امروزه حمایت‌های مالی از انرژی باد در آمریکا کاهش پیدا کرده اما در اروپا و بعد در هند این حمایتها بیشتر شد.در دهه ۱۹۹۰ میلادی،طرحهای حمایتی اروپا بیشتر شامل ثابت نگهداشتن تعرفه های مربوط به تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر می شد. این طرحها در هند بیشتر شامل مالیات‌های مربوط به سرمایه گذاری در انرژی باد می گردید.این طرحهای حمایتی سبب افزایش سرعت توربین های نصب شده در برخی کشورهای اروپایی به خصوص آلمان و همچنین هند گردید.به موازات رشد بازار انرژی باد،تکنولوژی باد نیز توسعه بیشتری پیدا کرد.در پایان قرن بیستم،بیست سال بعد از تست ناموفق توربین های بادی مگاواتی در سراسر جهان،تکنولوژی توربین های ۵/۱ تا ۲ مگاواتی پیشرفت قابل ملاحظه ای کرد.[۱۹]

۳-۳:مشخصه‌ های انرژی بادی

حرکت توده های هوا که بر اثر اختلاف دمای بین آن ها اتفاق می افتد را باد می‌نامند. توربین های بادی در نزدیکی زمین که به لایه‌های مرزی معروف است انرژی را از باد می گیرند. انتقال انرژی از بادهای لایه‌های بالایی جو به لایه‌های پایینی که وابسته به حرکت چرخشی کره زمین می‌باشد و همچنین وضعیت منطقه ای،سبب می‌گردد که باد در لایه‌های نزدیک به زمین،دارای اغتشاش و متلاطم باشد.

سرعت باد با تابعی بر اساس زمان و ارتفاع از سطح زمین،به طور دائم در حال تغییر است.در شکل (۳-۱)طیف فرکانسی یک نمونه باد نشان داده است. با توجه به طیف فرکانسی،پیک آشفتگی^۱ به طور عمده به وسیله تندبادهای چند ثانیه ای تا چند دقیقه ای پدید می‌آید.پیک روزانه^۲ به تغییرات روزانه سرعت باد وابسته است(مانند وزش نسیم بین ساحل و دریا که بر اساس اختلاف دمای آن ها پدید آید). پیک سینوپتیک^۳ نیز به خصوصیات آب و هوایی وابسته است که معمولا روزانه یا هفتگی تغییر می‌کند اما شامل دوره های فصلی نیز می‌گردد.[۱۹]

____________________________________

۱٫Turbulent Peak

۲٫Diurnal Peak

۳٫Synoptic Peak

شکل (۳-۱):طیف فرکانسی سرعت باد

از دیدگاه سیستم قدرت،پیک آشفتگی ممکن است برروی کیفیت توان خروجی توربین های بادی تاثیر بگذارد. کیفیت توان تاثیر بسیار زیادی در تکنولوژی توربین های بادی داشته است.پیک های روزانه و سینوپتیک باد نیز در موزانه بلند مدت سیستم قدرت تاثیرگذار می‌باشند.

توان حاصل از حریان توده ای از هوا که با سرعتVاز سطح Aمی گذرد از رابطه زیر به دست می‌آید:

(۳-۱) =

که در آن ،چگالی هوا (kg )،V ،سرعت باد (m) و Aمساحت سطح( ) می‌باشد. چگالی هوا تابعی از فشار و دمای هواست که هر دو این ها تابع فاصله از سطح دریا می‌باشند:

(۳-۲)

که در آن ،فشار استاندارد اتمسفر در سطح دریاست (۱٫۲۲۵kg )، R،ثابت ویژه گازها برای هوا(۲۸۷٫۰۵Jk) ،T ،دما(K) و z،فاصله از سطح دریا(m) می‌باشد.

رابطه (۳-۱)بیانگر کل انرژی باد در واحد زمان می‌باشد.توربین بادی نمی تواند تمامی این توان را جذب نماید چرا که این عمل مستلزم این است که کل انرژی جنبشی باد جذب توربین شود یا به عبارت دیگر سرعت باد پس از رسیدن به توربین به صفر تقلیل یابد که این ‌به این معنی توقف کامل هوا پشت پره های توربین یا به عبارت بهتر تراکم هوا پشت پره های توربین می‌باشد که غیر ممکن است. در نتیجه میزان توانی که توربین بادی می‌تواند از باد استخراج نمایند به وسیله رابطه زیر تعیین می‌گردد:

(۳-۳)

که در آن ،R،شعاع پره های توربین و ضریب کارایی توربین می‌باشد.ضریب کارایی مخص کننده درصد یا قسمتی از انرژی موجود در باد است که به وسیله توربین قابل استخراج است.مقدار ماکزیمم تئوریک در سال ۱۹۲۶ به وسیله بتز^۱ محاسبه شده که مقدار آن ۵۹۳/۰ و به ثابت بتز معروف است.[۱۹]

علاوه بر شکل آیرودینامیکی پره،طبق روابط زیر به عوامل دیگری نیز بستگی دارد:

(۳-۴)

(۳-۵)

که نسبت سرعت نوک پره توربین به سرعت باد^۲ و زاویه پره^۳ باشد.[۲۰]

منحنی غیرخطی بر حسب را می توان با بهره گرفتن از روابط (۳-۳)و(۳-۴) به منحنی توان مکانیکی بر حسب سرعت توربین در سرعت های مختلف باد نمایش داد که یک نمونه از آن در شکل (۳-۲) نشان داده شده است.

از رابطه (۳-۱)مشخص شده است که توان باد با مکعب سرعت باد متناسب است.(افزایش ۱۰ %در سرعت باد باعث افزایش ۳۰ % در توان باد می‌گردد.)منحنی توان توربین بادی نیز در محدوده بین سرعت بادcut-in(سرعتی که پس از آن توربین بادی شروع به کار می‌کند )و سرعت باد نامی (سرعتی که پس از آن سرعت توربین در توان نامی خود کار می‌کند)تقریبا از این رابطه درجه سوم پیروی می‌کند.

_____________________________________

۱٫Betz

۲٫Tip speed ratio

۳٫Pitch angle

شکل (۳-۲):منحنی توان مکانیکی توربین بر حسب سرعت روتور در سرعت های مختلف باد

توربین های بادی بسته به نوع طراحی معمولا در سرعت باد بین m/s 12 تا m/s 16 به توان نامی خود می‌رسند.

در سرعت های باد بین سرعت نامی تا سرعت cut-out (سرعتی که پس از آن توربین بادی از مدار خارج می شود و توانی تولید نمی کند)توان توربین در مقدار توان نامی محدود می شود و به عبارت دیگر بخشی از توان قابل استحصال باد به هدر می رود.سرعت cut-out توربین های بادی در محدوده m/s 20 تا m/s 25 قرار دارد. شکل (۳-۳) منحنی توان خروجی یک توربین بادی kw1500 را بر حسب سرعت باد نشان می‌دهد. منحنی توان توربین بادی به فشار هوا نیز بستگی دارد ‌بنابرین‏ با تغییر ارتفاع محل نصب منحنی توان توربین تغییر می‌کند.همچنین شکل آیرودینامیک پره ها نیز بر منحنی توان خروجی مؤثر است و تغییر در شکل آیرودینامیکی پره ها که بخاطر نشستن گردو غبار یا یخ بر روی آن ها ایجاد می شود باعث تغییر در توان خروجی توربین می‌گردد. پس از اینکه سرعت باد به کمتر از cut-out رسید توربین بادی بلافاصله به مدار نمی آید. بلکه بسته به فن آوری ساخت توربین و رژیم بادی که توربین در آن کار می‌کند راه اندازی مجدد توربین بادی نیازمند این است که سرعت باد m/s 3 تا m/s4 کمتر از سرعت cut-out گردد که این موضوع در شکل (۳-۳)با خط چین نشان داده شده است و به حلقه هیسترزیس معروف است.[۱۹]

در صورت بروز یک تند باد و افزایش سرعت باد از حد سرعتcut-out ،با خارج شدن ناگهانی توربین های بادی ممکن است شبکه با کاهس ناگهانی تولید مواجه شود. لذا برخی سازندگان برای کاهش اثز خروج ناگهانی توربین بادی و اثر هیسترزیس ، توربین های بادی ساخته اند که پس از افزایش سرعت باد از سرعت cut-out توان خروجی آنی به طور ناگهانی صفر نمی شود بلکه به صورت خطی کاهش می‌یابد. شکل(۳-۴)منحنی توان خروجی یک توربین kw1500 با کاهش خطی توان با شیب ملایم پس از سرعت cut-out را نشان می‌دهد.

شکل (۳-۳):منحنی توان خروجی توربین ۱۵۰۰ کیلووات با کاهش آنی توان

شکل (۳-۴): منحنی توان خروجی توربین ۱۵۰۰ کیلووات با کاهش آرام توان