توربین بادی چیست و چگونه کار میکند ؟ انرژی حاصل از نیروی باد یکی از قدیمیترین و شناخته شده ترین انرژی های تجدید پذیر است که از اوایل قرن 21 ام میلادی اهمیت ویژه ای پیدا کرده است. از حدود سال 2000 میلادی تا اکنون میزان تولید انرژی از باد، روز به روز در حال افزایش بوده و در حال حاضر بیشترین سهم را در میان انرژی های تجدید پذیر به خود اختصاص داده است.

توربین بادی چیست؟

برای استفاده و کنترل نیروی باد به تجهیزاتی نیاز است که به آن توربین بادی ( به انگلیسی Wind Turbine) گفته می شود. توربین ها وسیله هایی هستند که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. نیروی باد باعث چرخش پره های توربین شده و آن ها را به حرکت در می آورد، این نیروی حاصل از چرخش پره ها توسط شفت به ژنراتور منتقل شده و در ژنراتور به برق تبدیل می شود.

اساسا دو نوع توربین بادی با محور عمودی و توربین بادی با محور افقی وجود دارند، که هر دو را می توان برای تولید انرژی الکتریکی هم در خشکی و هم بر روی آب (همانند دکل های نفتی در وسط دریا) استفاده کرد.  توربین های بادی را می توان به صورت ترکیبی در فرم خوشه ای استفاده کرد که اصطلاحا به آن “مزرعه باد” گفته می شود و توسط شرکت های بزرگ برای تامین انرژی پشتیبان مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر تولید انرژی الکتریکی که به آن اشاره شد، از این انرژی می توان برای آسیاب کردن دانه ها، پمپ کردن آب، شارژ کردن باتری ها و … استفاده کرد.

اجزای اصلی یک توربین بادی

یک توربین بادی دارای اجزای مختلفی است که هر کدام از آنها در تولید برق نقش خاص خود را ایفا می کنند. در ادامه به معرفی اجزایی می پردازیم که فارغ از نوع طراحی در همه توربین ها وجود دارند.

بادسنج (Anemometer):

سرعت باد را اندازه گیری کرده و اطلاعات را به واحد کنترل میفرستد.

تیغه (Blade):

تیغه ها اجزایی هستند که در برابر باد قرار می گیرند، هنگامی که با به تیغه ها برخورد می کند باعث چرخش آنها می شود. اکثر توربین ها دارای 2 یا سه تیغه هستند.

چرخانه یا روتور (Rotor):

روتور بخش متحرک و چرخان سیستم است که تیغه ها به آن متصل هستند. با چرخش تیغه ها بوسیله باد، روتور نیز شروع به چرخش می کند.

ترمز (Brake):

ترمز در موارد ضروری برای متوقف کردن روتور استفاده می شود.

کنترل کننده (Controller):

وطیفه این بر قسمت بالای خش خاموش و روشن کردن اتوماتیک توربین است. اگر سرعت باد بین 13 تا 25 کیلومتر بر ساعت باشد کنترل کننده توربین را روشن می کند و اگر سرعت باد بیشتر از 90 کیلومتر بر ساعت باشد توربین را خاموش می کند. سرعت زیاد باد می تواند به اجزای توربین آسیب برساند.

جعبه دنده (Gear box):

گیربکس یا جعبه دنده با مرتبط کردن شفت های با سرعت کم و زیاد، باعث تغییر در سرعت چرخش می شود. برای تولید برق سرعت چرخش در حدود 30-60 دور بر دقیقه تا 1000-1800 دور بر دقیقه است. جعبه دنده ها هم هزینه بالایی دارند و هم وزن زیادی دارند، از این رو مهندسان در پی ساخت توربین هایی هستند که نیازی به جعبه دنده نداشته باشند.

ژنراتور (Generator):

ژنراتور انرژی مکانیکی را از شفت گرفته و به الکتریسیته تبدیل می کند، در توربین های بادی معمولا ژنراتورها از نوع القایی هستند.

شفت سرعت بالا (High-speed shaft):

ژنراتور را درگیر می کند.

شفت سرعت پایین (Low-speed Shaft):

سرعت آن در حدود 30 تا 60 دور بر دقیقه است.

پوشش نگهدارنده (Nacelle):

در قسمت بالای توربین قرار می گیرد و جعبه دنده، شفت های سرعت پایین و بالا، ژنراتور، ترمز و کنترل کننده همگی در داخل آن قرار دارند. بعضی اوقات آندازه آن به قدری بزرگ است که یک هلیکوپتر می تواند روی آن بنشیند.

لبه یا پیچ (Pitch):

برای تنطیم دور روتور و همچنین جهت جلوگیری از چرخش آن در بادهای با سرعت بالا استفاده می شود.

برج (Tower):

بدنه اصلی که اجزای بر روی آن قرار می گیرند. جنس آن از فولاد، بتن و یا شبکه های فولادی است که از ساختار توربین پشتیبانی میکند. هرچه ارتفاع برج بیشتر باشد شدت باد بیشتر است و مقدار بیشتری انرژی می توان تولید کرد، اما همین سرعت زیاد باد باعث می شود که نیروی بیشتری به برج وارد شود.

جهت باد:

این پارامتر کل نحوه طراحی توربین را مشخص می کند. توربین ها به دو صورت روبه باد (Upwind) و پشت به باد (Downwind) طراحی می شوند. در طراحی Upwind روتور به سمت جهت باد قرار دارد و در روش Downwind برعکس است.

در شکل زیرحالت a مربوط به روش upwind و حالت b مربوط به روش downwind است. 

پره باد نما (Wind vane):

این وسیله جهت باد را اندازه گیری کرده و با برقراری ارتباط با منحرف کننده باعث قرار گیری توربین در مسیر باد می شود.

منحرف کننده (Yaw drive):

این وسیله جهت توربین های Upwind را برای قرار گرفتن در مسیر درست باد تغییر می دهد. توربین های Downwind به منحرف کننده نیاز ندارند.

توربین بادی چگونه کار می کند؟

اساس کار کلی توربین های بادی به قرار زیر است:

نیروی باد به پره ها می خورد و باعث حرکت آنها می شود ( طراحی پره ها شبیه به بال هواپیماست و سرعت متفاوت باد در دو طرف پره باعث ایجاد نیرو در زیر پره شده و پره را به سمت بالا حرکت می دهد)، پره ها که به روتور متصل هستند در یک مسیر دایره ای حرکت میکنند و این حرکت چرخشی را به روتور منتقل می کنند. با چرخش روتور، شفت سرعت پایین که به روتور وصل است شروع به چرخیدن می کند. شفت سرعت پایین از طریق جعبه دنده به شفت سرعت بالا مرتبط می شود (این کار باعث می شود که سرعت شفت متصل به ژنراتور تا حدود 1800 دور بر دقیقه بالا رود  و برای تولید برق مناسب شود). شفت سرعت بالا نیز به ژنراتور متصل شده و محور آن را به حرکت در می آورد، در نهایت ژنراتور این نیروی مکانیکی را به نیروی الکتریکی تبدیل میکند.

علاوه بر اجزایی که در بالا شرح داده شد، اجزای دیگری نیز در توربین وجود دارند که برای عملکرد آن ضروری هستند و در قسمت اجزای توربین های بادی شرح داده شده اند.

توربین بادی در ایران

از دیرباز انسان به نیروی عظیم باد و فایده های آن پی برده است و همواره سعی در کنترل آن داشته است. قایق های بادبانی شاید اولین استفاده انسان از باد در طراحی یک وسیله باشد. محققان قدمت استفاده از نیروی بادی در ایران را حدودا 1000 سال قبل از میلاد مسیح می دانند. آسیاب های بادی برای آسیاب کردن دانه های محصولات و انتقال آب از چاه به طور گسترده در ایران باستان مورد استفاده قرار می گرفته اند.

در حال حاضر نیروگاه های بادی مختلفی همچون نیروگاه های بادی منجیل، بینالود، کهک، قزوین و سیستان و بلوچستان در حال فعالیت و تولید برق هستند و نیروگاه های دیگری نیز در حال ساخت و بهره برداری هستند. علی رغم کارهایی مثبتی که در این زمینه انجام شده است، سهم نیروگاههای بادی در تولید برق کشور بسیار اندک است و با مقدار 1690 مگاواتی در سال 2025 که در برنامه پنجم توسعه تعریف شده است، فاصله فراوانی دارد.

شرکت مپنا که یکی از بزرگترین هلدینگ های مهندسی کشور است، در تولید توربین های بادی گام های موثری برداشته و مزرعه بادی موجود در تاکستان قزوین توسط این شرکت راه اندازی شده است. توربین های این مزرعه دارای 85 متر ارتفاع، 300 تن وزن و سه پره هرکدام به طول 53 متر است.

 چشم انداز انرژی بادی در آینده

باد، نور خورشید، موج دریا، گرمای زمین و … از جمله عوامل طبیعی هستند که امروزه به عنوان منابعی بی پایان برای انرژی شناخته می شوند. این انرژی ها که با عنوان انرژی های نو یا انرژی های تجدید پذیر شناخته می شوند، منابعی نا محدود از انرژی را در اختیار ما می گذارند و بازار استفاده از آنها روز به روز در حال گسترش است. همیشه در دسترس بودن، منبع نامحدود، عدم آسیب به محیط زیست و … از جمله عواملی هستند که باعث محبوبیت این انرژی ها در بین دولت ها و تامین کنندگان انرژی شده اند. در حال حاضر کشورهای عضو اتحادیه اروپا بیشترین میزان تولید را در این زمینه دارند و بر اساس پیش بینی های صورت گرفته تا سال 2040 سهم قابل توجهی از بازار انرژی را به خود اختصاص داده و کم کم جایگزین منابع فسیلی خواهند شد.

 منابع

The Inside of a Wind Turbine. (n.d.). Retrieved February 25, 2019, from https://www.energy.gov/eere/wind/inside-wind-turbine

What is a Wind Turbine and How Do Wind Turbines Produce Electricity? (2016, December 25). Retrieved February 25, 2019, from https://www.conserve-energy-future.com/windturbines.php

پایگاه خبری صنعت برق – برق نیوز BarghNews. (n.d.). سهم ایران از انرژی‌های بادی؛ تقریبا هیچ. Retrieved from http://barghnews.com/fa/news/30430/

 

مرکز پژوهش صنایع شیمیایی تهران
2 پاسخ
  1. مهدی پورراهدار
    مهدی پورراهدار گفته:

    باسلام
    .ممنون بابت اطلاعاتی که در مورد توربین ها ی بادی در اختیار ما گذاشتین
    .خیلی عالی بود.واقعا دستتون درد نکنه.

    پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *