روش کار توربین‌ بادی و انواع آن

ستاره | سرویس علوم - آیا تاکنون این موضوع که توربین‌های بادی چگونه کار می‌کنند شما را به فکر واداشته است؟ توربین‌های بادی مانند ملخ‌های هواپیما بدون حرکت از جای خود بر روی محوری مشخص به چرخش درمی‌آیند. در هر صورت، آن‌ها برای برآوردن هدفی مفید می‌چرخند؛ به این معنی که یک انرژی محبوس شده در باد وجود دارد و اجزای گرداننده عظیم الجثه این توربین‌ها می‌توانند قسمتی از این انرژی را به کنترل درآورده و فورا به الکتریسیته تبدیل کنند. در ادامه از نزدیک به این موضوع نگاه می‌اندازیم!

یک توربین، مانند آنچه در یک مزرعه بادی وجود دارد، ماشینی است که بر محور یک جسم سیال (مایع یا گاز) میچرخد و مقداری از انرژی موجود را به کنترل درمی‌آورد. تمام انواع ماشین‌ها، از موتور‌های جت تا موتور‌های برق هیدروالکتریکی و از لوکوموتیو‌های دیزلی راه آهن تا ویندمیل‌ها، از توربین استفاده می‌کنند، حتی ویندمیل اسباب بازی بچه‌گانه نوعی توربین محسوب می‌شود.


پره‌های عظیم الجثه چرخان جلوی یک توربین بادی تنها بخشی از توربین هستند. این پره‌ها مانند بال‌های ایرودینامیکی هواپیما دارای یک شکل کمانی خاص هستند. هنگامی که باد به پشت بال‌های هواپیما می‌وزد، آن‌ها را با نیرویی که ما آن را لیفت می‌نامیم، به جلو میراند؛ وقتی هم که باد به پشت پره‌های توربین می‌وزد موجب می‌شود تا پره‌ها شروع به چرخش کنند. در این مواقع مقداری از انرژی جنبشی باد تلف می‌شود و توربین بادی به همان میزان انرژی دریافت می‌کند. همان طور که پیشبینی می‌شود، مقدار انرژی که توربین تولید می‌کند نسبت به محیطی که پره‌های چرخان آن به چرخش درمی‌آیند، تعیین می‌شود. به عبارت دیگر، هرچه پره‌ها از طول بیشتری داشته باشند، به همان میزان انرژی تولیدی توربین بادی افزایش می‌یابد. بدون شک وزش سریعتر باد نیز تأثیرگذار است، یعنی اگر سرعت وزش باد دو برابر شود، هشت برابر انرژی بالقوه در دسترس توربین قرار خواهد گرفت، زیرا نسبت انرژی موجود در باد عبارت است از سرعت باد به توان سه!

سرعت باد همواره در حال تغییر است، پس الکتریسیته تولیدی یک توربین خاص هم به همان میزان متغیر خواهد بود. از این رو اتصال تعداد زیادی توربین بادی در چهارچوب یک مزرعه بزرگ و اتصال مزارع بادی فراوان واقع در مناطق مختلف در چهارچوب شبکه نیروی ملی به تولید نیروی ثابت بسیار بیشتری خواهد انجامید.

هرچند در این مقاله درباره "توربین‌های بادی" بحث می‌کنیم، اما توربین تنها یکی از قسمت‌های داخل این ماشینهاست. در بسیاری از توربین‌ها (البته نه تمام آن‌ها) جعبه دنده یکی از قسمت‌های کلیدی دیگر است که دنده‌های آن چرخش نسبتاً آهسته پره‌ها را به حرکتی با سرعت بیشتر تبدیل می‌کند (میل لنگ را با سرعت تقریبا مناسبی برای نیرو بخشیدن به مولد الکتریسیته می‌چرخاند).

مولد یکی از قسمت‌های اصلی تمام توربین‌ها است و آن را می‌توان تا اندازه شبیه یک دینام دوچرخه در مقیاس بزرگ دانست. در هنگام دوچرخه سواری دینام مماس با چرخ‌های عقب شروع به چرخش می‌کند و الکتریسیته کافی برای روشن کردن یک لامپ را تولید می‌کند. همین فرآیند در توربین‌های بادی هم انجام می‌گیرد و تنها تفاوت این است که به جای چرخ‌های دوچرخه در اینجا پره‌های چرخان دینام مولد را به حرکت درمی‌آورند و لامپی که روشن می‌شود چندین کیلومتر دورتر در منزلی مسکونی واقع شده است. در عمل توربین‌های بادی انواع مولد‌هایی را که اصلا شباهت چندانی با دینام‌ها ندارند، بکار می‌گیرند.

۱. باد (هوای متحرک حاوی انرژی جنبشی) به پره‌های چرخان توربین برخورد می‌کند.
۲. روتور‌ها (گرداننده‌ها) بر محور خود می‌چرخند و مقداری از انرژی موجود در باد را می‌ربایند و میل لنگ مرکزی را، که آن‌ها را پشتیبانی می‌کند، به حرکت درمی‌آورند. هرچند لبه‌های خارجی پره‌های چرخان بسیار سریع حرکت می‌کنند، اما محور مرکزی (میل لنگ) متصل به آن‌ها سرعت دوران تقریباً آهسته‌ای دارد.
۳. در بسیاری از توربین‌های بزرگ امروزی پره‌های چرخان می‌توانند روی رینگ‌های جلو آن بچرخند، بنابراین باد در بهترین زاویه به آن‌ها می‌وزد. این ساختار را مکانیسم کنترل گام ملخ می‌نامند. در توربین‌های بزرگ موتور‌های الکتریکی کوچک و بازو‌های انتقال نیروی هیدرولیکی وظیفه چرخاندن پره‌ها را تحت کنترل الکترونیکی دقیق به عهده دارند. اما در توربین‌های کوچکتر معمولاً کنترل گام ملخ به صورت کاملاً مکانیکی انجام می‌شود. اما، از سوی دیگر، تعداد فراوانی از توربین‌ها دارای روتور‌های ثابت هستند و اساساً نیازی به کنترل گام ملخ ندارند.
۴. جعبه دنده داخل گهواره موتور (بدنه اصلی توربین که روی برج توربین و پشت پرهها قرار داده می‌شود) چرخش آهسته میل لنگ (حدود ۱۶ دور در دقیقه) را به چرخش با سرعت بالا (حدود ۱۶۰۰ دور در دقیقه)، که از سرعت کافی برای به حرکت درآوردن موثر مولد برخوردار است، تبدیل می‌کند.
۵. مولد که دقیقاً در قسمت پشت جعبه دنده قرار دارد، انرژی جنبشی را از میل لنگ در حال چرخش گرفته و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اگر یک مولد توربین ۲ مگاوات با ماکزیمم ظرفیت خود عمل کند می‌تواند ۲ میلیون وات نیرو در حدود ۷۰۰ را ولت تولید کند.
۶. بادسنج‌ها (ابزار‌های اندازه گیری خودکار سرعت) و بادنما‌های پشت گهواره موتور میزان سرعت باد و همچنین جهت وزش را مشخص میکنند.
۷. با استفاده از این اندازه گیری‌ها کل قسمت بالایی توربین (روتور‌ها و موتور) بر محور یک موتور قائم که در میان گهواره موتور و برج توربین قرار داده شده است، به چرخش درمی‌آید، به این ترتیب به صورت مستقیم در معرض وزش باد قرار گرفته و بیشترین میزان انرژی را می‌رباید. اگر هوا طوفانی و متلاطم باشد ترمز‌ها عمل کرده و به دلایل ایمنی، روتور‌ها را از چرخش بازمی‌دارند. همچنین امکان دارد در طول نگهداری عادی ترمز‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
۸. جریان الکتریکی تولید شده با مولد از طریق کابلی که از داخل برج توربین به پایین حرکت می‌کند، به جریان می‌افتد.
۹. ترانسفورماتور افزاینده، الکتریسیته را به ولتاژ حدود ۵۰ برابر تغییر می‌دهد پس الکتریسیته میتواند به صورت موثری به شبکه نیرو (یا به ساختمان‌ها یا جوامع پیرامون) انتقال یابد. اگر الکتریسیته در شبکه به جریان درآید، به وسیله نزدیکترین ایستگاه فرعی که به تعداد فراوانی از توربین‌ها سرویس می‌دهد، حتی به ولتاژ بیشتری (۱۳۰۰۰۰ ولت یا بیشتر) هم تبدیل می‌شود.
۱۰. منازل از انرژی پاک بهره‌مند می‌شوند: توربین‌ها طوری عمل می‌کنند که هیچ گونه گاز گلخانه‌ای یا آلودگی ایجاد نمی‌شود.
۱۱. باد همچنان به وزش به پشت دوربین، اما با سرعت و انرژی کمتر (به دلایلی که در ادامه توضیح داده می‌شود) و همچنین تلاطم کمتر (زیرا توربین جریان باد را مختل کرده است) ادامه می‌دهد.

توربین‌های بادی با توجه به نوع چرخش پره‌ها به دو نوع عمودی و افقی تقسیم بندی می‌شوند. توربین‌های بادی افقی به دور یک محور افقی می‌چرخند و کیفیت کار آن‌ها به ارتفاع بستگی دارد (در مطلب بالا روش کار آن توضیح داده شد). اما از آن‌جایی که توربین‌های عمودی حول یک محور قائم می‌چرخند، به ارتفاع وابسته نیستند. بنابراین می‌توانند در ارتفاعات پایین‌تر و نزدیک به سطح زمین نصب شوند. این ویژگی در کاهش هزینه‌ها نقش مهمی دارد. جهت وزش باد نیز تاثیری بر کیفیت کار آن‌ها نخواهد داشت. عدم حساسیت به ارتفاع اصلی‌ترین مزیت‌ توربین‌های عمودی است.

دسته اول) توربین بادی با محور افقی (توربین‌های مدرن HAWT)

دسته دوم)‌ توربین بادی با محور عمودی (VAWT)

نیروگاه بادی بینالود در استان خراسان رضوی، نیروگاه بادی منجیل در گیلان و مزرعه بادی کهک قزوین ۳ منبع اصلی تامین بخشی از انرژی برق ایران از طریق باد هستند. ظرفیت مجموع این سه نیروگاه به بیش از ۱۵۰ مگا وات می‌رسد. البته نیروگاه بادی بینالود در حال توسعه است و ظرفیت آن به زودی افزایش پیدا خواهد کرد.