب ظرفیت باد از مکانی به مکان دیگر و در زمان‌های مختلف سال، حتی با توربین‌های یکسان، متفاوت است، زیرا به سرعت باد، چگالی و منطقه جاروب شده آن بستگی دارد که به اندازه ژنراتور بستگی دارد..ضریب ظرفیت باد را می‌توان با انتخاب مکان‌هایی که شرایط باد ایده‌آل در کل یا بخش بیشتری از سال حاکم است، بهینه کرد. بنابراین توجه به ضریب ظرفیت باد و شرایط موثر بر آن برای به حداکثر رساندن توان خروجی بسیار مهم است.
- سرعت بادزیر 30 مایل در ساعت انرژی کمی تولید می کند. حتی افزایش های کوچک در سرعت می تواند به افزایش قابل توجهی در توان تولید شده بر اساس Open EI تبدیل شود. الکتریسیته تولید شده مکعبی از سرعت باد است که Wind EIS را توضیح می دهد.
- تراکم هوا در مناطق سردتر و در سطح دریا بیشتر از کوهستان است. بنابراین مکان‌های ایده‌آل با تراکم باد بالا، دریاهایی با دمای سردتر طبق Open EI هستند. این یکی از دلایل گسترش مقیاس بزرگ در تولید باد فراساحلی است.
- توربین‌های بزرگتر و بلندتر می‌توانند از باد بیشتر در بالای سطح زمین و با افزایش طول پره‌هایشان بهره ببرند. بنابراین ملاحظات اقتصادی در اینجا مهم می شود.
فاکتور ظرفیت با پیشرفت تکنولوژی دائماً در حال افزایش است. توربین‌های بادی ساخته شده در سال 2014 به ضریب ظرفیت 41.2 درصد رسیدند در حالی که این میزان برای توربین‌هایی که بین سال‌های 2004-2011 ساخته شده بودند، 31.2 درصد بود. با این حال، ضریب ظرفیت باد نه تنها تحت تأثیر فناوری، بلکه خود در دسترس بودن باد نیز قرار دارد. بنابراین، در سال 2015 ضریب ظرفیت توربین ها به دلیل «خشکسالی باد» کمتر از میانگین سال های قبل بوده است.
مقایسه با سایر منابع تغذیه
بهره وری انرژی باد بهتر از بهره وری انرژی زغال سنگ است. تنها 29 تا 37 درصد انرژی زغال‌سنگ به برق تبدیل می‌شود و گاز تقریباً همان بازدهی باد دارد که 32 تا 50 درصد انرژی موجود در گاز را می‌توان به برق تبدیل کرد.
اما، از نظر فاکتورهای ظرفیت، سوخت‌های فسیلی در سال 2016 بر اساس گزارش اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده (EIA) بهتر از باد در ایالات متحده عمل کردند.
-
تجدید پذیر در مقابل کارخانه ها کارخانه‌های زغال‌سنگ در ایالات متحده با ۵۲.۷ درصد ظرفیت خود کار می‌کردند.
- فاکتور ظرفیت نیروگاه های گاز در آمریکا 56 درصد بود.
- نیروی هسته‌ای دارای ضریب ظرفیت 92.5 درصدی بر اساس ارقام EIA برای سوخت‌های غیرفسیلی است.
- ضریب ظرفیت هیدروپاور 38% بود
- ضریب ظرفیت باد 34.7% بود.
در هنگام مقایسه توان خروجی از منابع مختلف انرژی، بهتر است نه تنها ضریب ظرفیت، بلکه بازده انرژی آنها را نیز در نظر بگیرید. این همان چیزی است که افزایش تولید برق از باد را در مقایسه با سوخت‌های فسیلی که به دلیل مشکلات ناشی از آلودگی نیز با مشکل مواجه می‌شوند، رقابتی و امکان‌پذیر می‌کند.
تناوب بر خروجی انرژی باد تاثیر می گذارد
انرژی باد از متناوب بودن رنج می برد، زیرا باد همیشه در دسترس نیست و می تواند با سرعت های مختلف بوزد، به این معنی که نیرو در سطوح ناسازگاری تولید می شود.متناوب بودن انرژی پدیده‌ای است که در آن انرژی به دلیل بسیاری از عواملی که افراد نمی‌توانند آنها را کنترل کنند، به طور مداوم در دسترس نیست. بنابراین تنوع در عرضه وجود دارد.
راهکارهای تناوب
از آنجایی که تولید برق از توربین‌های بادی از ساعت به ساعت یا حتی ثانیه به ثانیه در نوسان است، تامین‌کنندگان برق باید ذخایر انرژی بزرگ‌تری برای تامین و حفظ سطوح ثابت منبع تغذیه داشته باشند. متناوب نه تنها به معنای کمبود نیست، بلکه به معنای دوره های افراط است. سپس این یک راه حل ممکن را نیز فراهم می کند. دانشمند آمریکایی توضیح می دهد که با افزایش تعداد منابع انرژی باد، تفاوت محلی در شرایط آب و هوایی و باد می تواند کمبودها و زیاده روی ها را متعادل کند.
پیش‌بینی‌های آب‌وهوا و مدل‌سازی بهبودیافته همچنین باعث می‌شود که حتی تغییرات کوتاه‌مدت در نیروی باد را نیز آسان‌تر کنیم. ترکیبی از منابع نیز حتی برای تفاوت های روزانه یا فصلی در تولید برق بادی ضروری است.
بدون در نظر گرفتن متناوب بودن، مزارع بادی جدید گسترده در سراسر ایالات متحده، در واقع به تثبیت منبع تغذیه کمک کرده است، به ویژه در طول آب و هوای شدید در تگزاس طبق گفته Clean Technica.
هزینه
در سال ۲۰۱۷، ایندیپندنت اعلام کرد که تولید انرژی از باد ارزان‌تر از سوخت‌های فسیلی است. تولید یک مگاوات ساعت (MWh) در سال 2017 50 دلار هزینه داشت. با بهبود فناوری، هزینه ها همچنان کاهش می یابد و آن را جذاب تر از منابع انرژی آلاینده معمولی می کند. ایالات متحده امیدوار است با ارائه مشوق های دولتی به این حرکت کمک کند تا سهم نیروی بادی را که 6 درصد از برق خود را در سال 2016 بر اساس EIA تامین می کرد، افزایش دهد.
Wind EIS اشاره می‌کند که ۸۰ درصد هزینه‌ها مربوط به هزینه‌های سرمایه‌ای است که در نصب توربین‌ها انجام می‌شود و ۲۰ درصد عملیاتی است. با این حال، از آنجایی که هیچ هزینه سوختی در کار نیست و با توجه به توان تولید شده در کل چرخه عمر آن، انرژی باد قابل رقابت است.
انرژی بدون کربن
انرژی باد یکی از جایگزین های کارآمدتر برای انرژی سوخت فسیلی است. پیش بینی می شود تا سال 2050، 139 کشوری که در حال حاضر از 99 درصد انرژی جهان استفاده می کنند، می توانند 100 درصد از انرژی های تجدیدپذیر استفاده کنند. بر اساس گزارش انجمن جهانی در سال 2017، باد و خورشید با هم می توانند 97 درصد از این انرژی را تامین کنند. این می تواند به مهار گرمایش جهانی به زیر 1.5 درجه سانتیگراد کمک کند. چه یک مزرعه بادی در دامنه تپه یا در امتداد خط ساحلی باشد، فناوری توربین بادی روش بسیار کارآمدتری برای تولید برق قابل استفاده نسبت به منابع سنتی غیر قابل تجدید ارائه می دهد.
