انواع توربین‌ بادی و چگونگی کارکرد آن‌ها

توربین‌های بادی به‌طور کلی انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. امروزه با افزایش تقاضای انرژی و رو به اتمام بودن منابع سوخت فسیلی، بهره‌برداری از منابع پاک انرژی بیش از پیش اهمیت پیدا‌کرده است. انرژی باد نیز یکی از منابع مهم انرژی‌های تجدید‌پذیر است که در عین پاک بودن، به‌طور رایگان و نامحدود در اختیار همه قرار دارد.

نیروگاه بادی کشور چین به نام نیروگاه “گانسو – Gansu” در حال حاضر از ۸۰۰۰ مگاوات برق تولید میکند.

(این درحالیست که بزرگترین نیروگاه سیکل ترکیبی خاورمیانه به نام دماوند که در کشورمان واقع شده است با ۱۲ واحد دارای توان تولیدی ۲۵۰۰مگاوات می باشد!)

نیروگاه گانسو در سال ۲۰۱۲ تاسیس گردیده و قرار است تا سال ۲۰۲۰ توان تولیدی خود را به ۲۰۰۰۰ مگاوات برساند.

چگونگی بهره‌برداری از انرژی باد و هر آنچه درباره توربین‌های بادی باید بدانید، موضوع اصلی این نوشته است. با مجله‌ی خط مهندسی همراه باشید تا به دنیای پر سر و صدای توربین‌های بادی برویم :

توربین بادی چیست؟

توربین بادی به‌طور کلی ماشینی است که انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

در توربین‌های بادی پره‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که با وزش باد به گردش درآیند. گردش پره‌ها محور درونی روتور توربین را می‌چرخاند و در نهایت بعد از تبدیل گشتاور به سرعت دورانی در جعبه‌دنده (گیربکس)، توان مکانیکی به توان الکتریکی تبدیل می‌شود.

اساس کار توربین‌های بادی را بیان کردیم. اما آیا واقعاً به همین سادگی است؟!

انواع توربین‌های بادی

توربین‌های بادی بر اساس جهت گیری محور دورانی، به دو دسته‌ی محور افقی و محور عمودی تقسیم می‌شوند:

توربین‌های بادی محور افقی (HAWT)

توربین های بادی با محور افقی که به اختصار HAWT یا (Horizontal Axis Wind Turbines) نیز نامیده می‌شوند، رایج ترین نوع توربین‌های بادی مورد استفاده هستند.

همه اجزا توربین (پره‌ها، جعبه دنده، ژنزاتور و …) بالای برجی بلند و در راستای باد قرار می‌گیرند. این توربین‌ها برای رسیدن به بیشترین بازدهی باید دقیقاً در جهت وزش باد قرار گیرند، لذا توربینهای محور افقی باید سیستمی برای تنظیم در مقابل باد قرار گرفتن 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 به وسیله سنسورهای تعیین کننده جهت باد و موتورها، ناسل به سمت باد می‌چرخد.

مزایای توربین افقی

• بلندی برج امکان دسترسی به باد‌های پر‌توان را فراهم می‌کند. در برخی مکان‌ها به ازای هر ۱۰ متر افزایش ارتفاع سرعت باد ۲۰ درصد و بازدهی ۳۴ درصد افزایش می‌یابد.
• به دلیل پایه‌های بلند و مکانیزم پیشرفته، امکان استفاده از این توربین‌ها در دریا‌ها نیز وجود دارد.
• به دلیل قرار گرفتن مستقیم در مقابل وزش باد، بازدهی بالایی دارند.

معایب توربین افقی

• 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

توربین‌های بادی محور عمودی (VAWT)

در توربین‌های بادی با محور عمودی که به اختصار VAWT یا (Vertical Axis Wind Turbines) نامیده میشوند، روتور اصلی به صورت عمودی قرار میگیرد. مهمترین مزیت توربین بادی عمودی این است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت باد ندارند و همچنین در ارتفاع کم نیز می‌توان از آن‌ها استفاده کرد.

در توربین‌ها یا روتورهای محور عمودی، محور دوران عمود بر سطح زمین و چرخش تیغه ها به موازات زمین است. و به همین دلیل سطحی که توسط باد به حرکت در می‌‏آید پس از نیم دور چرخش مجبور است در جهت عکس 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 از اهمیت خاصی برخوردار است.

در توربین‌های بادی محور عمودی، اجزا مانند ژنراتور می‌توانند در نزدیکی زمین قرار گیرند، بنابراین برج نیاز به مراقبت از آن ندارد و تعمیرات و نگهداری آسان‌تر است.

چون این توربین‌های بادی می‌بایست نزدیک‌تر به سطح زمین نصب شوند و در ارتفاع کم، سرعت باد کمتر است، انرژی کمتری از سایز مشخص توربین تولید می‌شود. جریان هوا نزدیک زمین و دیگر اشیا می‌تواند جریان مغشوش ایجاد کند که باعث پیامدهای لرزش، شامل سروصدا و خستگی یاتاقان‌ها می‌شود و در نتیجه هزینه‌ی نگهداری ممکن است افزایش یابد و عمر کاری کم شود.

این توربینها به دو نوع اصلی ساونیوس (Savonius) و داریوس (Darrieus) تقسیم بندی می شوند.

مزایای توربین های عمودی :

• توربین‌های بادی عمودی به جهت باد و آشفتگی جریان حساسیت کمتری دارند، این مزیت باعث می‌شود بتوان از آن‌ها در مناطق مختلف از جمله پشت بام ساختمان‌ها استفاده کرد.
• هنگام وزش باد‌های مغشوش و گردابه‌ای عملکرد مناسبی دارند.
• توربین‌های بادی عمودی را می‌توان در فاصله نزدیک به زمین نصب کرد که این موضوع باعث امنیت و ارزانی، همچنین آسانی تعمیر و نگهداری می‌شود.
• نیازی به سیستم جهت یابی یاو (Yawing) ندارند.

معایب توربین های عمودی :

• در توربین‌های عمودی هنگام وزش باد، نیروی مخالفی به طرف دیگر توربین نیز وارد می‌شود. بنابراین بازدهی آن‌ها در هر دوره تناوب نسبت به توربین‌های محور افقی 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 بهبود بخشید.
• به دلیل اغتشاش جریان زیاد، سازه‌ی توربین‌های بادی عمودی در معرض خستگی قرار دارد. این مسئله نیز با پیش‌بینی بار‌های آیرودینامیکی تا حد زیادی قابل بهبود است.

اجزا تشکیل دهنده توربین بادی

در این بخش، اجزا اصلی تشکیل دهنده‌ی یک توربین بادی با محور افقی را شرح می‌دهیم.

بخش دوار یا روتور (Rotor)

روتور توربین بادی در واقع همان بخش دواری است که پره‌ها با آن متصل شده و دوران می‌کنند. پره‌ها، هاب، دماغه و یاتاقان‌های پره، روتور را تشکیل می‌دهند. روتور توربین‌های بادی با محور افقی(HAWT)، عمود بر جهت باد دوران می‌کند. در حالیکه جهت دوران روتور توربین‌های عمود محور(VAWT)، 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 تدابیری اندیشیده می‌شود.

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 می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند.

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. طراحی و تحلیل پره‌های آیرودینامیکی از آن دسته مسائل مهندسی است که عدم قطعیت آن بسیار زیاد است.

تعداد پره‌ها در توربین‌های بادی متغیر است (معمولاً دو یا سه پره)، پهنای پره (یا کورد) نیز، بسته به شرایط محیط 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 کاهش سرعت دوران روتور را فراهم کرد.

برج یا پایه (Tower)

بسته به اندازه توربین و شرایط طراحی، انواع متفاوتی از برج‌ها استفاده می‌شود. برج‌های استوانه‌ای بتنی، فولادی و کامپوزیتی رایج ترین برج‌ها برای کاربرد‌های تجاری در مقیاس نیروگاهی 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 وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین استحکام برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می گردد چرا که احتمال همسان شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می گردد وجود دارد.

سیستم انتقال قدرت (Transmission)

سیستم انتقال قدرت به وسیله یک جعبه دنده پیشرفته محور با گشتاور بالا و سرعت کم (سمت روتور) را به محور پر سرعت (سمت ژنراتور) متصل می‌کند.

در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد 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.

عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرار می‌گیرد: گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای.

سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقان‌ها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد.

همچنین سیستم انتقال قدرت، سرعت محور ورودی به ژنراتور را نیز 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 نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتر است. بعضی از توربین‌های باد 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.

به نقل از سایت برق قدرت

توربین‌های بادی به نیروگاه‌های ژنراتور آسنکرون (القایی) معروف اند و می‌توان به راحتی اظهار نمود که جزء معدود نیروگاه‌هایی هستند که در آن‌ها ژنراتور القایی نه چندان محبوب در زمینه تولید برق را مشاهده می‌نماییم.

موتورهای القایی یکی از محبوبت ترین ماشین ها در صنایع سنگین و حتی لوازم خانگی هستند اما این بخت و اقبال برای ژنراتور‌‌های القایی به دلیل محودیت‌‌های ذاتی آن‌ها چندان فراهم نشد تا اینکه توربین های بادی باعث تغییر نگاه‌ها به سمت این نوع ژنراتور ها گردید اما چرا؟

بصورت معمول ژنراتور های سنکرون گزینه ی بسیار مطلوب برای تولید انرژی الکتریسته هستند و دلیل آن هم نبود احتیاج به شبکه برق می باشد. این جمله به چه معناست؟ دقت نمایید یک ژنراتور سنکرون نیاز به یک ولتاژ DC جهت تحریک رتور داشته و در کنار آن اگر رتور را نیز به چرخش در بیاوریم در نهایت به ما توان الکتریکی تحویل می دهد در این میان تنها مورد خاص احتیاج به سرعت ثابت است.

نخستین نیروگاه های بادی با ژنراتور های سنکرون شروع به کار کردند که مشکلات زیادی را به‌همراه داشتند چرا که باد در حال وزش سرعت ثابتی نداشته و در هر زمان سرعت آن در حال تغییر می باشد و اگر همین باد با سرعت متغیر، رتور ژنراتور سنکرون را بچرخاند عملا برق تولیدی امکان استفاده نخواهد داشت یا هزینه بهبود آن بالا است چرا که سرعت متغییر در این نوع ژنراتور (سنکرون) یعنی تولید ولتاژ با فرکانس های مختلف که نیاز به اینورتر و کانورتر می بود تا ولتاژ تولیدی نامطلوب را به ولتاژ مطلوب (فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز و کاملا سینوسی) تبدیل نماید و البته ژنراتور سنکرون باید در سرعت سنکرون کار کند تا بازده حداکثری را داشته باشد در این میان قطعات مکانیکی نصب کردند که سرعت چرخش پرها را تنظیم می کرد تا به سرعت سنکرون برسند و در نهایت تصیمیم بر آن شد از این نوع ژنراتور استفاده نکنند. اما جایگزین چه بود؟

ژنراتور آسنکرون گزینه دوم بود اما اجازه بدهید دلیل عدم استفاده این نوع ژنراتور را توضیح بدهیم؛ اگر شما یک موتور آسنکرون را در اختیار داشته باشید برای تبدیل آن به یک ژنراتور باید آن را با سرعتی بیشتر از سنکرون (Ns=(120*fs)/P) به چرخش در بیاورید اما مشکل کجاست؟

اگر شما یک ماشین (ژنراتور یا موتور) آسنکرون را به وسیله‌ای گردان (توربین بادی، آسیاب آبی) وصل (کوپل) نمایید و از این اطمینان داشته باشید که سرعت چرخش نیز بالاتر از سرعت سنکرون می باشد نباید انتظار تولید توان داشته باشید! چون صرفا یک قطعه آهنی بدون میدان مغناطیسی را می چرخانید، مشکل نه چندان جالب ژنراتور آسنکرون اینجاست که باید به شبکه برق سراسری دقیقا شبیه یک موتور برقی وصل شود به زبان ساده شما موتور آسنکرون خود را به برق شهری متصل نمایید شروع به چرخش می کند اگر در حین چرخش آن را به وسیله‌ای به عنوان نیروی محرکه وصل نمایید که می‌چرخد و سرعت آن از سرعت سنکرون بیشتر است (از سرعت موتور ما بیشتر باشد) موتور شما دیگر یک موتور نیست بلکه تبدیل به یک ژنراتور شده است و به جای دریافت توان از شبکه در حال تزریق توان اکتیو به شبکه است و اگر محرک شما سرعتش کم تر از سرعت سنکرون شود ژنراتور ما به سرعت تبدیل به یک موتور مصرف کننده می‌گردد.

با توجه به توضیحات بالا تا کنون دریافته اید که چرا باید از ژنراتور آسنکرون در توربین بادی استفاده کرد زیرا تنها نیاز به سرعت بالاتر از سرعتی مشخص (سنکرون) می باشد نه یک سرعت ثابت به زبان ساده تر اگر سرعت باد تغییر کرد نیز مشکلی به وجود نمی اید به طور مثال سرعت باد بیشتر شود بهتر؛ توان اکتیو بیشتر تولید می شود در نظر داشته باشید سیم بندی و یا قطب بندی ژنراتور به صورتی شکل می گیرد که سرعت سنکرون مورد نظر عددی پایین باشد تا با کمترین میزان باد هم از سرعت سنکرون بالا زده و توان اکتیو تولید کند البته در این میان تدابیر مکانیکی نیز اندیشیده شده تا سرعت با چرخدنده‌ هایی افزایش یافته و به حد مورد نظر برسد.

نسل جدید ژنراتورها:

در این قسمت به بیان ماشین‌های شار محور می پردازیم که نسل بعدی ماشین‌ها می باشند، تمامی ماشین‌های امروزی اعم از موتور و ژنراتور در دسته ماشین‌های شعاعی (Radial) قرار میگیرند بدین صورت که شار در راستای شعاع در ماشین توزیع می گردد. در حالی که در ماشین های شار محور (Axial Flux) شار در راستای محور توضیع می شود. ماشین های شار محور (AFM) در حال توسعه سریع و گسترده اند و حتی در مدل های ساده خود توانستند چشم محققان را به بازده های بیش از ۹۰ درصد خود خیره کنند و این درحالیست که ماشین های الکتریکی (ژنراتور و موتور) امروزی در لبه ی بازده ی ۴۵ تا ۵۶ درصد قرار دارند.

ماشین های شار محور (AFM) در حال توسعه سریع و گسترده اند و حتی در مدل های ساده خود توانستند چشم محققان را به بازده های بیش از ۹۰ درصد خود خیره کنند

هم اکنون شرکت‌های پیشرو در زمینه برق در حال طراحی نمونه های شگفت انگیز توربین های بادی نسل جدید هستند که تنها تفاوت آن استفاده از همین ژنراتور های شار محور می باشد که هیچ کدام از مشکلات مدل “سنکرون” و “آسنکرون” را نداشته و در کنار این همه مزیت بازه بالای ۹۰% را نیز برای نیروگاه به ارمغان آورده است.

این نوع ژنراتور ها با هر سرعتی چرخیده شوند توان تولید کرده و به همین دلیل برای نیروگاه‌های خانگی بسیار جذاب هستند.

سیستم انحراف جنبی یا یاو (Yaw Drive)

توربین‌های بادی افقی باید در جهت مستقیم باد قرار گیرند. سیستم انحراف جنبی یا یاو به این منظور طراحی شده است. در واقع این سیستم مانند گل آفتاب گردان عمل می‌کند و توربین را رو به باد (به جای آفتاب) قرار می‌دهد.

ترمز (Brake)

در توربین های بادی با ظرفیت بسیار پایین ( ١ الی ۵ کیلووات) معمولاً از سیستم‌های ترمز کفشکی استفاده می‌شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره ها نیروی زیادی مورد نیاز نیست. در توربین های بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می شود.

کنترل چرخش عمودی پره‌ها (Pitch Control)

در توربین‌های پیشرفته برای جلوگیری از دوران روتور در باد‌های شدید، پره‌ها حول محور عمودی خود گردانده می‌شوند تا حداقل نیروی ممکن را از باد دریافت کنند.

در ویدیو زیر این سیستم فوق‌العاده را مشاهده می‌کنید‌ :

بادسنج (Anemometer)

این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به کنترل کننده‌ها انتقال میدهد.

توربین بادی چگونه کار می‌کند؟

قبل از شرح نحوه کار توربین بادی، لازم است نیروی‌های پسا و برآ را شرح دهیم :

وقتی باد به یک پره می‌وزد به آن نیرو وارد می‌کند. اگر این نیرو را به دو مؤلفه‌ی در جهت باد و عمود بر جهت باد تقسیم کنیم، 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 که در رشته‌هایی مانند مهندسی مکانیک و هوافضا بررسی می‌شوند.

همانطور که در شکل می‌بینید، سطح آیرودینامیکی پره باعث ایجاد اختلاف فشار و یک نیروی بالا برنده‌ی برآ می‌شود. توربین‌های بادی محور افقی بر اساس ایجاد نیروی برآ یا لیفت روی پره‌هایشان کار می‌کنند و توربین‌های بادی با 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 با نیروی پسا یا برا، پره‌ها به حرکت در می‌آیند و محور توربین را (افقی یا عمودی) می‌گردانند. 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.

بزرگترین توربین‌های بادی جهان در دریا

در آخر توجه شما را به تماشای ویدیو زیر جلب میکنیم

شرکت دانمارکی (Dong Energy) اخیراً ۳۲ توربین بادی غول پیکر را در خلیج لیورپول به بهره برداری رسانده است.
ویدیو مربوط به این نیروگاه بادی را با حجم کم تماشا کنید :

با نظرات خود ما را یاری نمایید.

جمع‌آوری و نگارش: خط مهندسی
منبع: خط مهندسی