(Wind Turbine) توربین بادی

توربین بادی (Wind turbine)

نویسنده: نیلوفر حنفی تاریخ انتشار: ۱۴۰۱/۰۴/۳۱ مدت زمان تقریبی مطالعه: ۲۰ دقیقه

مقدمه

انرژی‌های تجدیدپذیر در طی چندسال اخیر به دلیل ضرورت تولید انرژی الکتریکی سازگار با محیط زیست از منابعی مانند: باد، خورشید حرارتی و غیره توجه زیادی رو به خود جلب کرده‌اند. موقعیت‌هایی از جمله گرمایش جهانی و آلودگی، موجب بهبود انرژی باد برداشت شده به منظور تولید برق و جلوگیری از انتشار گازهای گلخانه‌ایی است. از طرفی تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی با راندمان بالا و استهلاک پایین صورت می‌گیرد پس استفاده از این انرژی برای تولید انرژی الکتریکی نسبت به سایر انرژی‌های تجدیدپذیر مقرون به صرفه است. حال این تبدیل انرژی توسط توربین‌های بادی صورت می‌گیرد که در این مقاله به بررسی توربین‌های بادی می‌پردازیم.

توربین بادی و انواع آن

توربین بادی وسیله‌ایی است که انرژی جنبشی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.

دو نوع اصلی توربین های بادی وجود دارد:

توربین های محور افقی
توربین های محور عمودی

توربین های محور افقی (HAWT):

دارای پره‌هایی مانند پروانه‌های هواپیما هستند و معمولا دارای ۳ پره هستند. بزرگ‌ترین توربین‌های محور افقی به طول بیش از ۱۰۰ فوت و در رابطه با ساختار آن می‌توان گفت این توربین‌ها دارای شفت و ژنراتور افقی در قسمت بالایی برج توربین هستند. توربین‌های بلندتر با پره‌های بلندتر برق بیشتری تولید می‌کنند. تقریبا تمام توربین‌هایی که هم اکنون مورد استفاده قرار می‌گیرند توربین‌های محور افقی هستند.

توربین های محور عمودی (VAWT):

مانند کوبنده‌های تخم مرغ هستند. این نوع توربین‌ها دارای پره‌هایی هستند که به بالا و پایین روتور عمودی متصل می‌شوند برخی از نسخه‌های توربین محور عمودی ۱۰۰ فوت ارتفاع و ۵۰ فوت عرض دارند. در رابطه با ساختار آن می‌توان گفت دارای شفت عمودی و ژنراتور و گیر بکس در قسمت پایینی برج هستند. در کل به دلیل ساختار منحصر به فرد در طراحی می‌توان از انرژی باد در هر جهتی بدون محدودیت چرخشی استفاده کرد.

شکل ۱-‌‌ مدل سازی توربین محور افقی و توربین محور عمودی

اجزای توربین بادی

۱- پایه (Foundation)

پایه در زیرزمین واقع شده است و قابل رویت نیست به دلیل اینکه توسط خاک روی آن پوشیده شده است. این یک بلوک با ساختاری بزرگ و سنگین از بتن است که باید کل توربین و نیروهایی که بر آن تاثیر می‌گذارد را نگه دارد.

شکل ۲- پایه در توربین بادی

۲- برج (Tower)

برج در اکثر توربین‌های مدرن با توجه به اندازه‌ی توربین و موقعیت آن می‌تواند ارتفاع ۷۵ تا ۱۱۰ متر ( ۲۵۰ تا ۳۷۰ فوت ) و لوله‌ی فولادی گرد با قطر ۳ تا ۴ متر ( ۱۰ تا ۱۳ فوت ) داشته باشد. برج، متصل کننده‌ی شفت اصلی روتور به پایه است. توربین‌هایی که بر روی برج‌هایی با ارتفاع بالاتر نصب می‌شوند، انرژی بیشتری دریافت می‌کنند.

شکل۳- برج در توربین بادی

۳- روتور (Rotor) و پره‌ها (Blades)

روتور، قسمت دوار توربین است که عموما از ۳ تیغه و یک بخش مرکزی که تیغه‌ها به هاب وصل شده‌اند تشکیل شده است. توربین میتواند ۲ یا ۴ یا هر تعداد دیگری تیغه داشته باشد اما روتور ۳ پره بهترین بازده و مزایای دیگری را دارد. تیغه‌ها تو پر نیستند و و توخالی‌اند، از مواد کامپوزیت ساخته شده‌اند تا سبک و محکم باشد همچنین این تیغه‌ها صاف نیستند و بین ریشه و نوک خود پیچ و تاب دارند و می‌توانند ۹۰ درجه حول محور خود بچرخند.

پره‌ها که حالت آیرودینامیکی دارند، با جریان یافتن باد بر روی آن‌ها بلند می‌شوند و به حرکت در می‌ایند اما روتور که بال‌ها و هاب به آن متصل اند وظیفه آن این است که انرژی جنبشی حاصل از حرکت پره‌ها را به انرژی مکانیکی (توسط اتصال به یک شفت) تبدیل کند.

شکل ۴- روتور و پره‌های توربین بادی

۴- هاب (Hub)

وظیفه‌ی هاب نگه داشتن پره ها و ممکن ساختن دوران آن بدون ایجاد هر گونه تداخلی با سایر قسمت‌های توربین است.

شکل ۵- هاب در توربین بادی

۵- شفت کم سرعت (Low speed shaft)

بخشی از پیشرانه‌ی توربین است. به روی موتور وصل می‌شود و بین (۸ تا ۲۰ ) چرخش در دقیقه می‌چرخد.

۶- بلبرینگ شفت اصلی (Main shaft bearing)

بخشی از پیشرانه‌ی توربین است. یاتاقان اصلی از شفت کم سرعت پشتیبانی می‌کند و اصطکاک بین قطعات متحرک را کاهش می‌دهد تا نیروی وارده از روتور به شفت آسیب نرساند.

۷- شفت پرسرعت (High shaft speed)

بخشی از پیشرانه‌ی توربین است. شفت پرسرعت به گیربکس متصل می‌شود و ژنراتور رابه حرکت در می‌آورد.

شکل ۶- شفت کم سرعت، بلبرینگ شفت اصلی، شفت پرسرعت در توربین بادی

۸- گیربکس (Gear box)

یک گیربکس اغلب در یک توربین بادی برای افزایش سرعت چرخش از یک شفت اصلی با سرعت پایین به یک شفت با سرعت بالا که به یک ژنراتور الکتریکی متصل می‌شود، استفاده می‌شود.

شکل۷- گیربکس در توربین بادی

۹- ژنراتور (Generator)

وظیفه‌ی آن تولید برق متناوب است که از طریق القای الکترومغناطیسی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. ژنراتور از حرکت مکانیکی حاصل از چرخش پره‌ها و افزایش سرعتی که درگیربکس صورت می‌گیرد، برق را تولید می‌کند.

شکل ۸- ژنراتور در توربین بادی

۱۰- کنترلر (Controller)

کنترلر به توربین اجازه می‌دهد با سرعت باد حدود (۷ تا ۱۱) مایل در ساعت شروع به کار کند و وقتی سرعت باد از (۵۵ تا ۶۵) مایل در ساعت فراتر رفت دستگاه را خاموش می‌کند تا از آسیب به قسمت‌های مختلف توربین جلوگیری کند.

شکل ۹- کنترلر در توربین بادی

۱۱- ترمز (Brake)

ترمزهای توربین همچون ترمزهای خودرو نیستند. ترمز توربین مانع از چرخش روتور بعد از خاموش شدن توسط سیستم گام (Pitch system) می‌شود. عمل ترمز کردن می‌تواند به صورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی صورت گیرد.

شکل ۱۰- ترمز در توربین بادی

۱۲- محفظه موتور (Nacelle)

محفظه موتور در بالای برج قرار دارد و شامل گیربکس، شفت‌ کم سرعت و پرسرعت، ژنراتور و ترمز است. بعضی محفظه‌ها حتی از خانه نیز بزرگ ترند برای مثال محفظه یک توربین دنده‌ایی ۱٫۵ مگاواتی می‌تواند بیش تر از ۴٫۵ تن وزن داشته باشد.

شکل۱۱- محفظه موتور در توربین بادی

۱۳- سیستم انحراف (Yaw system)

برای تعریف کلی می‌توان گفت که سیستم انحراف توربین‌های بادی مسئول جهت‌گیری روتور توربین بادی است به گونه‌ایی که درایو انحراف محفظه موتور روی توربین را، به طرف باد می‌چرخاند تا در صورت تغییر جهت باد آن‌ها را به طرف باد نگه دارد.

انواع سیستم انحراف:

سیستم انحراف فعال
سیستم انحراف غیر فعال

سیستم انحراف فعال (Active yaw system):

سیستم های انحراف فعال به نوعی دستگاه تولید گشتاور مجهز هستند که می‌توانند، محفظه موتور توربین بادی را طبق سیگنال‌های خودکار سنسورهای جهت باد در برابر برج ثابت بچرخانند. از این سیستم به عنوان پیشرفته ترین حالت برای تمام توربین های بادی با اندازه‌ی متوسط و بزرگ استفاده می‌شود.

تمام سیستم های انحرافی فعال شامل:

وسیله‌ایی برای اتصال قابل چرخش بین محفظه موتور و برج
وسیله‌ایی برای تغییر جهت موتور
وسیله‌ایی برای محدود کردن چرخش محفظه موتور
سیستم کنترل که سیگنال‌های حسگرهای جهت باد را پردازش می‌کند و به مکانیزم محرک دستورات مناسب می‌دهد.

از رایج ترین سیستم های انحراف فعال میتوان به ۴ مورد اشاره کرد :

هرگاه شامل یاتاقان انحرافی غلتکی (Roller yaw bearing)، محرک انحراف الکتریکی (Electric yaw bearing)، ترمز(Brake) باشد.
هرگاه شامل یاتاقان انحراف غلتکی (Roller yaw bearing)، درایو انحرافی هیدرولیک (Hydraulic yaw drive) باشد.
هرگاه شامل یاتاقان انحرافی کشویی (Silding yaw bearing)، محرک انحرافی الکتریکی (Electric yaw drive) باشد.
هرگاه شامل یاتاقان انحرافی کشویی (Silding yaw bearing)، درایو انحرافی هیدرولیکی (Hydraulic yaw drive) باشد.

سیستم انحراف غیر فعال (Passive yaw system):

این سیستم برای تنظیم جهت گیری روتور توربین بادی در جهت باد از نیروی بادی استفاده می‌کند. این سیستم در ساده‌ترین شکل خود شامل یک اتصال غلتکی ساده بین برج و محفظه موتور و باله‌ی دمی که بر روی محفظه موتور نصب شده است و می‌توان گفت به گونه‌ایی طراحی شده که روتور توربین باد را با اعمال گشتاور اصلاح کننده به محفظه موتور به باد تبدیل کند. بنابراین قدرت باد مسئول چرخش روتور و جهت محفظه موتور است. این نوع توربین‌ها معمولا برای طراحی‌های کوچک و تکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

از رایج ترین سیستم های انحراف غیر فعال می‌توان به ۳ مورد اشاره کرد :

هر گاه شامل یاتاقان غلتکی (Roller bearing) باشد، در این حالت می‌گوییم سیستم ازاد است.
هرگاه شامل یاتاقان غلتکی (Roller bearing) و ترمز (Brake) باشد، در این حالت می‌گوییم سیستم نیمه فعال است.
هرگاه شامل یاتاقان کشویی (Silding bearing) و ترمز (Brake) باشد، در این حالت می‌گوییم سیستم غیر فعال است.

شکل۱۲- موقعیت سیستم انحراف در توربین بادی

شکل۱۳- سیستم انحراف در توربین بادی

۱۴- سیستم گام (Pitch system)

این سیستم مسئول دو عمل است:

زاویه‌ی پره‌های توربین بادی را نسبت به باد تنظیم می‌کند تا میزان انرژی استخراجی از پره ها را مدیریت کند.
سرعت روتور را کنترل می‌کند به این شکل، که برای جلوگیری از آسیب زدن ماشین در زمانی که سرعت باد بیش از حد است پره ها را پر می‌کند تا سرعت روتور کند شود.

شکل۱۴- موقعیت سیستم گام در توربین بادی

شکل۱۵- سیستم گام در توربین بادی

۱۵- بادنما (Wind vane)

ابزاری برای نشان دادن جهت باد اما عموما تزئینی است. باد نماها اغلب دارای طرح سنتی خروس هستند. بر روی توربین‌های بادی کوچک یافت می‌شوند و توربین بادی را به سمت باد نگه می‌دارند.

شکل۱۶- باد نما در توربین بادی

۱۶- بادسنج (Anemometer)

ابزاری است برای اندازه گیری و سنجش سرعت باد. برای توضییح بیشتر می‌توان گفت که بادسنج‌ها سرعت باد را با مقدار فشار باد بر روی سطحی مانند فنجان اندازه گیری می‌کنند. در رابطه با ساختار آن می‌توان گفت که شامل ۳ یا ۴ فنجان مخروطی یا نیمکره است که در طرفین آن‌ها قرار گرفته و به یک دکل مرکزی متصل است که میتواند آزادانه بچرخد. تحت وزش باد این فنجان‌ها می‌چرخند و تعداد دفعاتی که به اطراف می‌چرخند در یک دقیقه شمارش می‌شود و سپس به سرعت باد تبدیل می‌شود. به طور سنتی این شمارش توسط هواشناسان صورت می‌گرفت، اما امروزه کامپیوتر چرخش را می‌شمارد و محاسبات را انجام می‌دهد و این روند را ساده‌تر می‌کند. بادسنج ۳ فنجانی در حال حاضر به عنوان استاندارد صنعتی برای ارزیابی منابع بادی استفاده می‌شود.

شکل۱۷- بادسنج در توربین بادی

شکل۱۸- مدل سازی مجموعه ایی از قطعات توربین بادی در کنار هم

شکل ۱۹- مدل سازی مجموعه ایی ازقطعات توربین بادی در کنار هم

شکل ۲۰- مدل سازی مجموعه ایی از قطعات توربین بادی در کنار هم

مزارع بادی

مزرعه‌ی بادی مجموعه ای ازتوربین‌های بادی در مکانی مشخص است. یک مزرعه‌ی بادی بزرگ می‌تواند متشکل از چند صد توربین بادی مجزا باشد که در منطقه‌ی وسیعی توزیع شده‌اند. از زمین بین توربین‌ها برای مصارف کشاورزی یا اهداف دیگر استفاده می‌شود. تعداد توربین‌ها در یک مزرعه‌ی بادی متناسب با ظرفیت نیروگاه متغیر است، برق تولیدی باید با کیفیت قابل قبولی وارد شبکه شود و در دراز مدت بازده خوبی داشته باشد. از جمله مسائل قابل توجه دیگر فاصله‌ی بهینه بین توربین‌های نصب شده و نحوه‌ی آرایش آن‌ها می‌باشد به طوریکه از زمین و باد موجود در منطقه حداکثر استفاده شود.

سایت یابی برای احداث نیروگاه بادی

انتخاب بهترین محل برای استقرار توربین‌های بادی یکی از مهمترین مسائل در استفاده از انرژی باد است که شامل مراحل مختلفی است و این مراحل تابع پارامتر‌های متفاوتی از جمله خصوصیات باد در منطقه‌ی باد خیز، موقعیت جغرافیایی محل، اغتشاش باد، باد های غالب، مخاطرات جوی، عوارض طبیعی و مصنوعی زمین می‌باشد. از آنجایی که پتانسیل انرژی باد متناسب با توان سوم سرعت می‌باشد، در نتیجه مکان‌هایی که در آن‌ها سرعت متوسط سالیانه باد مناسب است و وزش مداوم باد در ساعات پیک مصرف برق صورت می‌گیرد، از اهمیت خاصی برخوردارند. انتخاب آرایش توربین‌‍ها در طراحی مزرعه‌ی بادی پس از سایت یابی مهم ترین قدم است. در حالت کلی هر چه فاصله‌ی بین توربین ها در یک مزرعه ی بادی بیشتر باشد، انرژی حاصل از آن توربین نیز بیشتر خواهد بود. آنچه که این فاصله را محدود می‌کند طول کابل، میزان تلفات و محدودیت زمین است.

راندمان توربین بادی

راندمان توربین‌های بادی تحت تاثیر پارامتر‌های مختلفی قرار دارد. برای شرح بیشتر این مسئله تاثیر شدید برخی پارامتر‌ها را برروی راندمان توربین بادی به وضوح برای یک توربین که سرعت روتور آن متغیر می‌باشد نشان داده خواهد شد. محاسبه‌ی راندمان توربین بر اساس نقصان سرعت در ویک (Wake) مربوط به هر توربین بادی منفرد می‌باشد.

در برخورد سیال هوا با سرعت V₁ (که معادل سرعت باد است) از میان پره‌های توربین موجب چرخاندن روتور شده که بخشی از انرژی جنبشی آن توسط توربین جذب شده و نهایتا جریان هوا باسرعت V₂ (که کم تر از سرعت ورودی (V₁) است ) از پره‌ها خارج می‌شود و هر چه سرعت خروجی هوا (V₂ ) کم‌تر باشد انرژی بیشتری از باد توسط دوربین دریافت می‌شود.

جرم هوایی که دریک ثانیه از میان پره ها عبور می‌کندرا با نماد (m) نمایش میدهیم که عبارت است از:

قدرت حاصل از باد توسط روتور، بستگی به جرم عبوری هوا از میان پره‌ها دارد که بر اساس قانون دوم نیوتن به شرح زیر است:

در نهایت نسبت قدرت قابل استحصال به قدرت نهایی به صورت زیر خواهد بود:

مطالعات نشان داده‌اند در حالت تئوری حداکثر مقدار V2/V1 برابر ۱/۳ می‌باشد لذا نسبت P/P0 برابر ۰٫۵۹ محاسبه می‌شود. این بدین معناست که در حالت تئوری ۵۹ درصد انرژی باد توسط توربین‌های بادی قابل استحصال می‌باشد ولی در حال حاضر این نسبت برای توربین های ساخته شده ۰٫۲ تا ۰٫۴ می‌باشد .

جریان های گردابی (ویک) تولید شده در پشت توربین‌ها در اثر نقصان سرعت باد ایجاد شده که تا حد زیادی به هندسه‌ی پره ها نیز وابسته است. این جریان‌های گردابی در صورتیکه فاصله‌ی بین دو توربین در مزراع بادی رعایت نشود باعث ایجاد اختلالاتی در توربین‌ها می‌شود. یکی از بارزترین این اختلال‌ها ایجاد ارتعاش و اثر خستگی در اثر بارهای متناوب بر روی پره‌های توربین است ضمن این که باد خروجی از توربین در برخورد با توربین بعدی دارای انرژی کافی نبوده و نمی‌تواند راندمان کافی در آن ایجاد نماید لذا رعایت فاصله‌ی مناسب بین توربین‌های بادی در یک مزرعه باد، تاثیر قابل ملاحظه‌ای در راندمان توربین داشته و اثرات جریان‌های گردابی (ویک) در پشت توربین‌ها را کاهش می‌دهد .

منابع

بازدیدها: 382