مقاله باد ، منبع الهام معماری پاک در بافت روستایی

بخشی از مقاله

باد، منبع الهام معماری پاک در بافت روستایی

چکیده

استفاده از انرژی های موجود در طبیعت مانند انرژی نور خورشید، باد،آب و گرمای زمین از گذشته مرسوم بوده است که یا به صورت مستقیم در تامین آسایش طبیعی و یا به صورت غیر مستقیم با تبدیل آن به انرژی مکانیکی صورت می گرفته است. باد، به عنوان یک منبع انرژی پاک،الهام بخش شکل گیری بافت های معماری، الحاقات ساختمانی و تجهیزات متنوعی در گستره معماری مناطق بادخیز بوده است؛طراحی گذر ها در مسیر باد در جنوب ایران، بادگیر ها در مناطق مرکزی و جنوبی و ساختمان آسیاب های بادی در سیستان تنها نمونه هایی از تاثیر باد در ریخت معماری این مناطق است. امروزه ضرورت استفاده از از انرژی های پاک به جای سوخت های فسیلی امری اجتناب ناپذیر است که با وجود پهنه های بادخیز در ایران به خصوص در مناطق خارج از شهر و نزدیک به زمینهای روستایی تولید برق بادی یکی از بهترین و به

صرفه ترین روشها ست. با توجه به محدودیت ها و الزامات استقرار مزارع بادی به خصوص در همجواری زمینهای حاصلخیز روستایی، این تحقیق به دنبال معرفی قابلیتهای انرژی باد به عنوان یک منبع پاک تولید نیروی بر ق و تبیین اهمیت مکانیابی مزارع بادی در توسعه پایدار بافت روستایی به منظور همسویی استفاده بهینه از انرژی باد در عین بهره گیری حداکثری از امکانات زراعی مناطق روستایی است. نتیجه این تحقیق می تواند به عنوان رویکردی نو در طراحی بافت روستا و چهره معماری مناطق بادخیز مورد استفاده قرار گیرد.

واژه های کلیدی: باد، انرژی جایگزین، منطقه بادخیز، معماری پاک، چهره معماری.

-1 مقدمه

استفاده از انرژی باد در معماری ایران سابقه طولانی و نتایج بسیار درخشانی در شکل دهی بافتهای شهری و روستایی داشته است. آسیابهای بادی در نشتیفان سیستان و خواف خراسان به عنوان تاسیسات بادی (ابراهیم زرگر،اصغر کریمی، درآمدی بر شناخت معماری روستایی ایران، 75 )و نیز استفاده از بادگیرها برای تهویه مطبوع و جذب باد ساحلی در فصل گرم در مناطق جنوبی کشور و حاشیه خلیج فارس (زمرشیدی، معماری ایران: (58 و بهره گیری از جریان هوا در بادگیرهای منطقه مرکزی ایران ( زمرشیدی، معماری ایران: (63 نمونه های موفقی از بکارگیری انرژی موجود در جریانهای هوایی در معماری ایران است. امروزه استفاده از این انرژی پاک به طور گسترده
در جهان برای تولید برق بادی مورد توجه است در ایران با وجود موقعیتهای بکر و طبیعی ونیز موقعیتهای زمین شناختی مناسب که امکان بهره گیری از نیروی باد به عنوان یک انرژی پاک را دارند میتوان الگوی مناسبی در تامین برق مورد نیاز منطقه به نحوی که بر ویژگیهای زیست محیطی آن نیز تاثیر نه تنها منفی بلکه مثبت نیز داشته باشد، معرفی نمود.این تحقیق با معرفی توربینهای بادی و

امکانسنجی احداث مزارع بادی، سعی بر ارائه راهکارهایی برای پیش بینی مکانهای مناسب جهت احداث نیروگاههای بادی در مقیاس بزرگ و متوسط و نیز روشهای استفاده از برق بادی در مقیاس کوچک دارد لذا در ادامه ابتدا به اه میت استفاده از انرژیهای پاک و پس از بررسی حضور انرژی باد در سبد انرژی جهان و ایران به تشریح امکان سنجی احداث نیروگاه ها در هر سه مقیاس خواهد پرداخت.

-2 باد و جایگاه برق بادی

-1-2 انرژی های پاک و ضرورت توسعه آن

انرژی، یک نیاز اساسی برای تدارک و تأمین رفاه وآسایش زندگی بشری است، امروزه تبعات مداخله انسان در محیط زیست جهت تامین انرژی بیش از هر زمانی متجلی شده است.برای نمونه؛ میزان انتشارCO2 در، 200 سال گذشته 31 درصد افزایش یافته است، دمای سطحی کره زمین در قرن گذشته از 4تا 8 درجه افزایش یافته است و پرندگان، گیاهان، حشرات وماهیان به طرف قطب ها وعرض های بالاتر تغییر مکان داده اند.

شکل (1) سهم کشورهای مختلف در تولید و انتشار CO2 شکل (2) سهم مصرف انواع منابع انرژی در جهان در سال 2012

.2-2 سهم تولید برق هر کدام از انواع منابع انرژی تجدیدپذیردر جهان و مقایسه باد با دیکر منابع

درنمودار زیر سهم هر کدام از انرژیهای تجدید پذیر در تولید برق جهانی مشخص شده است که در این میان میانگین رشد سالانه انرژی باد در دنیا با نرخ رشد %30بالاترین میانگین را درمیان سایر منابع انرژی در دنیا دارد . کل ظرفیت برق بادی در جهان در سال 2009 به 160000 مگا وات رسید و اروپا بیش از 70 درصد از برق بادی جهان را تولید می کند و مزرعه های بادی در آمریکا حدود 10000 مگاوات در سال برق تولید می کنند .در ایران میزان ظرفیت اسمی سایتها در حدود 60000 مگاوات می باشد. بر پایه پیش بینی های صورت گرفته، میزان انرژی قابل استحصال بادی کشور از لحاظ اقتصادی بالغ بر 18000 مگاوات تخمین زده می شود . از طرف دیگر در میان انواع
انرژی های تجدید پذیرانرژی باد نیاز به هزینه سرمایه گذاری اولیه کمتری دارد. (سایت رسمی سازمان انرژیهای نو ایران).

شکل (3) افزایش تولید برق بادی در جهان شکل (4) کل ظرفیت نصب شده تولید برق تا سال 2012

-3 شناخت باد و عوامل موثر در تولید آن

-1-3 تعریف باد:

جابجایی مکانی یک توده هوایی را باد مینامند. این جابجایی در اثر عوامل مختلف طبیعی و مصنوعی میتواندامکانپذیر گردد:
الف – مصنوعی: جابجایی هوا در اثر نیروهای وارده بر یک توده هوا از طریق دستگاهها و یا عوامل انسانی، مانند بادبزنهای دستی. ب- طبیعی: وزش باد در روزهای گرم و سرد سال، وزش باد دراطراف سواحل دریاها و اقیانوسها، وزش باد از کوه به دره و برعکس.

سرمنشأ باد خورشید است، به طور خلاصه عوامل تولید جریان های هوایی عبارتند از : (1 تفاوت عرض جغرافیایی نقاط مختلف بر روی زمین، ( 2 چرخش زمین به دورخود و ایجاد شب و روز که سبب اختلاف دمای هوا در شب و روز است. ( 3 چرخش زمین به دور خ ورشید که فصول مختلف و نیز طول متفاوت شب و روز را ایجاد می کند. (4 وجود اقیانوسها و دریاچه ها که اینرسی حرارتی متفاوتی با خاک داشته و ایجاد جریان های هوایی می نمایند و اقلیمهای متفاوت را به وجود آورده اند و نیز (5 در ساحل دریاها بادها و نسیمهای دریا و خشکی وجود دارد.

شکل (5) نسیم دریا و خشکی در ساحل دریا شکل (6) تفاوت عرضهای جغرافیایی و جریانهای هوایی

-2-3 کاربرد توربینهای بادی

از نظر عملکردی در توربینهای بادی انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل میگردد.توربینها از نظر کاربرد به 2 دسته تقسیم میشوند:

الف) کاربردهای غیر نیروگاهی الف-(1 پمپ های بادی آبکش

امروزه به طور کلی موارد استفاده از توربینهای بادی جهت پمپاژ آب عبارتند از: تامین آب آشامیدنی حیوانات در مناطق دور افتاده، آبیاری در مقیاس کم ، آبکشی از عمق کم جهت پرورش آبزیان، تأمین آب مصرف خانگی.
الف-(2 کاربرد توربینهای کوچک به عنوان تولید کننده برق

اصلیترین کاربردهای غیر نیروگاهی توربینهای برق بادی، تأمین برق جزیرههای مصرف میباشد. امروزه از توربینهای بادی کوچک تا قدرت 10 کیلووات برای تأمین برق مورد نیاز این مناطق استفاده میشود.
الف-(3 شارژ باتری

برای این کار بیشتر از توربینهای بادی با قیمت ارزان و متوسط که روتورهایی با قطر 3 متر دارند استفاده میشود.
ب) کاربردهای نیروگاهی
ب-(1 توربین های بادی منفرد

عموماً اندازه این توربینها بین 10-100 کیلووات است و به شبکه نیز متصل میشوند، جهت تأمین بارهای الکتریکی از نوع مسکونی، تجاری، صنعتی یا کشاورزی استفاده میشود.

ب-(2 توربین های بادی متمرکز

اندازههای معمولی این توربینهای بادی بین 50-500 کیلووات است. سیاستهای ملی تولید انرژی، تعیین کننده بازار پراکنده توربینهای متصل به شبکه است.

-3-3 انواع توربینهای بادی
الف: توربین های بادی با محور چرخشی عمودی

توربینهای بادی با محور عمودی نظیر ( ساوینوس، داریوس، صفحهای و کاسهای ) از 2 بخش اصلی تشکیل شدهاند. یک میله اصلی که رو به بـاد قرار میگیرد و میلههای عمودی دیگری که عم ود بر جهت باد کار گذاشته میشوند. ساخت این توربین بسیار ساده است ولی بازده پایینی داردسرعت، چرخش سیستم دقیقاً با سرعت باد برابر میباشد که ویژگی بسیار نامطلوبی است و از مزایای آن وابسته نبـــــودن سیستم به جهت وزش باد می باشد.

ب: توربین های بادی با محور چرخشی افقی:

این نوع توربینها نسبت به مدل با محور عمودی رایجترمیباشد، توربینهای با محور افقی پیچیدهتر و گرانتراز نوع قبلی هستند و ساخت آنها هم مشکلتـــر است ولی راندمان بسیار بالایی دارند . در همه سـرعتها حتی سرعتهایپایین بـــــاد هم کار می کنند و در انـواع پیشرفتـهتر میتوان جهت آنها را با جـهت وزش باد تنظیم کرد.

شکل ( (7 توربینبا محور چرخشی عمودی شکل (8) توربینبا محور چرخشی افقی

-4باد سنجی و امکان سنجی احداث نیروگاه بادی

-1-4 خصوصیات باد

از آنجا که نیروگاههای بادی ازانرژی موجود در باد استفاده می کنند بدین منظور »اقلیم بادی« یک سایت مورد بررسی قرار می گیرد.

منظور از »اقلیم بادی«خصوصیات پایدار و بلند مدت»  باد« در یک منطقه، شهر و یا کشور است.معمولا خصوصیات اقلیمی در 3 مقیاس مورد بررسی قرار می گیرد:

الف ) کلان اقلیم(:(Macro Climate منظور الگوهای بزرگ مقیاس اقلیمی بر روی زمین، قاره ها و یا بخشی از قاره هاست . ب) میان اقلیم : (Mesa Climate) الگوهای اقلیمی در یک کشور و یا ناحیه است.
ج) خرد اقلیم : (Micro Climate) منظوراقلیم یک مساحت محدود، محدوده ساحلی، یک منطقه جنگلی و یا کشاورزی است. برای سرمایه گذار و برنامه ریز یک نیروگاه بادی کسب اطلاعات خوبی از »خرد اقلیم بادی« بسیار مهم ضروری است.

-2-4 ویژگیهای خرد اقلیمی
-1-2-4 پروفیل باد

این منحنی بیانگر ارتباط بین سرعت باد و ارتفاع آن از سطح زمین است. تغییر در سرعت و جهت وزش باد اصطلاحاً »برش باد« نامیده می شود. در خصوص تحلیل منحنی پروفیل باد نکات ذیل قابل توجه است:

1. سرعت باد با افزایش ارتفاع افزایش می یابد.
2. افزایش سرعت باد در مناطق بادخیز بدون عارضه و پستی و بلندی به ازاء هر 10 متر افزایش ارتفاع، %20 افزایش یافته و انرژی باد %34 افزایش می یابد.

3. در مناطق با عوارض زیاد این افزایش سرعت محسوس تر است.

4. ارتفاع در حدود 150m-200m بالاتر از سطح دریا و زمینمعمولاً مطلوب نظر برنامه ریزان سایتهای بادی است.

-2-2-4 نیروی باد

باد حرکت هواست و ازآنجا که هوا جرم دارد (هر مترمعکب از هوا کمی بیش از 1 کیلو گرم وزنV3دارد)=0/625*بادانرژیجنبشی دارد. نیروی باد با توان سوم سرعت آن متناسب است: .
-3-4 نحوه توزیع منابع باد
نقشه های توزیع منابع باد نمودار (1) منحنی پروفیل باد
نقشه های توزیع منابع باد از مطالعه بر روی »اطلس باد« یک منطقه حاصل می شود »اطلس باد« بیانگر توزیع نوع باد در یک منظقه، قاره و یا کشور است برای یک دوره 5-10 ساله است.

شکل (9) اطلس انرژی باد در ارتفاع 80 متری شکل (10) اطلس سرعت و انرژی باد در اروپا شکل (11) نقشه توزیع منابع باد

-4-4 ارزیابی منابع باد

تاثیر توپوگرافی

پس از بررسی های اولیه از روی نقشه های اصلی باد جهت تعیین دقیق وضعیت بادی سایت بررسی شرایط محلی و تأثیرآن برجهت و سرعت باد اهمیت زیادی در بهینه سازی سایت نیروگاه های بادی دارد.بدین منظور دیاگرام زیر راه گشاست:

با توجه به پروسه فوق گام اول، دسته بندی وضعیت ناهمواری سطح می باشد که آیا سطح منبع بادی مورد نظر هموار است ویا این سطح ناهموار می باشـد در ادامه به بررسی هر کدام از دو حالت مذکور و نکات مربوط به آن خواهیــم پرداخت:

-4-4الف) چیدمان در سایت هموار

این سایتها، مشکلات ساختگاههای کوهستانی راندارند و جهت طراحی چیدمان توربینها در آنها، صرفاً 2 سئوال اساسی بایستی پاسخ داده شود:

.1 چه ناهمواریهایی هایی بر روی منحنی باد در محیط تأثیر می گذارند؟ .2 چه موانعی ممکن است بر وزش آزاد باد تأثیر بگذارند؟

شروط همواری سایت نمودار (2) تحلیل شرایط زمین
در صورت برقراری دو شرط زیر سایت مورد نظر همواردر نظرگرفته میشود:

- اختلاف ارتفاع بین سایت و نواحی اطراف تا شعاع 3-5 کیلومتری کمتر از باشد

- نسبت باشد.

ماکزیمم اختلاف سطح محدوده H = حداکثر فاصله نقطه ارتفاع ماکزیمم و مینیممL =

برای مثال : اگر یک تپه با ارتفاع120 در فاصله 500 متری از یک سابت مفروض باشد این سایت یک محدوده ناهموار به حساب می آید.