توربین بادی چیست و چگونه کار میکند؟

در سالهای اخیر با گرم تر شدن زمین و به طبع آن خطرات ایجاد شده از قبیل آب شدن یخ های قطبی و از بین رفتن زیستگاه های جانوران قطبی و همچنین آلودگی زیست محیطی ناشی از سوزاندن سوخت های فسیلی، سرمایه گذاری و توجهات جدی به انرژی های پاک و تجدیدپذیر نظیر انرژی باد، انرژی خورشید و…معطوف گشته است. استفاده از انرژی باد توسط توربین های بادی و انرژی خورشید هم توسط پانل های خورشیدی دریافت و تبدیل به سایر اشکال انرژی مورد نیاز بشر می گردند.در این مقاله قصد داریم توربین های بادی،نحوه کار آنها و اجزای تشکیل دهنده آنها و همچنین بزرگترین توربین جهان را بررسی نماییم پس با ما همراه باشید.

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.

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.

انواع توربین بادی :

بر اساس ساختار این تجهیزات را می توان به دو دسته توربین بادی با دو محور عمودی و توربین بادی با دو محور افقی تقسیم بندی نمود 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.

نوع محور افقی رایج تر بوده و بیشتر از آن استفاده می شود، نکته مهم در خصوص این نوع از توربین ها این است که تیغه ها باید مستقیم در مسیر باد قرار گیرد بنابراین تنظیم دقیق آن برای بازدهی اهمیت بالایی دارد.

نوع محور عمودی نیز عملکردی مشابه داشته ولی محور آن عمودی است و به خاطر شکل خاص پره ها نیازی به تنظیم خاصی ندارد و در هر مسیری نسبت به باد می تواند بازده مناسبی داشته باشد.شکل زیر یک نمونه از انواع این توربین هاست.

اجزای اصلی یک توربین بادی چیست؟

آنچه که در نگاه اول به نظر می آید سادگی ساختار این تجهیزات پر کاربرد است اما با نگاهی دقیقتر اجزای مختلفی را می توان یافت که هر یک تاثیر مهمی در کارکرد صحیح توربین های دارند.در ادامه به معرفی اجزایی می پردازیم که فارغ از نوع طراحی در همه توربین ها وجود دارند.

1- بادسنج (Anemometer):

وظیفه این بخش اندازه گیری سرعت باد و ارسال مقادیر آن به واحد کنترل می باشد.

2- تیغه (Blade):

تیغه ها را می توان یکی از مهمترین اجزای یک توربین بادی دانست.برخورد باد با این تیغه ها باعث چرخش آنها و شروع تولید الکتریسیته می گردد اکثر توربین ها دارای 2 یا سه تیغه هستند.در نوع محور عمودی این تیغه ها ساختار پیچیده تری دارند اما در هر دو حالت نحوه عملکردشان یکسان است.

3- 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.

4- ترمز (Brake):

ترمز عمدتا برای شرایط تعمیرات و یا خرابی (شرایط اضظراری ) استفاده می شود و بوسیله آن می توان چرخش پره ها را متوقف کرد.

5- کنترل کننده (Controller):

کنترلر مغز متفکر توربین محسوب می شود، عامل مهم در این تجهیزات سرعت باد است،شاید تصور کنید سرعت بیشتر باد باعث افزایش بازدهی توربین می شود اما همیشه این چنین نیست.توربین ها عمدتا زمانیکه سرعت باد بین 13 تا 25 کیلومتر بر ساعت باشد بیشترین بازدهی را ثبت می کنند و در سرعت های کمتر معمولا غیر فعال هستند.سرعت های بالاتر می تواند باعث آسیب به اجزای مختلف توربین و تحمیل هزینه بالای نگداری شود.همانطور که قبلتر اشاره کردیم باد سنج اطلاعات مربوط به سرعت باد را اندازه گیری و به کنترلر ارسال می کند، کنترلر نیز با توجه به این میزان به صورت خودکار توربین را خاموش یا روشن می کند.

6- 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 قطعاتی اصطحلاکی هستند و هزینه ساخت و نگهداری بالایی دارند از این رو مهندسان در پی ساخت توربین هایی هستند که نیازی به جعبه دنده نداشته باشد.

7- 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.

8- شفت سرعت بالا (High-speed shaft):

ژنراتور را درگیر می کند.

9- شفت سرعت پایین (Low-speed Shaft):

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

10- 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.

11- لبه یا پیچ (Pitch):

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

12- 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. از طرفی وزن تجهیزات نیز بسیار زیاد بوده بنابراین استحکام سازه آن بسیار مهم است،

13- 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.

14- 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.

15- 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؟

شرح عملکرد به این صورت است که 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 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 در نهایت ژنراتور این نیروی مکانیکی را به نیروی الکتریکی تبدیل میکند.

بیشتر بخوانید :

سلول خورشیدی چیست؟چگونه سلول خورشیدی بسازیم؟

کاربرد در ایران :

در حال حاضر نیروگاه های توربین بادی مختلفی همچون نیروگاه های 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. در تصویر زیر بخشی از نیروگاه بادی شهر منجیل را مشاهده می نمایید

 انرژی هایی 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 از طریق ساخت توربین ها و صفحه های خورشیدی از این گونه های انرژی استفاده می کنند.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.

پرسش و پاسخ :

در ادامه چند سوال رایج را پیرامون این تجهیزات بررسی خواهیم کرد:

چرا توربین ها سه پره دارند؟

این موضوع کاملا به مسائل مهندسی و بازدهی بر می گردد.طبق محاسبات انجام شده داشتن سه پره در توربین های بادی در کنار بازدهی مناسب هزینه ساخت و نگهداری معقولی داشته بنابراین می توان گفت تعداد پره ها تنها حاصل موازنه بازدهی و هزینه تمام شده ساخت و نگهداری توربین است.

توربین رو به باد(Upwind) و پشت به باد(Upwind) چه تفاوتی دارند؟

شاید کمتر به جهت قرار گیری این تجهیزات دقت کرده باشید اما جالب است بدانید نوع  قرارگیری آنها نسبت به باد نیز مفاوت است.تفاوت این دو نوع توربین جدا از نحوه قرارگیری در ساختار تیغه هاست، در نوع پشت به باد تیغه ها انعطاف پذیر طراحی می شوند تا با اندکی جا به جایی فشار باد روی برج را کاهش دهند.

بزرگترین توربین بادی جهان کدام است ؟

بزرگترین پروژه توربین بادی جهان مربوط به پروژه Dogger Bank بوده که ظرفیت تولید 3.6 گیگاوات انرژی الکتریکی را فراهم می کند،این توربین توسط شرکت جنرال الکتریک با هزینه 10 میلیارد دلاری  در دریای شمال (سواحل یورکشایر) ساخته شده است و نزدیک به 850 فوت ارتفاع دارد.گفته می شود این پروژه بعد از تکمیل فازهای آن به تنهایی 5 درصد از انرژی برق انگلستان را تامین نماید