پروژه انرژی آبی

انرژی آبی
زمانیکه در کوهها و تپّه ها باران می بارد ، آب حاصل از آن بصورت نهر و رودخانه جاری شده و به دریا می ریزد. از آب جاری و ریزشی می توان به نحو احسن استفاده نمود. همانطوریکه قبلاً گفته شد ، انرژی عبارت است از "توانایی انجام کار". بنابراین می توان از آب جاری ، که حاوی انرژی جنبشی است ، برای تولید برق استفاده کرد.

در گذشته برای خرد کردن گندم و ذرت در آسیابها، از آب جاری برای چرخاندن چرخهای چوبی آسیاب استفاده می کردند. این نوع آسیاب را آسیاب آبی یا آسیاب غلات می گفتند.
در سال 1086 ، کتاب چند جلدی Domesday نوشته شد. در این کتاب فهرست کلیه املاک ، خانه ها ، فروشگاهها و سایر موارد در انگلستان ارائه شده است. در این کتاب فهرست 5624 آسیاب آبی واقع در جنوب رودخانه ترنت (Trent) در انگلستان درج شده است. به عبارت دیگر به ازای هر 400 نفر یک آسیاب وجود داشت.
گردش چرخهای آسیاب آبی یا از طریق آبهای ریزشی (ریزش آب از بالا برروی چرخ) و یا آبهای جاری (رودخانه) صورت می گیرد (این نوع آسیابها در تصویر نشان داده شده اند). امروزه از آب جاری نیزمی توان برای تولید برق استفاده نمود. هیدرو به معنی آب است. بدین ترتیب هیدرو – الکتریک یعنی تولید برق از طریق انرژی آب .

استفاده از انرژی جنبشی آب جاری جهت تولید برق را نیروی هیدروالکتریک گویند. با ایجاد سد میتوان جریان رودخانه را متوقف نمود. همانطوریکه در تصویر مربوط به سد شاستا (Shasta) در شمال کالیفرنیا ملاحضه می فرمائید ، با ایجاد سد، مخزنی از آب تشکیل می شود. اما سدهای احداثی برروی رودخانه های بزرگتر باعث تشکیل مخزن نمی شود. جهت تولید برق در یک نیروگاه هیدروالکتریکی ، آب رودخانه به داخل آن هدایت می شود. در تصویر ، سد دالاس را مشاهده می کنید که برروی رودخانه کلمبیا، در طول مرز بین ایالت اورگون و واشنگتن ، احداث شده است.
نیروگاههای آبی بزرگترین تولید کنندگان برق در ایالات متحده هستند. این نیروگاهها 10 درصد از کل برق مصرفی این کشور را تامین می کنند. ساخت نیروگاههای از این نوع در ایالتهای که دارای کوهستانهای مرتفع و رودخانه های زیادی هستند ، می تواند منجر به افزایش تولید برق شود. به عنوان مثال، در حدود 15 درصد از کل برق تولیدی ایالت کالیفرنیا از نیروگاههای هیدروالکتریک تامین می شود. اما بیشترین تولید برق آبی مربوط به ایالت واشنگتن است. 3 سد از 6 سد اصلی که برروی رودخانه کلمبیا احداث شده اند عبارتند از گراند کولی (Grand coulee) ، چیف جوزف (Chief joseph) و جان دی (John Day) . حدود 87 درصد از کل برق تولیدی ایالت واشنگتن از نیروگاههای هیدروالکتریک تامین می شود. مقداری از برق تولیدی این نیروگاهها به ایالتهای دیگر نیز ارسال می شود.

نحوه کار یک سد آبی
آب پشت سد بعداز عبور از یک مدخل وارد لوله ای بنام آبگیر (دریچه مخصوص تنظیم جریان آب) می شود. آب به تیغه های توربین فشار آورده و باعث حرکت آنها می گردد. توربین یک نیروگاه آبی مانند توربین یک نیروگاه معمولی عمل می کند، با فرق اینکه در اینجا از آب بجای بخار برای چرخاندن توربین استفاده می شود. گردش توربین باعث چرخش ژنراتور و درنتیجه تولید برق می گردد. سپس برق تولیدی از طریق خطوط انتقال به خانه ، مدرسه ، کارخانه و مراکز تجاری ارسال می شود.
امروزه نیروگاههای آبی در نواحی کوهستانی ایالتهای مختلف آمریکا ، که در آنجا دریاچه و
رودخانه های طویل وجود دارد ، ساخته می شوند.

نیروگاه
نیروگاه ها کارخانه های تولید برق هستند.
در دنیا ۵ منبع انرژی، که تقریباً تمام برق دنیا را مهیا می کنند، وجود دارد. این منابع ذغال سنگ، نفت خام، گاز طبیعی، نیروی آب و انرژی هسته ای هستند. تجهیزات هسته ای، ذغالی و نفتی از چرخه بخار برای برگرداندن گرما به انرژی الکتریکی استفاده می کنند.
نیروگاه بخاری از آب بسیار خالص در یک چرخه بسته استفاده می کند. ابتدا آب در بویلرها برای تولید بخار در فشار و دمای بالا گرما داده می شود که عموماً دماو فشارآن در یک نیروگاه مدرن به 150 اتمسفر و550 درجه سانتیگراد می رسد. این بخار تحت فشار زیاد توربینها را (که آنها هم ژنراتورهای الکتریکی را می گردانند , و این ژنراتورها با توربینها بطور مستقیم کوپل هستند) می گردانند یا اصطلاحا درایو می کنند. بیشینه انرژی از طریق بخار به توربینها داده خواهد شد فقط اگر بعداً همان بخار اجازه یابد در یک فشار کم (بطور ایده آل فشار خلاء) از توربینها خارج شود. این مطلب می تواند توسط میعان بخار خروجی به آب بدست آید.
سپس آب دوباره بداخل بویلرها پمپ می شود و چرخه دوباره شروع می گردد. در مرحله تقطیر مقدرا زیادی از گرما مجبور است از سیستم استخراج شود. این گرما در چگالگر که یک شکل از تبادل کننده گرمایی است , برداشته می شود. مقدار بیشتری از گرمای آب ناخالص وارد یک طرف چگالگر می شود و آن را از طرف دیگر ترک می کند بصورت آب گرم , داشتن گرمای به اندازه کافی استخراج شده از بخار داغ برای تقطیر آن به آب. در هیچ نقطه ای نباید دو سیستم آبی مخلوط شوند. در یک سایت ساحلی آب ناخالص داغ شده به سادگی به دریا برگشت داده می شود در یک نقطه با فاصله کوتاه. یک نیروگاه 2 GW به حدود 60 تن آب دریا در هر ثانیه احتیاج دارد. این برای دریا مشکل نیست , اما در زمین تعداد کمی از سایتها می توانند اینقدر آب را در یک سال ذخیره کنند. چاره دیگر بازیافت آب است. برجهای خنک کن برای خنک کردن آب ناخالص استفاده می شوند بطوریکه آن می تواند به چگالگرها برگردانده بشود , بنابراین همان آب بطور متناوب بچرخش در می آید. یک برج خنک کن از روی ساحختار سیمانی اش که مانند یک دودکش خیلی پهن است شناخته شده است و بصورت مشابه نیز عمل می کند. حجم زیادی از هوا داخل اطراف پایه (در پایین و داخل و مرکز لوله برج) آن کشیده می شود و ازمیانه بالایی سرباز آن خارج می شود. آب گرم و ناخالص به داخل مرکز داخلی برج از تعدای آب پاش نرم (آب پاش با سوراخهای ریز) پاشیده می شود و هنگامیکه آن فرو میریزد با بالارفتن هوا(توسط هوای بالا رونده) خنک می شود. سرانجام آب پس از خنک شدن در یک حوضچه در زیر برج جمع می شود. برج خنک کن وافعا یک تبدل دهنده گرمایی دوم , که گرمای آب ناخالص را به هوای اتمسفر می فرستد , است, اما نه مانند تبادل دهنده گرمایی اول , در اینجا دو سیال اجازه می یابند با هم تماس داشته باشند و در نتیجه مقداری ار آب توسط تبخیر کم می شود.
برجهای خنک کن هرگز قادر به کاهش دمای آب ناخالص تا پایینتر از دمای حدی هوا نیستند بطوریکه کارآیی کندانسور و ازآنجا کارآیی تمام نیروگاه در مقایسه با یک سایت ساحلی کاهش می یابد. همچنین ساختمان برجهای خنک کن قیمت کلی ساختمان و بنای نیروگاه را افزایش می دهد.
احتیاج برای خنک کردن آب یک عامل مهم در انتخاب محل نیروگاه زغالی , نفتی و هسته ای است. یک سایت که مناسب است برای یک نیروگاه که از یک نوع سوخت استفاده می کند بناچار مناسب نیست برای یک نیروگاه که ار نوع دیگری سوخت استفاده می کند.

نیروگاه های برقابی
نیروگاه های برق- آبی باید جایی واقع شوند که دهانه آب دردسترس هست , و نظربه اینکه این اغلب در مناطق کوهستانی است , آنها ممکن است به خطوط انتقال طولانی برای حمل توان به نزدیک ترین مرکز یا پیوستن به شبکه نیاز داشته باشند. همه طرحهای برق- آبی به دو فاکتور اساسی وابسته هستند: یکی جریان آب و یکی اختلاف در سطح یا دهانه. نیاز دهانه ممکن است فراهم بشود بین یک دریاچه و یک دره باریک, یا توسط ساختن یک سد کوچک در یک رودخانه که جریان را منحرف می کند به سمت نیروگاه, یا توسط ساختن یک سد مرتفع در مقابل یک دره برای ساخت یک دریاچه مجازی.
نیروگاههای برق
تاثیر خواص تولید و انتقال
چهار خاصیت منبع الکتریسیته وجود دارد که یک تاثیر عمیق روی موضوعی که منهدسی می شود دارد.

آنها بصورت زیر هستند:
1- الکتریسیته, نه مانند گاز و آب, نمی تواند ذخیره بشود و تهیه کننده کنترل کوچکی بر بار در هر زمانی دارد. مهندسان کنترل تلاش می کنند برای نگهداری خروجی ژنراتورها متناسب با با ر متصل شده در ولتاژ و فرکانس مخصوص.
2- یک افزایش متناوب در تقاضا برای توان وجود دارد. اگرچه در بسیاری از کشورهای صنعتی سرعت افزایش در سالهلی اخیر کاهش پیدا کرده است, حتی سرعت معتدل مستلزم کتسردگیها و افزایشات عظیم در سیستم های موجود است.
3- توزیع و طبیعت سوخت دردسترس. این جنبه هست جالبتر هنگامیکه ذغال سنگ اسخراج می شود در مناطقی که لروما مراکز بار اصلی نیستند: توان برق-آبی معمولاً دور از مراکز بار بزرگ است. مشکل فواصل انتقال و سایت کردن(انتخاب کردن محل برای نیروگاه) نیروگاه یک تجربه مبهم و مورد بحث در اقتصاد است. استفاده عظیم انرژی هسته ای بسوی اصلاح الگوی تغذیه موجود متمایل خواهد شد.
4- در سالهای اخیر ملاحظات منابع طبیعی و محیطی عمده اهمیت و تاثیر سایتینگ, هزینه ساختار,وعملکرد کارخانجات تولیدی را بعهده گرفته است. همچنین طراحی تحت تاثیر واقع می شود بدلیل تاخیرات در شروع پروژه ها بخاطر مراحل قانونی که باید طی شوند. از مهم ترین خواص در زمان حاضر ضربه زیست محیطی کارخانجات هسته ای است, خصوصا راکتور افزاینده سریع پیشنهاد شده.
تبدیل انرژی با بکارگیری بخار
احتراق ذغال یا نفت در بویلرها بخار را در بالاترین دما و فشار که به توربینهای بخاری می رود تولید می کند. نفت مزایای اقتصادی دارد هنگامیکه آن می تواند پمپ شود از تصفیه خانه به داخل خطوط لوله مستقیما بسمت بویلرهای نیرگاه. استفاده ازنتیجه انرژی شکافت هسته ای بطور افزاینده در تولید برق دراد کسترش می یابد: همچنین در اینجا اساس انرژی برای تولید بخار توربینها استفاده می شود. نوع جریان- محوری توربین بطور مشترک با چندین سیلندر در یک شافت استفاده می شود.
نیروگاه بخاری براساس سیکل رانکین عمل می کند , که آن(: سیکل رانکین) با سوپرهیتینگ: superheating , گرمایش تغیه آب: Feed-water heating و دوباره گرمایش بخار: steam reheating اصلاح شده است. کارایی گرمایی افزایش یافته, استفاده از بخار در بالاترین دما و فشار ممکن را نتیجه می دهد. همچنین برای توربینها ساختار اقتصادی , اندازه بزرگ و هزینه کلی کم است. به عنوان یک نتیجه در حال حاضر توربوژنراتور500MW و بیشتر دارد استفاده می شود. با استفاده از توربینهای با ظرفیت 100MW و بیشتر , کارآیی توسط دوباره گرمایش بخار بعدازاینکه آن اندکی توسط یک گرم کننده خارجی منبسط شود, افزایش می یابد. سپس بخار دوباره گرم شده بداخل توربین که در مرحله نهایی بارگذاری منبسط می شود , برگشت داده می شود.
باوجود مزایای دائم در طراحی بویلرها و در توسعه مواد بهبود یافته, طبیعت چرخه بخار آنچنان است که کارآییها نسبتاً کم هستند و مقادیر وسیع گرما در مرحله میعان (در چگالگر) به هدر می رود. به هرحال مزیتهای بزرگ در طراحی و مواد در سالهای اخیر کارآیی های دمایی و حرارتی نیروگاههای ذغالی را در حدود 40 درصد افزایش داده است.
در نیروگاه های ذغال- سوختی , ذغال سنگ به یک کارخانه جداسازی ذغال از سنگ حمل می شود وخورد می شود به و به ظرافت ساییده می شود. سوخت ساییده و پودر شده به داخل بویلر دمیده می شود بطوریکه با هوا برای احتراق مخلوط می شود. خروجی از توربین فشار ضعیف سرد می شود برای شکل گرفت عمل معیان توسط عبور از میان میعان کننده (چگالگر) وسط مقادیر زیاد آب دریا یا رودخانه, درجاییکه امکان سرد کردن توسط برجهای خنک کن وجود ندارد.
بویلرها در بستر جریانی
برای ذغالهای نوعی , گازهای احتراق شامل 2/0 – 3/0 درصد اکسیدسولفور بر حجم می باشند. اگر سرعت جریان گاز در میان بستر دانه ای یک بویلر نوع بزرگ افزایش می یابد کشش گرانش متعادل می شود توسط نیرری بسمت بالای گاز و بستر سوخت روی خاصیت یک سیال می رود. در یک پیمایش سایش این گرمای خروجی و دما را افزایش می دهد. خاکستر شکل گرفته جوش می خورد و بصورت کلوخ در می آید و ته نشین می شود بداخل صافی و به داخل چاه خاکستر برده می شود. بستر به دمای خاکستر سوزی(زینتر کردن خاکستر) در حدود 1050 – 1200 درجه سانتیگراد محدود می شود. احتراق ثانویه در بالای بستر جاییکه که گازCO به گازCO2 میسوزد و H2S به SO2 تبدیل می شود , اتفاق می افتد. این نوع از بویلر دستخوش بهبود وسیعی می شود و بدلیل تراز آلودگی کم و کارآیی بهتر جذاب است.
تبدیل انرژی با استفاده از آب
شاید قدیمی ترین شکل تبدیل انرژی استفاده از نیروی آب است. دریک نیروگاه برق-آبی انرژی با هزینه رایگان فراهم می شود. این چهره جذاب همواره تاحدی توسط هزینه کلی بسیار بالای ساختار خنثی شده است, خصوصا از منظر کارهای مهندسی عمران. بهرحال امروزه هزینه کلی به ازای کیلووات نیروگاههای برق-آبی با نوع بخاری نیروگاه ها در مقایسه است. متاسفانه, شرایط جغرافیایی لازم برای تولید آبی بطور عادی یافت نمی شوند. در بیشتر کشورهای توسعه یافته منابع برق-آبی در دوردست استفاده می شوند.
یک راه حل برای استفاده مرسوم از انرژی آب , ذخیره پمپی است, که آب را قادر می سازد تا دروضعیتی که متمایل به طرحهای مرسوم نخواهد بود , استفاده بشود. بهره برداری از انرژی درجریانهای جذرومد در کانالها مدتها موضوع بحث و تفکر بوده است. مشکلات فنی و اقتصادی خیلی عظیم هستند و تعداد کمی محل وجود دارد که طرح در آنها عملی باشد. یک تاسیسات که از جریان جذرومد استفاده می کند در دهانه رود لارنس در شمال فرانسه که رنج ارتفاع جذرومد 2/9 متر است و جریان جذرومد 18000مترمکعب بر ثانیه تخمین زده می شود, قرار دارد.
قبل از بحث در مورد انواع توربینها , یک توضیح خلاصه بر روشهای کلی عملکرد نیروگاههای برق-آبی داده خواهد شد. اختلاف عمودی بین مخزن بالایی و تراز توربینها باعنوان هد (head یا دهانه) شناخته می شود. آب ریزان از میان این دهانه انرژی جنبشی که پس از آن به تیغه های توربین می رسد را ایجاد و تقویت می کند.
انواع تاسیسات
در زیر 3 نوع اصلی از تاسیسات آورده شده است:
1- دهانه بلند یا ذخیره بلند – منطقه ذخیره سازی یا منبع بصورت نرمال در بالای 400 h میریزد.
2- دهانه متوسط یا حوضچه ای – ذخیره در 200-400 h میریزد.
3- حرکت رودخانه ای (Run of River) – مخزن در کمتر از 2 h میریزد ارتفاع دهانه آن بین 3 تا 15 متر است. یک دیاگرم برای نوع سوم در شکل 3-2 نشان داده شده است.
در ارتباط و هماهنگی با این ارتفاعات و دهانه مختلف که در بالا آورده شد , توربینها از انواع خاصی از توربین هستند. آنها بصورت زیر هستند:
1- پیلتون. این برای دهانه های بین 1840 – 184 متر استفاده می شود و شامل یک سطل چرخ رتور با نازل جریان تعدیل پذیراست.
2- فرانسیس. که برای دهانه های بین 490- 37 متر استفاده می شود و از انواع جریان مخلوط است.
3- کاپلن. که برای نیروگاههای جریان-رودخانه ای و حوضچه ای با دهانه های بالای 61 متر استفاده می شود. این نوع این نوع یک روتور محور- جریانی با گام تیغه های متغیر (تیغه های گام – متغیر) است.
هنگامیکه کارآیی به دهانه آب که دائما در نوسان است بستگی دارد, اغلب آب مصرفی در مترهای مکعب به ازای کیلووات ساعت استفاده می شود و به دهانه آب ارتباط دارد. کارخانه برق-آبی توانایی شروع سریع را دارد و در زمان تعطیلی متضرر نمی شود. بناراین آن مزیتهای بزرگی دراد برای تولید در برخورد با پیک بارها در کمترین هزینه, در عطف با نیروگاه حرارتی یا گرمایی. با استفاده از کنترل ازراه دور جایگاههای آبی, زمان مورد نیلز از زمان راهنمایی و هدایت برای راه اندازی تا رسیدن به یک اتصال واقعی به شبکه قدرت می تواند تا کمتر از 2 دقیقه کوتاه شود.
توربینهای گازی
استفاده از توربین گازی به عنوان یک محرک اصلی مزیتهای خاصی را بر کارخانه بخار دارد , اگرچه با گردش نرمال آن از نظر اقتصادی درعملکرد کمتر اقتصادی است. مزیت اصلی در توانایی برای راه اندازی و بارگذاری سریع نهفته است. از این رو توربین گازی برای استفاده به عنوان یک روش برای رسیدگی کردن به پیکهای بار سیستم بکارمی آید. یک استفاده بیشتر برای این نوع از ماشین , استفاده به عنوان متعادل کننده یا جبران کننده هم زمان بودگی برای کمک به ترازهای ولتاژی ناخواسته و اتفاقی است. حتی در زمینه های اقتصادی بطور محتمل آن مفید است در برخورد با پیک بارها توسط راه اندازی توربینهای گازی از حالت سرد برای 2 دقیقه نسبت به گردش کارخانه یدکی (اضافی) بطور پیوسته.

نیروگاه های هسته ای
رآکتور هسته ای

در همه رآکتورها، قلب رآکتور که دمای بسیار زیادی دارد باید خنک شود. در یک نیروگاه هسته ای، سیستم خنک ساز به نوعی طراحی می شود که از گرمای آزاد شده به بهترین شکل ممکن استفاده شود. در اغلب این سیستمها از آب استفاده می شود. اما آب نوعی کند کننده هم محسوب می شود و از این رو نمی تواند در رآکتورهای سریع مورد استفاده قرار گیرد. در رآکتورهای سریع از سدیم مذاب یا نمک های سدیم استفاده می شود و دمای عملیاتی خنک ساز بالاتر است. در رآکتورهایی که برای تبدیل مورد طراحی شده اند، به راحتی گرمای آزاد شده را در محیط آزاد می کنند.
در یک نیروگاه هسته ای، رآکتور کند منبع آب را گرم می کند و آن را به بخار تبدیل می کند. بخار آب توربین بخار را به حرکت در می آورد ، توربین نیز ژنراتور را می چرخاند و به این ترتیب انرژی تولید می شود. این آب و بخار آن در تماس مستقیم با راکتور هسته ای است و از این رو در معرض تابش های شدید رادیواکتیو قرار می گیرند. برای پیشگیری از هر گونه خطر مرتبط با این آب رادیواکتیو، در برخی رآکتورها بخار تولید شده را به یک مبدل حرارتی ثانویه وارد می کنند و از آن به عنوان یک منبع گرمایی در چرخه دومی از آب و بخار استفاده می کنند. بدین ترتیب آب و بخار رادیواکتیو هیچ تماسی با توربین نخواهند داشت.
انواع رآکتورهای گرمایی
در در رآکتورهای گرمایی علاوه برکند کننده، سوخت هسته ای ( ایزوتوپ قابل شکافت القایی)، مخزن بخار و لوله های منتقل کننده آن، دیواره های حفاظتی و تجهیزات کنترل و مشاهده سیستم رآکتور نیز وجود دارند. البته بسته به این که این رآکتورها از کانالهای سوخت فشرده شده، مخزن بزرگ بخار یا خنک کننده گازی استفاده کنند، می توان آنها را به سردسته تقسیم کرد.
الف – کانالهای تحت فشار در رآکتورهای RBMK و CANDU استفاده می شوند و می توان آنها را در حال کارکردن رآکتور، سوخت رسانی کرد.
ب – مخزن بخار پرفشار داغ، رایج ترین نوع رآکتور است و در اغلب نیروگاههای هسته ای و رآکتورهای دریایی ( کشتی، ناوهواپیمابر یا زیردریایی ) از آن استفاده می شود. این مخزن می تواند به عنوان لایه حفاظتی نیز عمل کند.
ج – خنک سازی گازی: در این رآکتورها به جای آب، از یک سیال گازی شکل برای خنک کردن رآکتور استفاده می شود. این گاز در یک چرخه گرمایی با منبع حرارتی راکتور قرار می گیرد و معمولاً از هلیوم برای آن استفاده می شود، هر چند که نیتروژن و دی اکسید کربن نیز کاربرد دارند. در برخی رآکتورهای جدید، رآکتور به قدری گرما تولید می کند که گاز خنک کن می تواند مستقیما یک توربین گازی را بچرخاند، در حالی که در طراحی های قدیمی تر گاز خنک کن را به یک مبدل حرارتی می فرستادند تا در یک چرخه دیگر، آب را به بخار تبدیل کند و بخار داغ، یک توربین بخار را بگرداند.

بقیه اجزای نیروگاه هسته ای
غیر از رآکتور که منبع گرمایی است، تفاوت اندکی بین نیروگاه هسته ای و یک نیروگاه حرارتی تولید برق با سوخت فسیلی وجود دارد.
مخزن بخار تحت فشار معمولا درون یک ساختمان بتونی تعبیه می شود که این ساختمان به عنوان یک سد حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو عمل می کند. این ساختمان هم درون یک مخزن بزرگتر فولادی قرار می گیرد. هسته رآکتور و تجهیزات مرتبط با آن درون این مخزن فولادی قرار گرفته اند و کارکنان می توانند راکتور را تخلیه یا سوخت رسانی کنند. وظیفه این مخزن فولادی، جلوگیری از نشت هر گونه گاز یا مایع رادیواکتیو از درون سیال است.
در نهایت این مخزن فولادی هم به وسیله یک ساختمان بتونی خارجی محافظت می شود. این ساختمان به قدری محکم است که در برابر اصابت یک هواپیمای جت مسافربری ( مشابه حادثه یازده سپتامبر ) هم تخریب نمی شود. وجود این ساختمان حفاظتی دوم برای جلوگیری از انتشار مواد رادیواکتیو در اثر هرگونه نشت از حفاظ اول ضروری است. در حادثه انفجار چرنوبیل، فقط یک ساختمان حفاظتی وجود داشت و همان موجب شد موادراکتیو در سطح اروپا پخش شود.
رآکتورهای هسته ای طبیعی
در طبیعت هم می توان نشانه هایی از رآکتور هسته ای پیدا کرد، البته به شرطی که تمام عوامل مورد نیاز به طور طبیعی در کنار هم قرار گرفته باشند. تنها نمونه شناخته شده یک رآکتور هسته ای طبیعی دو میلیارد سال پیش در منطقه اوکلو در کشور گابون ( قاره آفریقا ) فعالیتش را آغاز کرده است. البته دیگر چنین رآکتورهایی روی زمین شکل نمی گیرند، زیرا واپاشی رادیواکتیو این مواد ( به خصوص U-235 ) در این زمان طولانی 5/4 میلیارد ساله ( سن زمین )، فراوانی U-235 را در منابع طبیعی این رآکتورها بسیار کاهش داده است، به طوری که مقدار آن به پایین تر از حد مورد نیاز آغاز یک واکنش زنجیره ای رسیده است.
این رآکتورهای طبیعی زمانی شکل گرفتند که معادن غنی از اورانیوم به تدریج از آب زیرزمینی یا سطحی پر شدند. این آب به صورت کند کننده عمل کرد و واکنش های زنجیره ای شدیدی به وقوع پیوست. با افزایش دما، آب کند کننده بخار می شد و رآکتور خاموش شد. پس از مدتی، این بخارها به مایع تبدیل می شدند و دوباره رآکتور به راه می افتاد. این سیستم خودکار و بسته، یک رآکتور را کنترل می کرد و برای صدها هزار سال، این رآکتور را فعال نگاه می داشت.
مطالعه و بررسی این رآکتورهای هسته ای طبیعی بسیار ارزشمند است، زیرا می تواند به تحلیل چگونگی حرکت مواد رادیواکتیو در پوسته زمین کمک کند. اگر زمین شناسان بتوانند را از این حرکت ها را شناسایی کنند، می توانند راه حل های جدیدی برای دفن زباله های هسته ای پیدا کنند تا روزی خدای ناکرده، این ضایعات خطرناک به منابع آب سطح زمین نشت نکنند و فاجعه ای بشری به بار نیاورند.
انواع رآکتورهای گرمایی
الف – کند سازی با آب سبک:
a- رآکتور آب تحت فشار Pressurized Water Reactor
b- رآکتور آب جوشان Boiling Water Reactor
c- رآکتور D2G

ب- کند سازی با گرافیت:
a- ماگنوس Magnox
b- رآکتور پیشرفته با خنک کنندی گازی Advanced Gas-Coaled Reactor (AGR)
c- RBMK
d- PBMR
ج – کند کنندگی با آب سنگین:
a – SGHWR
b – CANDU
رآکتور آب تحت فشار، PWR
رآکتور PWR یکی از رایج ترین راکتورهای هسته ای است که از آب معمولی هم به عنوان کند ساز نوترونها و هم به عنوان خنک ساز استفاده می کند. در یک PWR، مدار خنک اولیه از آب تحت فشار استفاده می کند. آب تحت فشار، در دمایی بالاتر از آب معمولی به جوش می آید، از این دوچرخه خنک ساز اولیه را به گونه ای طراحی می کنند که آب با وجود آنکه دمایی بسیار بالا دارد، جوش نیاید و به بخار تبدیل نشود. این آب داغ و تحت فشار در یک مبدل حرارتی، گرما را به چرخه دوم منتقل میکند که یک نوع چرخه بخار است و از آب معمولی استفاده می کند. دراین چرخه آب جوش می آید و بخار داغ تشکیل می شود، بخار داغ یک توربین بخار را می چرخاند، توربین هم یک ژنراتور و در نهایت ژنراتور، انرژی الکتریکی تولید می کند.
PWR به دلیل دارابودن چرخه ثانویه با BWR تفاوت دارد. از گرمای تولیدی در PWR به عنوان سیستم گرم کننده درنواحی قطبی نیز استفاده شده است. این نوع رآکتور، رایج ترین نوع رآکتورهای هسته ای است و در حال حاضر، بیش از 230 عدد از آنها در نیروگاههای هسته ای تولید برق و صدها رآکتور دیگر برای تامین انرژی تجهیزات دریایی مورد استفاده قرار می گیرند.
خنک کننده
همان طور که می دانید، برخورد نوترونها با سوخت هسته ای درون میله های سوخت، موجب شکافت هسته اتمها می شود و این فرآیند هم به نوبه خود، گرما و نوترونهای بیشتری آزاد می کند. اگر این حرارت آزاد شده منتقل نشود، ممکن است میله های سوخت ذوب شوند و ساختار کنترلی رآکتور از بین برود ( و البته خطرهای مرگ آوری که به دنبال آن روی می دهند. ) در PWR، میله های سوخت به صورت یک دسته در ساختاری، ترسیمی قرار گرفته اند و آب از کف رآکتور به بالا جریان پیدا می کند. آب از میان این میله های سوخت عبور می کند و به شدت گرم می شود، به طوری که به دمای 325 درجه سانتی گراد می رسد. درمبدل حرارتی، این آب داغ موجب داغ شدن آب در چرخه دوم می شود و بخاری با دمای 270 درجه سانتی گراد تولید می کند تا توربین را بچرخاند.
کند کننده
نوترونهای حاصل از یک شکافت هسته ای بیش از آن حدی گرمند که بتوانند یک واکنش شکافت هسته ای را آغاز کنند. انرژی آنها را باید کاهش داد تا با محیط اطراف خود به تعادل گرمایی برسند. محیط اطراف نوترونها ( قلب رآکتور ) دمایی در حدود 450 درجه سانتی گراد دارد.
در یک PWR، نوترونها در پی برخورد با مولکولهای آب خنک ساز، انرژی جنبشی خود را از دست می دهند؛ به طوری که پس از 8 تا 10 برخورد ( البته به طور متوسط ) با محیط هم دما می شوند. در این حالت، احتمال جذب نوترونها از سوی هسته U-235 بسیار زیاد است ودر صورت جذب، بالافاصله هسته U-236 جدید دچار شکافت می شود.
مکانیسم حساسی که هر رآکتور هسته ای را کنترل می کند، سرعت آزاد سازی نوترونها در طول یک فرآیند شکافت است به طور متوسط از هر شکافت، دونوترون و مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. نوترونهای آزاد شده اگر با هسته U-235 دیگری برخورد کنند، شکافت دیگری را سبب می شوند و در نهایت یک واکنش زنجیره ای روی می دهد. اگر تمام این نوترونها در یک لحظه آزاد شوند، تعدادشان به قدری زیاد می شود که باعث ذوب شدن راکتور خواهد شد. ( تعداد ذرات پر انرژی، دمای یک سیستم را تعیین می کند. معادله بوتنرمن، این ارتباط را توصیف می کند. ) خوشبختانه برخی از این نوترونها پس از یک بازه زمانی نه چندان کوتاه ( حدود یک دقیقه ) تولید می شوند و سبب می شوند دیگر عوامل کنترل کننده از این تاخیر زمانی استفاده کرده، اثر خود را داشته باشند.
یکی از مزیت های استفاه از آب در PWR، این است که اثر کند سازی آب با افزایش دما کاهش می یابد. در حالت عادی، آب در فشار 150 برابر فشار یک اتمسفر قرار دارد ( حدود 15 مگا پاسکال ) و در قلب رآکتور به دمای 325 درجه سانتی گراد می رسد. درست است که آب با فشار پانزده مگا پاکسال در این دما جوش نمی آید، ولی به شدت از خاصیت کند کنندگی اش کاسته می شود، بنابراین آهنگ واکنش شکافت هسته ای کاهش می یابد، حرارت کمتری تولید می شود و دما پایین می آید. دما که کاهش یابد، توان رآکتور افزایش می یابد و دما که افزایش یابد توان راکتور کاهش می یابد؛ پس خود سیستم PWR دارای یک سیستم خود تعادلی در رآکتور است و تضمین می کند توان رآکتور در کمترین میزان مورد نیاز برای تامین گرمای سیستم بخار ثانویه است.
در اغلب رآکتورهای PWR، توان رآکتور را در دوره فعالیت معمولی با تغییرات غلظت بورون ( در شکل اسید بوریک ) در چرخه خنک کننده اولیه کنترل اولیه کنترل می کنند سرعت جریان خنک کننده اول در رآکتورهای PWR معمولی ثابت است. بورون یک جذب کننده قوی نوترون است و با افزایش یا کاهش غلظت آن، می توان شدت فعالیت راکتور را کاهش یا افزایش داد. برای این کار، یک سیستم کنترلی پیچیده شامل پمپ های فشار بالا که آب را در فشار 15 مگا پاسکال از چرخه خارج می کند، تجهیزات تغییر غلظت اسید بوریک و تزریق مجدد آب به چرخه خنک ساز مورد نیاز است.
یکی از اشکالات راکتورهای شکافت، این است که حتی پس از توقف واکنش شکافت، هنوز هم واپاشی های رادیواکتیوی انجام می شود و حرارت زیادی آزاد می شود که می تواند راکتور را ذوب کند. البته سیستم های حفاظتی و پشتیبانی متعددی برای جلوگیری از این واقعه وجود دارند، با این حال ممکن است در اثر پیچیدگی های این سیستم، برهمکنش های پیش بینی نشده یا خطاهای عملیاتی مرگ آفرینی در شرایط اضطراری روی دهند. در نهایت، هر رآکتور با یک حفاظ ساختمانی بتونی احاطه شده است که آخرین سد در برابر تشعشعات رادیواکتیو است.
رآکتور آب جوشان، BWR
در رآکتور آب جوشان، از آب سبک استفاده می شود. آب سبک، آبی است که در آن فقط هیدروژن معمولی وجود دارد. ) BWR اختلاف زیادی با رآکتور آب تحت فشار ندارد، غیر از اینکه در BWR فقط یک چرخه خنک کننده وجود دارد و آب مستقیما در قلب راکتور به جوش می آید. فشار آب در BWR کمتر از PWR است، به طوری که در بیشترین مقدار به 75 برابر فشار جو می رسد ( 5/7 مگا پاسکال ) و بدین ترتیب آب در دمای 285 درجه سانتی گراد به جوش می آید.
رآکتور BWR به شکلی طراحی شده که بین 12 تا 15 درصد آب درون قلب رآکتور به شکل بخار در قسمت بالای آن قرار می گیرد. بدین ترتیب عملکرد بخش بالایی و پایینی هسته رآکتور با هم تفاوت دارند. در بخش بالایی قلب رآکتور، کند سازی کمتری صورت می گیرد و در نتیجه بخش بالایی کمتر است.
در حالت کلی دو مکانیسم برای کنترل BWR وجود دارد: استفاده از میله های کنترل و تغییر جریان آب درون راکتور.
الف – بالا بردن یا پایین آوردن میله های کنترل، روش معمولی کنترل توان رآکتور در حالت راه اندازی رآکتور تا رسیدن به 70 درصد حداکثر توان است. میله های کنترل حاوی مواد جذب کننده نوترون هستند؛ در نتیجه پایین آوردن آنها موجب افزایش جذب نوترون در میله ها، کاهش جذب نوترون در سوخت و درنهایت کاهش آهنگ شکافت هسته ای و پایین آمدن توان رآکتور می شود. بالا بردن میله های سوخت دقیقاً نتیجه معکوس می دهد.
ب – تغییرات جریان آب درون رآکتور، زمانی برای کنترل رآکتور مورد استفاده قرار می گیرد که راکتور بین 70 تا صد درصد توان خود کار می کند. اگر جریان آب درون رآکتور افزایش یابد، حباب های بخار در حال جوش سریع تر از قلب راکتور خارج می شوند و آب درون قلب رآکتور بیشتر می شود. افزایش مقدار آب به معنی افزایش کندسازی نوترون و جذب بیشتر نوترونها از سوی سوخت است و این یعنی افزایش توان راکتور. با کاهش جریان آب درون رآکتور، حباب ها بیشتر در رآکتور باقی می مانند، سطح آب کاهش می یابد و به دنبال آن کندسازی نوترونها و جذب نوترون هم کاهش می یابد و در نهایت توان رآکتور کاهش می یابد.
بخار تولید شده در قلب رآکتور از شیرهای جدا کننده بخار و صفحات خشک کن ( برای جذب هر گونه قطرات آب داغ ) عبور می کند و مستقیماً به سمت توربین های بخار که بخشی از مدار رآکتور محسوب می شوند، می رود. آب اطراف رآکتور همواره در معرض تابش و آلودگی رادیواکتیو است و از آنجا که توربین هم در تماس مستقیم با این آب است، باید پوشش حفاظتی داشته باشد. اغلب آلودگی های درون آب عمر کوتاهی دارند ( مانند N16 که بخش اعظم آلودگی های آب را تشکیل می دهد و نیمه عمرش تنها 7 ثانیه است )، بنابراین مدت کوتاهی پس از خاموش شدن رآکتور می توان به قسمت توربین وارد شد.
در رآکتور BWR، افزایش نسبت بخار آب به آب مایع درون رآکتور موجب کاهش گرمای خروجی می شود. با این حال، یک افزایش ناگهانی در فشار بخار، سبب بروز یک کاهش ناگهانی در نسبت بخار به آب مایع درون رآکتور می شود که خود، سبب افزایش توان خروجی می شود. این شرایط و دیگر حالت های خطرساز، موجب شده است از سیستم کنترلی اسید بوریک ( بورون ) نیز استفاده شود، بدین شکل که در سیستم پشتیبان خاموش کننده اضطراری، محلول اسید بوریک با غلظت بالا به چرخه خنک کننده تزریق می شود. خوبی این سیستم این است که اسید اوریک، یک خورنده قوی است و معمولا در PWR سبب می شود تلفات ناشی از خوردگی قابل توجه باشد. در بدترین شرایط اضطراری که تمام سیستم های امنیتی از کار افتاد، هر رآکتور به وسیله یک ساختمان حفاظتی از محیط اطراف جدا شده است. در یک رآکتور BWR جدی، حدود 800 دسته واحد سوخت قرار می گیرد و در هر دسته بین 74 تا 100 میله سوخت قرار می گیرد. این چنین حدود 140 تن اورانیوم در قلب رآکتور ذخیره می شود.

• رآکتور D2G
رآکتور هسته ای D2G را می توان در تمام ناوهای دریایی ایالات متحده می توان پیدا کرد. D2G مخفف عبارت زیراست:
رآکتور ناو جنگی D=Destroyer-sized reactor
نس دوم 2=Second Geneation
ساخت جنرال الکتریک G= General – Electric built
بدین ترتیب، D2G را می توان مخفف این عبارت دانست: رآکتور هسته ای نسل دوم ویژه ناوهای جنگی ساخت جنرال الکتریک. این رآکتور برای تولید حداکثر 150 مگا وات انرژی الکتریکی و عمر مفید 15 سال مصرف معمولی طراحی شده است.
در این رآکتور، برای مخزن بخار دو رآکتور وجود دارد و طوری طراحی شده که بتوان هر دو اتاق توربین را با یک رآکتور به راه انداخت. اگر هر دو رآکتور فعال باشند، ناو به سرعت 32 گره می رسد. اگر یک رآکتور فعال باشد و توربین ها متصل به هم باشند، سرعت ناو به 25 تا 27 گره خواهد رسید و اگر فقط یک رآکتور فعال باشد ولی توربین ها جدا باشند، سرعت فقط 15 گره خواهد بود.

نیروی باد امروز
وزارت انرژی ایالات متحده (دی. او. ای.) بیش از 30 سال است که با صنعت تولید انرژی باد در آمریکا همکاری کرده است تا بتواند رویای یک منبع نیروی تمیز و قابل تجدید را امروز تبدیل به موفقیت آمیزترین و ماندنی ترین فن آوری نیروی صیانت شده و قابل جایگزین کند.

به قلم رابرت ثره شر

رابرت ثره شر مدیر مرکز ملی فن آوری باد در لابراتوار ملی انرژی تجدید شونده وزارت نیروی ایالات متحده است.

نیروی باد — فن آوری استفاده از باد برای ایجاد برق — جزء منابع جدید تولید برق است که امروزه سریعترین رشد را در سطح جهانی بخود اختصاص داده است. نیروی باد توسط توربینهای عظیم سه پره ای تولید میشود که در بالای برج های بلند نصب میشوند و کار کردشان مانند پنکه معکوس است. بجای استفاده از انرژی برق برای تولید باد و خنکی، توربین ها از باد استفاده میکنند که نیروی برق تولید کنند.

باد پره ها را میگرداند و پره ها از طریق شافت یا میله گردان انتقال دهنده حرکت و یک سری چرخ دنده ژنراتور الکتریکی را به حرکت وا میدارد. توربین های بزرگ برای دستگاه ها و ماشین آلات از 750 کیلو وات تا 1.5 مگا وات برق تولید میکنند (یک کیلو وات معدل 1000 وات و یک مگا وات معادل یک میلیون وات است). برای منازل، ایستگاه های مخابراتی، و پمپ آب توربین های کوچک با توان حداکثر 100 کیلو وات کفایت میکند؛ بویژه در نقاط دور افتاده که هیچ منبع انرژی دیگری برای ارائه خدمات وجود ندارد.

در کارخانجات باد یا اصطلاحا در مزارع باد، گروه هایی از توربین های بادی بهم متصل شده تشکیل یک شبکه را میدهند و برق تولید میکنند. برق تولیدی از طریق دستگاه انتقال نیرو و شبکه خطوط توزیع به دست مصرف کننده می رسد.

از سال 1980 که برنامه های تحت پوشش پروژه باد وزارت نیرو آغاز به کار کرد قیمت انرژی بادی از 80 سنت ( ارزش دلار امروز) به ازای هر کیلو وات ساعت به بین 4 تا 6 سنت برای هر کیلو وات ساعت کاهش یافته.

یکی از اهداف برنامه باد اینست که قیمت برق تولیدی را تا 3 سنت برای هر کیلو وات ساعت (برای مزارع داخل خشکی با سرعت کم باد) و 5 سنت برای هر کیلو وات ساعت (در آبهای ساحلی و مزارع روی اقیانوس) تقلیل دهد. اماکن سرعت – کم – باد جاهایی هستند که معدل سرعت سالانه باد ( در ارتفاع 10 متری از سطح زمین) حدود 21 کیلو متر در ساعت است.

برای انجام این و هدفهای دیگر دو واحد از لابراتوارهای عمده تحقیقاتی دی. او. ای. یعنی لابراتوار ملی انرژی جایگزین شونده (ان. آر. ای. ال.) در کولورادو، و لابراتوارهای ملی ساندیا در نیو مکزیکو با شرکایی در صنعت و بخش تحقیقات دانشگاهی در سطح ملی همکاری میکنند تا موجب پیشرفت فن آوریهای انرژی بادی شوند. هر لابراتوار توان و مهارت خاص و یگانه ای را داراست که پاسخگوی نیازهای صنعت می باشد.

مرکز ملی فن آوری باد (ان. دبلیو. تی. سی.) ، وابسته به ان. آر. ای. ال. ، تاسیسات تحقیقاتی پیشگام در برنامه باد است. ان. دبلیو. تی. سی. تحقیقاتش در زمینه پشتیبانی از شرکای صنعتی خود است و در طراحی و بازبینی تحلیل، ساخت و بهبود قطعات، تحلیل سیستمها و دستگاه های کنترل و نظارت، آزمایش قطعات، خدمات ترکیبی و مرتبه به هم، کمکهای فنی، و بیش از اینها … مشغول اقدام است. در حالیکه ساندیا زمینه کاریش در انجام تحقیقات عملی در بخش ساخت و تولید پیشرفته و پیچیده، حصول اطمینان از کیفیت و اعتبار قطعات، بخش ائرو دینامیک، تحلیل و کنترل ساختارها، فرسودگی و ستوهش مواد سازنده، و سیستم های کنترل و مراقبت است.
با عنایت به تلاشها، تحقیقات، و توسعه هایی از این دست، ظرفیت جهانی انرژی بادی در 10 سال گذشته بیش از 10 برابر افزایش یافته — و از 3.5 گیگا وات (هر گیگا وات معادل یک میلیارد وات است) در سال 1994 به حدود 50 گیگا وات تا پایان 2004 رسیده است. در ایالات متحده ظرفیت انرژی بادی در این مدت به سه برابر افزایش یافته؛ از 1600 مگا وات در 1994 به بیش از 6700 مگاوات تا پایان 2004 — ظرفیتی که قادر است بیش از 1.6 میلیون خانوار را از نظر برق مصرفی تامین نماید.

در سال 2005 ، بعلت تمدید معافیت مالیاتی فدرال بوسیله کنگره در 2004 پیش بینی میشود صنعت انرژی باد در ایالات متحده از رشد چشمگیری برخوردار شود. اعتبار مالیاتی مورد نظر مبلغ 1.9 سنت برای هر کیلو وات ساعت تولید برق بادی اعتبار برای فن آوری های قابل قبول و حائز شرایط برای 10 سال اول تولید در اختیار کار آفرین و تولید کننده قرار میدهد. برخی متخصصین این صنعت پیش بینی میکنند که ظرفیت تولید برق بادی در سال 2005 حدود 2000 مگاوات افزایش می یابد و عمده علت افزایش تاسیسات مربوط به فن آوری برق بادی امتیاز مالیاتی است که قانون مزبور تامین مینماید.
صنعت انرژی برق بادی به طرز چشمگیری در دهه گذشته رشد داشته و این عمدتا بخاطر سیاستهای حمایتی دولت و همکاریهای محققین پروژه باد وزارت نیرو با شرکای صنعتی خود در توسعه فن آوریهای خلاقه و تقلیل دهنده قیمت، ایجاد و بسط بازارهای پر رونق، و تشخیص کاربری و موارد استفاده جدید برای انرژی باد می باشد.

توسعه فن آوریهای تقلیل قیمت
کارهای جدیدی که در دهه 1994 تا 2004 تحت پروژه " برنامه باد وزارت نیرو " انجام شده شامل نو آوریهای طرحهای تولیدی، توربین های بزرگتر، و کارآیی های بیشتر در زمینه های مختلف بوده که منتج به کاهش چشمگیر قیمت شده است. گر چه کاهش هزینه تولید این نوع انرژی بسیار موثر و تحسین بر انگیز بوده، معذالک برق تولیدی با انرژی باد هنوز کاملا قابل رقابت با سوخت های فسیلی نمی باشد. محققین معتقدند که برای رقابتی کردن قیمت برق بادی هنوز به پیشرفت های تکنولوژیک بیشتری نیاز است که بتواند قیمت تولید برق بادی را تا 30 در صد دیگر کاهش دهد، تا این نوع انرژی بتواند بطور کامل با سوخت های سنتی منجمله سوخت فسیلی رقابت نماید.

رشد و بسط بازار مصرف
برای گسترش و رشد بازار و افزایش مقبولیت فن آوری باد در سراسر کشور، گروه های " نیرو دهی آمریکا با باد" (دبلیو. پی. ا.) وزارت نیرو با شرکای بخش خصوصی و صنعت همکاری میکند تا از حمایت ایالات برخوردار شوند، و در بخش خدمات شهری مشارکت ها را گسترش دهند، بازاریابی مشترک انجام دهند، و از رویکرد ها و کار برد های جدید و خلاقه تولید بازار بهره برند و به این ترتیب بتوانند برای استفاده از سیستمهای بزرگ و کوچک انرژی باد حامیان لازم را بیابند.
استراتژی افزایش مقبولیت فن آوری باد توسط دبلیو. پی. ا. شامل فعالیت مبسوط اطلاعاتی و آموزشی برای مطلع کردن اقشار مختلف مردم و جامعه در باره مزایای این فن آوری می باشد. در سال 2004 اعضای تیمهای آموزشی و اطلاعاتی دبلیو. پی. ا. در 20 ایالت 36 نمایشگاه بر پا کردند و 43000 نسخه از نشریات دبلیو. پی. ا. در مورد کاربردهای مختلف این انرژی را میان مردم و مصرف کنندگان بالقوه توزیع نمودند. شمار مراجعین به سایت اینترنتی این سازمان نیز به آدرس زیر مرتبا در حال افزایش است:

از طریق تلاشهایی این چنین هدف دبلیو. پی. ا. اینست که مصرف انرژی باد را در ایالات متحده افزایش دهد، بطوری که تا سال 2010 حد اقل 30 ایالت از این انرژی استفاده صنعتی کرده، لا اقل ظرفیتی در حد 100 مگاوات برق بادی داشته باشند.

کاربرد های جدید برای انرژی باد
ده ها سال تلاش مشترک بخش خصوصی و دولتی انرژی باد را از رویای دیروز به واقعیت امروز تبدیل نموده. برای حصول اطمینان از رشد صنعتی انرژی باد در 2005 و سالهای بعد از آن، پروژه باد کوشش پیگیری را برای خلق کاربردهای جدید این انرژی دنبال میکند تا بازارهای تازه ای را به روی آن باز کند. از جمله این کاربردها نصب توربین های بادی در آبهای ساحلی (اعم از آبهای کم عمق یا عمیق)، استفاده از انرژی باد برای تولید آب شیرین، و توسعه فن آوریهای جدید برای استفاده از باد در طرحهای انرژی همزمان و یا انرژی کمکی با سایر انرژی های تجدید شونده مانند نیروی آب در پروژه های برق- آبی … میباشد.

توسعه طرحهای آبهای ساحلی و آبهای عمیق
توربین های بادی آبهای ساحلی هنوز دوران طفولیت خود را طی میکنند، و در مقایسه با توربین های زمینی هم گران ترند و هم مشکلات بیشتری برای نصب آنها وجود دارد. این توربین ها باید بنحوی طراحی و ساخته شوند که تحمل و دوام لازم برای باد ها، امواج، و احیانا طوفان های آبهای ساحلی را داشته باشند، و ضمنا در مقابل شرایط و مواد فرساینده محیط دریایی مقاومت کنند.

از جمله مزایای تاسیسات آبهای ساحلی اینست که توربین ها را میتوان به مراتب بزرگتر ساخت و انرژی بیشتری از هر توربین بدست آورد؛ مضافا اینکه در اعماق بیشتر محیط های اقیانوسی هم میتوان از بادهای قویتر و سریعتر استفاده برد و هم از تلاطم و آشفتگی بیشتر خشکی مصون بود.
مطالعات اخیر نشان داده اند که منابع سرشاری از بادهای آبهای ساحلی در مناطقی از ایالات متحده واقع شده اند که در نزدیکی اماکن عمده شهری پر جمعیت در آتلانتیک میانی و شمال شرق آمریکا قرار دارند. در حال حاضر توربین های بادی آبهای ساحلی اروپا حدودا 600 مگاوات برق بادی تولید میکنند، اما تا این زمان هیچ توربینی در عمق بیش از 20 متر نصب نشده است.

برای توربین های آبهای ساحلی کم عمق (زیر 30 متر) سازندگان اروپایی توربین از همان طرحهای توربین های زمینی — با تغییرات لازم اندک — استفاده میکنند که آنرا بر روی فونداسیون بتنی و یا بر روی سکویی فلزی قرار میدهند که بر روی یک ستون بلند فولادی که در کف دریا فرو رفته استوار است. یک ایستگاه فرعی در آبهای ساحلی انرژی حاصله را جمع آوری میکند، و پس از افزایش ولتاژ برق حاصله را بوسیله کابل های زیر آبی مدفون شده در کف دریا به ساحل میآورد. در آنجا یک ایستگاه فرعی دیگر ولتاژ را باز هم افزایش داده و آماده توزیع میان کارخانجات، خدمات عمده شهری، و مصرف کنندگان نهایی میکند.
بخش اعظم منابع بادی – انرژی در آبهای ساحلی ایالات متحده در مناطقی هستند که از عمق متعارف 30 متری بیشترند — که در حال حاضر در اروپا و در دریای بالتیک رایج است. فونداسیون نشسته بر تک ستون فولادی که در کف دریا فرو رفته سیستمی است که مناسب آبهای ساحلی عمیقتر ایالات متحده نیست. برای تولید انرژی بادی اقتصادی در آبهای عمیق فن آوری هایی از نوع سکوهای شناور مورد استفاده در صنایع نفت و گاز به مراتب بهتر است، بشرط اینکه برای انرژی بادی جرح و تعدیل و سازگار شده باشد و شیوه های ارزانتری از لنگراندازی ابداع شود. از جمله آخرین طرحهای تخیلی فن آوری استفاده از باد در آبهای ساحلی عمیق اینست که توربین ها و سکوی حمال آنها را در خشکی ساحل و در حوضچه های خشک کشتی سازی با کارگر عادی (در زمین خشک) بسازند، سپس توربین ها را سوار بر سکوی شناورشان به محل موعود در دریا برده، لنگر بیاندازند، و پس از مهار تاسیسات آنرا به کابل حامل برق به ساحل اتصال داد.

پروژه باد اینک سرگرم بررسی و برآورد اقتصادی طرح های متعددی ست که بتواند با کمک سکوهای شناور و توربینهای بادی برق به قیمت مناسب را در آبهای با عمق بین 50 تا 200 متر تولید کند. پروژه در عین حال مشغول مذاکره برای یک توافق و مشارکت با یک کمپانی داخلی است که اولین مدل آزمایشی توربین بادی چند مگاواتی آمریکا را مخصوص آبهای ساحلی کم عمق طراحی کرده و تولید کند.

باد و آب
پروژه باد اینک در حال بررسی این موضوع است که چگونه میتوان از باد و آب بطور همزمان و با همکاری یکدیگر بهره برداری کرد تا منبعی مستمر و ثابت از برق بادی و آب شیرین بدست آورد. یکی از مشکلات روزافزون جهانی مسئله کمبود آب شیرین در آینده ای نزدیک است. طبق آمار سازمان ملل، جمعیت در حال افزایش دنیا تا سال 2025 روزانه به میلیاردها متر مکعب آب شیرین اضافی در روز نیاز خواهد داشت. در حالیکه ظرفیت جاری جهانی آب شیرین کنی رقمی در حدود 28 میلیون متر مکعب در روز برآورد میشود.
یک راه حل اساسی برای مبارزه با کمبود آب در آینده، شیرین کردن و نمک گیری آب شور اقیانوسها در مقیاس وسیع میباشد، لکن نمک گیری و آب شیرین کنی پروسه ای بسیار پر خرج و فن آوری ای انرژی بر در اغلب نقاط گیتی است. در میان کلیه فن آوریهای جاری آب شیرین کنی، سیستم اوسموسیس معکوس بالاترین کارآیی انرژی برق را دارد و میان 3 تا 8 کیلووات ساعت برق به ازای هر متر مکعب آب راندمان آن است.

اوسموسیس معکوس متدی است که آب شیرین و خالص را از طریق تزریق یا فشار آب نمکی از داخل یک غشا یا پرده نیمه ضد آب (که اجازه میدهد گروهی از سلولها، و نه همه آنها، از آن بگذرند) که اجازه گذشت نمک را نمیدهد، میگذرانند.

با وجود راندمان بالای سیستم اوسمس معکوس، 40 در صد قیمت آب شیرین به مصرف انرژی مورد نیاز میرسد. از نقطه نظر قیمت و محیط زیست، منابع انرژی جایگزین ارزان و تمیز برای راه حلهای آب شیرین کنی مقرون به صرفه مورد نیاز میباشد.

انرژی باد بهر حال یکی از ارزانترین منابع انرژی قابل تجدید است که دارای آینده ای امیدوار کننده نیز می باشد. معهذا چون طبیعتی متغیر و قانون ناپزیر دارد، و به هیچ فرمول و دستورالعملی پایبندی نشان نمیدهد، محققین میباید هنوز عواقب و عوارضی که بر سیستمهای آب شیرین کنی از خود نشان میدهد، و عملکردش بر کل سیستم را ارزیابی دقیق کنند.

در 2004 پروژه باد یک طرح مطالعاتی در مورد سیستم ترکیبی انرژی باد و سیستم آب شیرین کنی را مورد توجه قرار داد که پروژه مزبور هنوز هم در کنکاش و جستجوی اثرات باد و آب شیرین کنی بطور تواما میباشد؛ و به این منظور مسایل فنی، بررسی امکانات عملی و مناسب و قابل قیاس با ایده های جایگزین، و ارزیابی عملی و دوام پذیر اقتصادی هر کدام از عمده امور مورد توجه پروژه میباشد.
برای اطمینان از عرضه دائمی و بی وقفه برق به شبکه خدمات شهری، پروژه باد مشغول مطالعه در مزایای بالقوه ادغام انرژی های باد و آب بصورت همزمان است (که انرژی حرکتی یا سقوط آب را در مهار میآورد.

بعنوان بخشی از این تلاش، ایالات متحده به ایجاد گروهی کاری در درون آژانس بین المللی انرژی (آی. ای. ا.) کمک کرد که اعضای آن بر استقرار یک سیستم در هم تنیده از باد و آب تمرکز نموده اند. (مرکز تحقیق آی. ای. ا.، توسعه و نمایش منظمه باد شماره 24 ).

ضمیمه مزبور اقدام به تبادل اطلاعات و به همکاری در تحقیق در زمینه تولید، انتقال، و ادغام اقتصادی سیستم های انرژی باد و انرژی آب منجر خواهد شد. ضمیمه نامبرده اولین نشست خود را در 2005 در هوور دام نوادا برگزار نمود.

نتیجه گیری
برنامه انرژی وزارت نیروی آمریکا اینست که به انرژی تمیز، زیست محیطی، قابل تجدید، و با صرفه اقتصادی برای بازارهای گوناگون و کاربردهای مختلف دست یابد؛ و در سنوات اخیر در این راه گامهای بلندی برداشته است، و کماکان در مسیر بهبود و بهینه سازی به پیش میرود. هدف اصلی آمریکا از جایگزینی این انرژی قابل صیانت و تجدید پذیر و دسترسی به سایر منابع مشابه انرژی عنصری کلیدی در استراتژی دراز مدت آمریکا در تقلیل اتکا ی ملی بر سوخت های مبنای کربن و سوخت فسیلی است، و در نتیجه کاهش تولید و انتشار گازهای گلخانه ای در جو زمین است.