انرژی جنبشی توربین های مختلف توسط چه چیزی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود؟

مقدمه:

اگر فکر کنیم منابع تجدید ناپذیری که اختیار داریم می توانند تا نسل های آینده پاسخگوی نیازمان باشند اشتباه کردیم. برای توسعه زندگی انسان لازم است منابعی را پیدا کنیم که عملا تجدید پذیر و بی پایان هستند. از جمله این منابع انرژی باد است که با پیشرفت علم نحوه بهره برداری از آن را فرا گرفتیم ایم.

توربین بادی چیست؟

توربین بادی(wind turbines) ماشینی ست که ساخته شده تا انرژی جنبشی حاصل از باد را به انرژی الکتریکی تبدیل کند . پره های توربین های بادی با وزش باد می چرخند. گردش پره‌ها محور درونی روتور را می‌چرخاند و بعد از تبدیل گشتاور به سرعت دورانی گیربکس، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. پره ها بسته به نوع فناوریشان در هر دقیقه با سرعت حدودا ۱۳ تا ۲۰ مرتبه می چرخند. سرعت روتور وابسته به سرعت باد است.

تاریخچه:

استفاده از انرژی باد توسط انسان قدمت زیادی دارد .در اوایل از انرژی باد برای چرخاندن پره های آسیاب های بادی استفاده میکردند. نخستین توربین بادی تولیدکننده برق یک ماشین شارژ باتری بود که در ژوئیه ۱۸۸۷ توسط جیمز بلایث ساخته شد. پس از اون ، چارلز فرانسیس براش اولین توربین بادی خودکار را برای تولید برق در کلیولند در اوهایو ساخت.  در سال ۱۹۰۸، ۷۲ توربین بادی با توانایی تولید برق (بین ۵ تا ۲۵ کیلووات) در آمریکا فعال بودند. در اواسط سال ۱۹۴۱، اولین توربین بادی در کلاس مگاوات در ورمانت شروع به کار کرد شد.اولین توربین بادی متصل به شبکهٔ برق در بریتانیا در سال ۱۹۵۱ در جزایر اورکنی ساخته شد. رشد تولید برق از انرژی‌های نو درسال۲۰۰۶ در اتحادیه اروپا بیش از رشد تولید برق از منابع فسیلی بود.

کاربرد توربین های بادی به دو بخش کاربرد نیروگاهی و کاربرد غیر نیروگاهی تقسیم می شود:

کاربردهای غیر نیرو گاهی شامل:

• پمپ های بادی آبکش جهت تأمین آب آشامیدنی حیوانات در مناطق دور افتاده_آبیاری دراندازه کم_ آبکشی از عمق کم جهت پرورش آبزیان_تأمین آب مصرفی خانگی
• کاربرد توربینهای بادی کوچک بعنوان تولید کننده برق برای مجتمع­های مسکونی
• شارژ باتری

کاربردهای نیروگاهی شامل:

• نیروگاههای بادی منفرد جهت تأمین انرژی الکتریکی واحدهای مسکونی، تجاری، صنعتی و یا کشاورزی
• مزارع برق بادی جهت تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق شبکه

انواع توربین:

توربین های بادی در دو نوع محور افقی و محور عمودی ساخته میشوند:

توربین های بادی با محور افقی (Horizontal Axis Wind Turbines):

متداول ترین نوع توربین های بادی است همه اجزا توربین (پره‌ها، جعبه دنده، ژنزاتور و …) بالای برج بلندی قرار دارند. این توربین‌ها برای داشتن بیشترین بازدهی باید در جهت وزش باد قرار داشته باشند. این توربینها برای تنظیم قرار گیری مقابل باد باید سیستمی داشته باشند که به آن مکانیزم یاو (Yawing) می گویند. به طوری که کل ناسل می تواند به سمت باد بچرخد. در توربین‌های کوچک دنباله بادنما این کنترل را بر عهده دارد. ولی در سیستم‌های متصل به شبکه سیستم کنترل یاو فعال می باشد که توسط حسگر هایی تعیین کننده جهت باد و موتورها، ناسل به سمت باد می‌چرخد.معمولا سه تیغه دارند و با حرکت محوری پره های توربین در بالای برج، خلاف جهت باد کار می کنند.

مزایا:

بلندبودن برج امکان دسترسی به باد‌های پر‌قدرت را میدهد که این امر باعث افزایش بازدهی آنها میشود.در بعضی مکان‌ها به ازای هر ۱۰ متر افزایش ارتفاع سرعت باد ۲۰ درصد و بازدهی ۳۴ درصد بیشتر میشود. بخاطر پایه بلند این توربین ها می توان از آن ها در سطح دریا استفاده کرد.

معایب:

در ارتفاع کم کار نمی‌کنند. حمل و نقل و نصب و راه اندازی آن‌ها مشکل است. تعمیر و نگه داری آن‌ها سخت و پر‌هزینه است. در مجاورت رادار تحت تأثیر قرار می‌گیرند. ارتفاع زیاد و بزرگی آن‌ها ظاهر زیبایی ندارد و آلودگی صوتی ایجاد می‌کند

توربین بادی با محور عمودی (vertical-axis Turbines):

روتور اصلی به صورت عمودی قرار میگیرد. در توربین‌ها یا روتورهای محور عمودی، محور دوران عمود بر سطح زمین و چرخش تیغه ها موازی با زمین است. و به همین دلیل سطحی که توسط باد به حرکت در می‌‏آید پس از نیم دور چرخش مجبور است در خلاف جهت جریان باد به حرکت خود ادامه دهد و این مشکل سبب پایین آمدن ضریب توان آنها می شود. به همین دلیل در این روتورها منحنی پره اهمیت زیادی دارد. این توربینها به دو نوع اصلی ساونیوس (Savonius) و داریوس (Darrieus) تقسیم می شوند.

مزایا:

حساسیت نسبت به جهت باد و آشفتگی جریان باد دارند ، به همین علت می توان از آن‌ها در مناطق مختلف استفاده کرد برای مثال می توان آنها را روی پشت بام منزل نصب کرد. هنگام وزش بادهای نامنظم عملکرد مناسبی دارند،می توان آنها را در نزدیک سطح زمین نصب کرد که این امر باعث امنیت و پایین بودن هزینه و هگچنین آسان بودن تعمیر و نگهداری آن میشود این نوع توربین نیازی به سیستم جهت یابی یاو (Yawing) ندارند.

معایب:

این نوع توربین ها بیشتر دچار فرسایش می شوند. هنگام وزش باد، نیروی مخالفی به طرف دیگر توربین وارد می‌شود. بنابراین بازدهی آن‌ها در هر دوره تناوب کمتر است. نصب این نوع توربین روی برج های بلند مشکل است؛ بدین معنی که آنها باید در جریان های هوایی آهسته تر با اغتشاش بیشتر و نزدیک زمین با بازده استخراج انرژی پایین تر عمل کنند. به دلیل مسائل ذکر شده، طراحی و تحلیل پره (ایرفویل) توربین‌های عمودی سخت‌تر و گران‌تر است. بازده کم آن‌ها را می‌توان با چیدمان فشرده و طراحی‌های جدید افزایش داد.این مسئله نیز با پیش‌بینی بار‌های آیرودینامیکی تا حد زیادی قابل بهبود است. در توربین های بادی با محور عمودی چون می‌توان اجزایی همانند ژنراتور را در نزدیکی زمین قرار داد، از این رو نیازی نیست که برج کنترل از آنها مراقبت کند.

توربین های بادی چگونه کار می کنند؟

هنگام برخورد باد به یک پره دو نیرو برآن وارد میشود یکی در جهت باد ودیگری عمود بر جهت باد. نیروی افقی را نیروی پسا یا درگ (Drag)و نیروی عمودی را نیروی برآ یا لیفت (Lift) می‌نامیم. نیرو‌های برآ و پسا، پایه‌های علم آیرودینامیک هستند. سطح آیرودینامیکی پره باعث ایجاد اختلاف فشار و یک نیروی بالا برنده‌ی برآ می‌شود. توربین‌های محور افقی بر اساس نیروی برآ یا لیفت کار می‌کنند و توربین‌های محور عمودی بر اساس نیروی پسا یا درگ. البته توربین‌های عمودی نیز وجود دارند که به واسطه هندسه خاص پره‌هایشان از ترکیبی از نیروی پسا و برآ قدرت می‌گیرند. در نهایت پره‌ها با این دو نیروبه حرکت در می‌آیند و محور توربین را (افقی یا عمودی) می چرخانند. گشتاور ورودی بوسیله‌ی جعبه دنده سرعت دورانی زیادی می‌گیرد و توربین را به گردش می‌اندازد. گردش توربین جریان الکتریکی القا کرده و به شبکه برق تزریق می‌کند.

اجزا تشکیل دهنده یک توربین بادی:

بخش دوار یا روتور (Rotor) :

روتورهمان بخش دواری است که پره‌ها به آن وصل میشوند و دوران می‌کنند. پره‌ها، هاب، دماغه و یاتاقان‌های پره، روتور را تشکیل می‌دهند. روتور توربین‌های بادی با محور افقی، عمود بر جهت باد دوران می‌کند. در حالیکه جهت دوران روتور توربین‌های بادی با محور عمودی، هم جهت با وزش باد است. روتور توربین‌های افقی توسط یک برج در ارتفاع مناسبی نسبت به زمین قرار می گیرد و همچنین برای قرار گرفتن در جهت باد و کنترل سرعت آن از سیستمی پیشرفته استفاده میکنند . برای گردش توربین‌های بادی مدرن از جعبه دنده‌ی سیاره ای استفاده می‌شود.

بستر یا ناسل (Nacelle):

ناسل توربین بادی شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج است که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. ناسل ها می توانند بسیار بزرگ باشند.

پره یا ایرفویل (Aerofoil):

وظیفه پره گرفتن انرژی جنبشی باد و تولید بیشترین گشتاور ممکن از آن است. تحقیقات بسیاری روی هندسه پره‌ها انجام شده و در حال انجام است. تعداد پره‌ها در توربین‌های بادی متغیر است (معمولاً دو یا سه پره)، پهنای پره (یا کورد) نیز، بسته به شرایط مختلف محیطی و طراحی توربین متفاوت است. ممکن است پره در امتداد محور طولی تاب داشته باشد. برای کنترل توربین‌های بادی و حفظ امنیت آن‌ها در باد‌های بسیار سریع و طوفان‌ها، توربین‌های بادی مدرن قابلیت چرخاندن پره‌ها حول محور خودشان را دارا هستند. به این ترتیب می‌توان توانایی ایجاد کم‌ترین نیروی ممکن و پایین آوردن سرعت دوران روتور را فراهم کرد.

برج یا پایه (Tower):

با توجه به سایز توربین و شرایط طراحی، از انواع متفاوتی از برج‌ها استفاده می‌شود. برج‌های استوانه‌ای بتنی، فولادی و کامپوزیتی از متداول ترین برج ها هستند.همچنین از برج‌های مشبک، سازه‌های فولادی و ستون‌های مهار شده توسط کابل نیز به عنوان پایه استفاده می‌شود. ارتفاع برج معمولاً بین یک تا یک و نیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می شود. انتخاب نوع برج وابسته به شرایط مختلف است. همچنین استحکام برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می شود زیرا احتمال همسان شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می گردد وجود دارد.

سیستم انتقال قدرت (Transmission) :

این سیستم توسط یک گیربکس پیشرفته محور با گشتاور بالا و سرعت کم (سمت روتور) را به محور پر سرعت (سمت ژنراتور) متصل می‌کند. وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، می‌باشد. معمولا از دو نوع گیربکس در توربین‌های استفاده میشود: گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای.علاوه بر این سیستم انتقال قدرت، سرعت محور ورودی به ژنراتور را کنترل می‌کند تا مانع خرابی ژنراتور شود. برای توربین‌های سایز متوسط به بالا (بزرگتر از KW ۵٠٠) مزیت وزن و اندازه در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتر است. بعضی از توربین‌ها از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می کنند (ژنراتور با تعداد قطب بالا) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد.

مولد برق یا ژنراتور (Power Generator):

در ژنراتور گشتاور مکانیکی به توان الکتریکی تبدیل می‌شود. انواع مختلف ژنراتور های DC, AC و القایی در توربین‌های بادی استفاده می‌شود.