باد ، جهان انرژي را تغيير مي دهد
مترجم: مهندس سعيد صالحي
آنچه اكنون به عنوان بزرگترين مشكل جهاني، بشر را تهديد مي كند، كمبود انرژي و آلودگي هوا بر اثر استفاده از سوخت هاي فسيلي است.
براي رفع اين دو معضل بزرگ از مدتها پيش، پژوهشگران و دانشمندان مطالعه و تحقيق براي استفاده از انرژي هاي تجديد پذير و پاك را شروع كرده اند و اكنون كه دشواري هاي گراني و كمبود
سوخت هاي فسيلي و حداقل در50 سال آينده، پايان يافتن اين قبيل سوخت ها، پيش بيني شده و شدت آلودگي هوا، كلان شهرهاي دنيا را بشدت تهديد مي كند، مسئولان كشورها نيز با اختصاص بودجه هاي سنگين، تمامي دانشگاهها و مراكز پژوهشي را تشويق به يافتن انرژي هاي جايگزين و كم مخاطره مي كنند.
مي توان گفت، اكنون دو مسئله به هم پيوسته انرژي و آلودگي هوا (محيط زيست)، به عنوان يك مشكل جهاني عظيم روز بروز تشديد مي شود و تا زماني كه راهكارهاي علمي و عملي براي آن پيدا نشود، انسان خاكي در مخاطره جدي قرار دارد.
از گذشته هاي نه چندان دور، راه حلهايي براي توليد انرژي از منابع طبيعي مورد مطالعه قرار گرفته و عناصري مانند، آفتاب (نور خورشيد)، آب، باد و امواج اقيانوس ها مورد توجه قرار گرفته است و دانشمندان مي كوشند با استفاده از اين عناصر طبيعي، مشكل انرژي را حل كنند كه پي آمد آن، كاهش آلودگي هوا و محيط زيست سالم خواهد بود.
پيش از اين استفاده از باد، با ايجاد مزارع زميني توليد انرژي، مورد توجه قرار گرفته و هم اكنون از اين روش در برخي از كشورها به طور محدود استفاده مي شود. ليكن تازه ترين پديده اي كه دانشمندان مطالعات اجرايي آن را به انجام رسانده اند، ايجاد مزارع بادي توليد برق در آسمان و كيلومترها دورتر از سطح زمين است.
گزارش زير تازه ترين موفقيت ها در اين زمينه و نيز چگونگي آنرا توضيح مي دهدو جديدترين گزارش علمي در اين مقوله است كه در نشريات DISCOVER و SCIENTIFIC AMERICAN درج شده است.
تبديل انرژي تابشي به انرژي باد
امروزه استفاده از سوختهاي فسيلي بالاترين درصد تأمين انرژي را در دنيا به خود اختصاص داده و با توجه به رو به اتمام گذاشتن آن در آينده اي نه چندان دور، نگراني عميقي براي جايگزيني آن بوجود آمده است. شايد بتوان گفت كه تأمين انرژي براي چند نسل آينده، بزرگترين معضل و كاري بس دشوار خواهد بود. مشكل ديگر استفاده از سوخت هاي فسيلي است كه با توليد گازهاي زيان آور موجب آلودگي هوامي شوند.
براي رويارويي با شرايط كنوني، مدتها است كه انرژي وزش باد، به عنوان جايگزيني خوب در نظر گرفته شده و فكر پژوهشگران را به خود مشغول داشته است. از انرژي باد در ادوار گذشته. در برخي از كشورها به طرق مختلف استفاده مي شده و نمونه ساده آن استفاده از آسيابهاي بادي است. نكته حائز اهميت اينكه در گذشته هيچ محاسبه يا برآوردي در خصوص مقدار انرژي باد انجام نشده است.
براساس پژوهش ها، حدود نيم درصد از انرژي تابشي خورشيد زماني كه به زمين مي رسد، به صورت باد تبديل به انرژي جنبشي مي شود و در هر مترمكعب از هواي متحرك در بالاي سطح زمين حدود1/7 وات انرژي وجود دارد. در اندازه هاي كوچك- اين انرژي به گونه متمركز و بصورت جريان هاي شديد هواست ولي براي استفاده بسيار زياد، بيشترين انرژي بادها در ارتفاعات بالا قرار دارد، به طوري كه دانشمندان دريافته اند دو سوم كل انرژي باد بالاتر از لايه تروپوسفر و دور از دسترس ما قرار دارد.
نتايج محاسبات و مطالعات علمي
در محاسبات انجام شده در دانشگاه واشينگتن مشخص شده، انرژي باد با تغيير ارتفاع، فصل و مكان جغرافيايي تغيير مي يابد. يك جريان باد بسيار قويِ مادر، بنام »جت استريم« در ارتفاع10 كيلومتري زمين بين عرض جغرافيايي20 تا40 درجه در شمال كره زمين در حركت است. اين جريان برفراز بسياري از كشورهاي آمريكاي شمالي، اروپا، چين و ژاپن قرار دارد و قدرت آن بين5000 تا10000 وات در هر مترمكعب است. جت استريم يك امتياز بسيار مثبت و يك امتياز منفي دارد: نخست اينكه دايمي است و هيچگاه متوقف نمي شود و دوم اينكه به طور مرتب در حال تغيير مكان و سرگردان است!
در تحقيقاتي مشابه در دانشكده علوم اَتمسفريك، دانشگاه استانفورد ايالات متحده، محاسبات حركت هوا توسط دو دانشمند انجام شد. آنها در مورد انرژي وزش باد در ارتفاع80 متري از سطح زمين(كه در حال حاضر در بسياري از مكانها مورد استفاده توربين هاي مولد برق قرار مي گيرند) تحقيقات وسيعي انجام داده و مقدار آنرا در حدود72 تريليون وات در سطح جهان محاسبه كردند. اين برآورد بسيار شگفت انگيز است. در مقام مقايسه، كل انرژي توليد شده در ايالات متحده در سال2007، حدود يك تريليون وات بوده و به سادگي مي توان نتيجه گرفت كه چه انرژي قابل استفاده اي در اختيار ما قرار دارد. مطالعات نشان مي دهد هرچه ارتفاع بيشتر شود سرعت باد نيز افزايش يافته و در نتيجه انرژي بيشتري
مي توان بدست آورد. بنابراين انرژي بدست آمده در ارتفاعات كم كره زمين كافي و رضايت مندانه نيست. محاسبات نشان داده، در فواصل بالاي سطح زمين مي توان تا250 برابر انرژي توليد شده توسط مولدهاي بادي فعلي كه در نزديكي سطح زمين مورد استفاده قرا رمي گيرد، برق توليد كرد.
اگر بخواهيم از انرژي باد، چندين تريليون وات برق بدست آوريم، فناوري هاي مدرن به كمك ما خواهند آمد و تاكنون طرح هاي متعددي در اين زمينه ارايه شده است.
قدرت باد آسمان
براي برداشت انرژي در ارتفاعات بالا، »برايان رابرت« از دانشگاه سيدني استراليا طرحي ارايه داده كه آنرا»قدرت باد آسمان« نام نهاده است. اين دانشمند نوعي كايت طراحي كرده كه مانند يك هلي كوپتر به ارتفاع نزديك به دو كيلومتر يا بيشتر از سطح زمين صعود مي كند. روش كار اين كايت به اين گونه است كه ابتدا پروانه هاي آن توسط موتور برقي كه نيروي خود را از كابل متصل به زمين مي گيرد به گردش درآمده و اوج مي گيرد. هدايت اين وسيله از طريق يك سيستم كنترل رايانه انجام مي شود و پس از رسيدن به ارتفاع معين و بگردش درآمدن پروانه هاي آن توسط انرژي باد، سيستم موتورهاي برقي آن تبديل به مولد برق خواهند شد. انرژي توليد شده توسط كابل متصل به آن به زمين ارسال مي شود. اين كابل ممكن است چند كيلومتر طول داشته باشد. در واقع كايت، تبديل به يك مولد برق پرنده،[Flying Electric Generator (FEG)] ، خواهد شد. كنترل و حفظ موقعيت آن از نقطه نظر ارتفاع و ساير تنظيمات ديگر، توسط سيستم هاي رايانه اي بصورت خودكار انجام خواهد شد. اما كار به اين راحتي نيست. وزش هاي شديد باد، طوفان هاي سهمگين، حركت هواپيماها و نظاير آن، همه و همه بايد در نظر گرفته شود.
مولد برق ديگري توسط" شركت اسكاي ويند پاور" براي ارتفاع3 هزار متري از سطح زمين طراحي شده است. شركت »ماگن پاور« همچنين توليد يك نوع مولد برق گردشي4 كيلوواتي پرشده از گاز هيليوم را در ارتفاع122 متري از سطح زمين طراحي كرده است. مكانيزم كار آن مانند توپ گلفي است كه به كناره آن ضربه زده شده و دايماً در حال چرخش است. قيمت اين مولد بدون احتساب گاز هيليوم، ده هزار دلار است. اين شركت در نظر دارد تا سال2010، براي ارتفاعات بالاتر مولد1/6 مگاواتي به اندازه يك زمين فوتبال بسازد.
در طرحي ديگر، بالنهاي پر شده از گاز به فضا فرستاده مي شود كه از نيروي كششي آنها، در روي زمين براي به گردش درآوردن توربين هاي مولد برق استفاده خواهد شد. در كنار بالن پره هايي وجود دارند كه با وزش باد بگردش درآمده و كل سيستم، مانند يك پيستون و ميل لنگ ماشين عمل مي كند. نيروي كششي متغير بوجود آمده مانند يك پيستون ماشين با كابل متصل به آن، يك مولد برق برروي زمين را به گردش در خواهد آورد. ارتفاع آن از سطح زمين چند صدمتر برآورد شده است.
طرح جديدي نيز توسط فضا نوردي بنام »وبو اوكلز« در دانشگاه فني »دلفت« در هلند ارايه شده كه عبارتست از يك سري كايت هاي كنترل شده توسط رايانه كه به يك كابل متصل هستند. اين طرح »راهكار نردباني« ناميده شده است. هنگامي كه سيستم در آسمان مستقر شد ارتفاع كايت ها توسط رايانه به طور مرتب بالا و پايين و كم و زياد مي شود. در واقع يك حركت نوساني دايمي مانند حركت يويو بوجود مي آيد. كابل متصل به بدنه، سيستم مولدهاي برق در روي زمين را به گردش در آورده و از اين طريق الكتريسيته توليد مي شود. در اين طرح، بالا و پايين رفتن كايت ها مانند حركت يك پيستون خودرو، عمل مي كند. نتايج بدست آمده از يك شبيه سازي رايانه اي نشان مي دهد كه با يك كايت مي توان در حدود50 مگاوات برق بر روي زمين توليد كرد.
به گفته كارشناسان، تا زماني كه مولدهاي برق ارتفاع بالا، در عمل مورد استفاده قرار گيرند راهي طولاني در پيش است. هيچكس بدرستي نمي داند كه اين مولدها با در نظر گرفتن شرايط استقرارشان و مشكلاتي نظير طوفان هاي شديد، برخورد صاعقه، تعمير و نگهداري و مواردي مشابه آن چگونه عمل خواهند كرد. مزارع شناور در فضا در مقايسه با نوع مشابه خود در زمين، فضايي را در سطح، اشغال نمي كنند، ولي قوانين جديد حمل و نقل هوايي و ممنوعيت پرواز در آن مناطق نيازمند يك سلسله قوانين بين المللي است.
اما عليرغم تمام مشكلات كاربردي، استفاده از اين فن آورييك طرح انقلابي معرفي شده و مي تواند جامعه آينده بشري را برايبهره گيري از يك انرژي پاك، فراوان، هميشگي، كم هزينه و قابل دسترس آسوده خاطر كند.
منابع و مأخذ: نشريهDiscovery - اكتبر2008
Scientific American- Volume 295- Number 3
مترجم: مهندس سعيد صالحي
آنچه اكنون به عنوان بزرگترين مشكل جهاني، بشر را تهديد مي كند، كمبود انرژي و آلودگي هوا بر اثر استفاده از سوخت هاي فسيلي است.
براي رفع اين دو معضل بزرگ از مدتها پيش، پژوهشگران و دانشمندان مطالعه و تحقيق براي استفاده از انرژي هاي تجديد پذير و پاك را شروع كرده اند و اكنون كه دشواري هاي گراني و كمبود
سوخت هاي فسيلي و حداقل در50 سال آينده، پايان يافتن اين قبيل سوخت ها، پيش بيني شده و شدت آلودگي هوا، كلان شهرهاي دنيا را بشدت تهديد مي كند، مسئولان كشورها نيز با اختصاص بودجه هاي سنگين، تمامي دانشگاهها و مراكز پژوهشي را تشويق به يافتن انرژي هاي جايگزين و كم مخاطره مي كنند.
مي توان گفت، اكنون دو مسئله به هم پيوسته انرژي و آلودگي هوا (محيط زيست)، به عنوان يك مشكل جهاني عظيم روز بروز تشديد مي شود و تا زماني كه راهكارهاي علمي و عملي براي آن پيدا نشود، انسان خاكي در مخاطره جدي قرار دارد.
از گذشته هاي نه چندان دور، راه حلهايي براي توليد انرژي از منابع طبيعي مورد مطالعه قرار گرفته و عناصري مانند، آفتاب (نور خورشيد)، آب، باد و امواج اقيانوس ها مورد توجه قرار گرفته است و دانشمندان مي كوشند با استفاده از اين عناصر طبيعي، مشكل انرژي را حل كنند كه پي آمد آن، كاهش آلودگي هوا و محيط زيست سالم خواهد بود.
پيش از اين استفاده از باد، با ايجاد مزارع زميني توليد انرژي، مورد توجه قرار گرفته و هم اكنون از اين روش در برخي از كشورها به طور محدود استفاده مي شود. ليكن تازه ترين پديده اي كه دانشمندان مطالعات اجرايي آن را به انجام رسانده اند، ايجاد مزارع بادي توليد برق در آسمان و كيلومترها دورتر از سطح زمين است.
گزارش زير تازه ترين موفقيت ها در اين زمينه و نيز چگونگي آنرا توضيح مي دهدو جديدترين گزارش علمي در اين مقوله است كه در نشريات DISCOVER و SCIENTIFIC AMERICAN درج شده است.
تبديل انرژي تابشي به انرژي باد
امروزه استفاده از سوختهاي فسيلي بالاترين درصد تأمين انرژي را در دنيا به خود اختصاص داده و با توجه به رو به اتمام گذاشتن آن در آينده اي نه چندان دور، نگراني عميقي براي جايگزيني آن بوجود آمده است. شايد بتوان گفت كه تأمين انرژي براي چند نسل آينده، بزرگترين معضل و كاري بس دشوار خواهد بود. مشكل ديگر استفاده از سوخت هاي فسيلي است كه با توليد گازهاي زيان آور موجب آلودگي هوامي شوند.
براي رويارويي با شرايط كنوني، مدتها است كه انرژي وزش باد، به عنوان جايگزيني خوب در نظر گرفته شده و فكر پژوهشگران را به خود مشغول داشته است. از انرژي باد در ادوار گذشته. در برخي از كشورها به طرق مختلف استفاده مي شده و نمونه ساده آن استفاده از آسيابهاي بادي است. نكته حائز اهميت اينكه در گذشته هيچ محاسبه يا برآوردي در خصوص مقدار انرژي باد انجام نشده است.
براساس پژوهش ها، حدود نيم درصد از انرژي تابشي خورشيد زماني كه به زمين مي رسد، به صورت باد تبديل به انرژي جنبشي مي شود و در هر مترمكعب از هواي متحرك در بالاي سطح زمين حدود1/7 وات انرژي وجود دارد. در اندازه هاي كوچك- اين انرژي به گونه متمركز و بصورت جريان هاي شديد هواست ولي براي استفاده بسيار زياد، بيشترين انرژي بادها در ارتفاعات بالا قرار دارد، به طوري كه دانشمندان دريافته اند دو سوم كل انرژي باد بالاتر از لايه تروپوسفر و دور از دسترس ما قرار دارد.
نتايج محاسبات و مطالعات علمي
در محاسبات انجام شده در دانشگاه واشينگتن مشخص شده، انرژي باد با تغيير ارتفاع، فصل و مكان جغرافيايي تغيير مي يابد. يك جريان باد بسيار قويِ مادر، بنام »جت استريم« در ارتفاع10 كيلومتري زمين بين عرض جغرافيايي20 تا40 درجه در شمال كره زمين در حركت است. اين جريان برفراز بسياري از كشورهاي آمريكاي شمالي، اروپا، چين و ژاپن قرار دارد و قدرت آن بين5000 تا10000 وات در هر مترمكعب است. جت استريم يك امتياز بسيار مثبت و يك امتياز منفي دارد: نخست اينكه دايمي است و هيچگاه متوقف نمي شود و دوم اينكه به طور مرتب در حال تغيير مكان و سرگردان است!
در تحقيقاتي مشابه در دانشكده علوم اَتمسفريك، دانشگاه استانفورد ايالات متحده، محاسبات حركت هوا توسط دو دانشمند انجام شد. آنها در مورد انرژي وزش باد در ارتفاع80 متري از سطح زمين(كه در حال حاضر در بسياري از مكانها مورد استفاده توربين هاي مولد برق قرار مي گيرند) تحقيقات وسيعي انجام داده و مقدار آنرا در حدود72 تريليون وات در سطح جهان محاسبه كردند. اين برآورد بسيار شگفت انگيز است. در مقام مقايسه، كل انرژي توليد شده در ايالات متحده در سال2007، حدود يك تريليون وات بوده و به سادگي مي توان نتيجه گرفت كه چه انرژي قابل استفاده اي در اختيار ما قرار دارد. مطالعات نشان مي دهد هرچه ارتفاع بيشتر شود سرعت باد نيز افزايش يافته و در نتيجه انرژي بيشتري
مي توان بدست آورد. بنابراين انرژي بدست آمده در ارتفاعات كم كره زمين كافي و رضايت مندانه نيست. محاسبات نشان داده، در فواصل بالاي سطح زمين مي توان تا250 برابر انرژي توليد شده توسط مولدهاي بادي فعلي كه در نزديكي سطح زمين مورد استفاده قرا رمي گيرد، برق توليد كرد.
اگر بخواهيم از انرژي باد، چندين تريليون وات برق بدست آوريم، فناوري هاي مدرن به كمك ما خواهند آمد و تاكنون طرح هاي متعددي در اين زمينه ارايه شده است.
قدرت باد آسمان
براي برداشت انرژي در ارتفاعات بالا، »برايان رابرت« از دانشگاه سيدني استراليا طرحي ارايه داده كه آنرا»قدرت باد آسمان« نام نهاده است. اين دانشمند نوعي كايت طراحي كرده كه مانند يك هلي كوپتر به ارتفاع نزديك به دو كيلومتر يا بيشتر از سطح زمين صعود مي كند. روش كار اين كايت به اين گونه است كه ابتدا پروانه هاي آن توسط موتور برقي كه نيروي خود را از كابل متصل به زمين مي گيرد به گردش درآمده و اوج مي گيرد. هدايت اين وسيله از طريق يك سيستم كنترل رايانه انجام مي شود و پس از رسيدن به ارتفاع معين و بگردش درآمدن پروانه هاي آن توسط انرژي باد، سيستم موتورهاي برقي آن تبديل به مولد برق خواهند شد. انرژي توليد شده توسط كابل متصل به آن به زمين ارسال مي شود. اين كابل ممكن است چند كيلومتر طول داشته باشد. در واقع كايت، تبديل به يك مولد برق پرنده،[Flying Electric Generator (FEG)] ، خواهد شد. كنترل و حفظ موقعيت آن از نقطه نظر ارتفاع و ساير تنظيمات ديگر، توسط سيستم هاي رايانه اي بصورت خودكار انجام خواهد شد. اما كار به اين راحتي نيست. وزش هاي شديد باد، طوفان هاي سهمگين، حركت هواپيماها و نظاير آن، همه و همه بايد در نظر گرفته شود.
مولد برق ديگري توسط" شركت اسكاي ويند پاور" براي ارتفاع3 هزار متري از سطح زمين طراحي شده است. شركت »ماگن پاور« همچنين توليد يك نوع مولد برق گردشي4 كيلوواتي پرشده از گاز هيليوم را در ارتفاع122 متري از سطح زمين طراحي كرده است. مكانيزم كار آن مانند توپ گلفي است كه به كناره آن ضربه زده شده و دايماً در حال چرخش است. قيمت اين مولد بدون احتساب گاز هيليوم، ده هزار دلار است. اين شركت در نظر دارد تا سال2010، براي ارتفاعات بالاتر مولد1/6 مگاواتي به اندازه يك زمين فوتبال بسازد.
در طرحي ديگر، بالنهاي پر شده از گاز به فضا فرستاده مي شود كه از نيروي كششي آنها، در روي زمين براي به گردش درآوردن توربين هاي مولد برق استفاده خواهد شد. در كنار بالن پره هايي وجود دارند كه با وزش باد بگردش درآمده و كل سيستم، مانند يك پيستون و ميل لنگ ماشين عمل مي كند. نيروي كششي متغير بوجود آمده مانند يك پيستون ماشين با كابل متصل به آن، يك مولد برق برروي زمين را به گردش در خواهد آورد. ارتفاع آن از سطح زمين چند صدمتر برآورد شده است.
طرح جديدي نيز توسط فضا نوردي بنام »وبو اوكلز« در دانشگاه فني »دلفت« در هلند ارايه شده كه عبارتست از يك سري كايت هاي كنترل شده توسط رايانه كه به يك كابل متصل هستند. اين طرح »راهكار نردباني« ناميده شده است. هنگامي كه سيستم در آسمان مستقر شد ارتفاع كايت ها توسط رايانه به طور مرتب بالا و پايين و كم و زياد مي شود. در واقع يك حركت نوساني دايمي مانند حركت يويو بوجود مي آيد. كابل متصل به بدنه، سيستم مولدهاي برق در روي زمين را به گردش در آورده و از اين طريق الكتريسيته توليد مي شود. در اين طرح، بالا و پايين رفتن كايت ها مانند حركت يك پيستون خودرو، عمل مي كند. نتايج بدست آمده از يك شبيه سازي رايانه اي نشان مي دهد كه با يك كايت مي توان در حدود50 مگاوات برق بر روي زمين توليد كرد.
به گفته كارشناسان، تا زماني كه مولدهاي برق ارتفاع بالا، در عمل مورد استفاده قرار گيرند راهي طولاني در پيش است. هيچكس بدرستي نمي داند كه اين مولدها با در نظر گرفتن شرايط استقرارشان و مشكلاتي نظير طوفان هاي شديد، برخورد صاعقه، تعمير و نگهداري و مواردي مشابه آن چگونه عمل خواهند كرد. مزارع شناور در فضا در مقايسه با نوع مشابه خود در زمين، فضايي را در سطح، اشغال نمي كنند، ولي قوانين جديد حمل و نقل هوايي و ممنوعيت پرواز در آن مناطق نيازمند يك سلسله قوانين بين المللي است.
اما عليرغم تمام مشكلات كاربردي، استفاده از اين فن آورييك طرح انقلابي معرفي شده و مي تواند جامعه آينده بشري را برايبهره گيري از يك انرژي پاك، فراوان، هميشگي، كم هزينه و قابل دسترس آسوده خاطر كند.
منابع و مأخذ: نشريهDiscovery - اكتبر2008
Scientific American- Volume 295- Number 3
