تولید انرژی برق توسط باد

wind-turbine

Wind Power Generation

مقدمه

کشور ایران از لحاظ منابع مختلف انرژی یکی از غنی ترین کشورهای جهان محسوب می گردد، چرا که از یک سو دارای منابع گسترده سوخت های فسیلی و تجدید ناپذیر نظیر نفت و گاز است و از سوی دیگر دارای پتانسیل فراوان انرژی های تجدید پذیر از جمله باد می باشد. با توسعه نگرش های زیست محیطی وراهبردهای صرفه جویانه در بهره برداری از منابع انرژی های تجدید ناپذیر، استفاده از انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مطرح در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است.

تاریخچه

طبق اسناد و مدارک موجود، اولین قایق بادی توسط مصریان ساخته شد. اولین آسیاب بادی برای آرد کردن غلات 200 سال قبل از میلاد مسیح توسط ایرانیان بنا گردید . بعد ازآن در قرن 13 میلادی آسیاب بادی به اروپا راه یافت و تکمیل شد. بطور جدی و با تکنولوژی جدید استفاده از انرژی باد در سال 1854 در ایالات متحده آغاز شد.

انرژی بادی در قدیم

احتمالا نخستین ماشین بادی توسط ایرانیان باستان ساخته شده است و یونانیان برای خرد کردن دانه‌ها و مصریها ، رومی‌ها و چینی‌ها برای قایقرانی و آبیاری از انرژی باد استفاده کرده‌اند. بعدها استفاده از توربین های بادی با محور قائم سراسر کشورهای اسلامی معمول شده و سپس دستگاههای بادی با محور قائم با میله‌های چوبی توسعه یافت و امروزه نیز ممکن است در برخی از کشورهای خاورمیانه چنین دستگاههایی یافت شوند. بزرگترین ماشین بادی در زمان جنگ جهانی دوم در امریکا ساخته شد که توان این ماشین 1.25 مگاوات برای سرعت باد 13.4 متر بر ثانیه بود. در دنیا امروزه از 6 منبع انرژی تولید می کنند که آنها زغال سنگ ، نفت خام ،گاز طبیعی ، نیروی آب ، انرژی هسته ای و انرژی های نو هستند.

توربین بادی سنتی

انرژی باد

انرژی باد حاصل از هوای متحرک می باشد.هنگامی که تابش خورشید بطور نامساوی به سطح ناهموار زمین می رسد سبب ایجاد تغییرات دما و فشار می گردد و در این تغییرات باد بوجود می آید.
در بین انرژی های تجدید پذیر، انرژی باد یکی از اقتصادی ترین روشهای تولید برق است . که آلودگی ندارد و با توجه به تجدیدپذیر بودن آن از اهمیت بسیاری برخوردار است . با استفاده از انرژی باد آلودگی زیست محیطی کاهش می یابد به طوری که تولید هر کیلو وات انرژی الکتریکی از باد از انتشار یک کیلو گرم دی اکسید کربن در مقایسه با نیروگاههای سوخت فسیلی جلوگیری می کند.

انرژی باد

توزیع جهانی باد

به طور کلی جریان باد در جهان دارای دو نوع توزیع میباشد:

الف) جریان چرخشی هادلی (Hadly)

بین عرض های جغرافیایی 30 درجه شمالی و 30 درجه جنوبی، هوای گرم شده استوا به بالا صعود کرده و هوای سردتری که از شمال و جنوب می آید جایگزین آن میشود، این جریان را جریان هادلی مینامند.

در سطح کره زمین این جریان بدین معنی است که بادهای سرد به طرف استوا می وزند و از طرف دیگر هوایی که در 30 درجه شمالی و 30 درجه حنوبی به پایین می آید خیلی خشک است و به دلیل آنکه سرعت دوران زمین در این عرض های جغرافیایی به مراتب کمتر از دوران زمینی در استوا است، به سمت شرق حرکت میکند. معمولا در این عرض های جغرافیایی نواحی بیابانی مانند صحرا قرار دارند.

ب) جریان چرخشی راسبی (rossby)

بین عرض های جغرافیایی 30 درجه شمالی(جنوبی) و 70 درجه شمالی(جنوبی) عمدتا بادهای غربی در جریان هستند.

این بادها تشکیل یک چرخش موجی را میدهند و هوای سرد را به جنوب و هوای گرم را به شمال انتقال میدهند؛ این الگو را جریان راسبی میگویند.

توزیع جهانی باد

باد مخرب است یا مفید؟                         

گهگاه طوفان ها و گردبادهای سهمگینی در گوشه و کنار جهان پدیدار می‌شود که اگر نیروی آنها بطور صحیح بکار گرفته شود، می‌تواند به جای مخرب بودن ، مفید باشد. اصول بهره برداری از انرژی باد از نخستین کوشش های انسان تا کنون تغییر نکرده است. با وزش باد ، قایق ها و کشتی ها به حرکت در می‌آیند و یا پره آسیاب بادی از طریق دنده‌ها گردانده می‌شود. امروزه مولدهای الکتریسیته بادی به نحوی طراحی شده‌اند که از حداکثر نیروی باد بهره برداری شود و انرژی باد بجای آسیاب کردن غلات ، بوسیله یک ژنراتور توربینی تبدیل به الکتریسیته می‌شود.

مزایای استفاده از انرژی باد در مقایسه با سو خت های فسیلی

  • عدم نیاز توربین های بادی به سوخت که در نتیجه از میزان مصرف سوخت های فسیلی می کاهد.
  • رایگان بودن انرژی باد
  • توانایی تامین بخشی از تقاضای انرژی برق
  • کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد در بلند مدت
  • تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی
  • قدرت مانور زیاد ، جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه ( از چند وات تا چندین مگاوات)
  • عدم نیاز به آب
  • عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
  • ایجاد اشتغال
  • نداشتن آلودگی زیست محیطی

روند تحولات تكنولوژي انرژي باد در سال هاي اخير

 بزرگترين شركتهاي سازنده توربين بادي جهان در حال حاضر شركت وستاس، شركت انركون و شركت  NEG مايكون هستند كه به ترتيب 3/23، 6/14 و 4/12 درصد از بازار جهان را در اختيار دارند. برخي اطلاعات كه از بررسي بازار تكنولوژي باد در آلمان بعنوان پيشتاز صنعت باد جهان بدست آمده بيانگر روند تحولات در سالهاي اخير در اين صنعت مي‎باشد و لذا توجه به آنها در پيش‎بيني آينده سودمند خواهد بود:

  •  ميانگين ظرفيت توربينهاي بادي نصب شده در آلمان در حدود 900 كيلووات است، اما اگر فقط توربينهاي نصب شده در نيمه اول سال 2003 را در نظر بگيريم، ميانگين ظرفيت توربينهاي جديد در حدود 1560 كيلووات مي‎باشد. لذا روند آشكاري از افزايش سايز توربينهاي بادي مدرن قابل مشاهده است.
  • در بازار توربينهاي بادي 58 مدل توربين وجود دارد كه از اين 58 مدل فقط 4 مدل آن بدون گيربكس هستند كه روي سايزهاي متوسط و بزرگ آزمايش شده‎اند. اما 54 مدل ديگر (شامل سايز هاي متوسط، بزرگ و خيلي بزرگ) هنوز از گيربكس استفاده مي‎كنند. بنابراين توربينهاي بدون گيربكس هنوز در ابتداي راه هستند و وضعيت آنها پس از سالها تجربه و بهره برداري روشن خواهد شد.
  • اغلب توربينهاي بزرگ از نوع پيچ كنترل هستند، يعني هر چه توربينها بزرگتر شوند از تعداد مدلهاي استال كنترل كاسته و به مدلهاي پيچ كنترل افزوده مي‎شود. در توربينهاي خيلي بزرگ (بالاتر از 3000 كيلووات) اصلاً سيستم استال كنترل وجود ندارد. قابل ذكر است كه پره‎هاي استال كنترل بزرگتر و سنگينتر از انواع پيچ كنترل مي‎باشند. لازم به اشاره است كه در سيستم پيچ كنترل پره‎ها حول محور طولي خود ميتوانند بچرخند و تغيير زاويه بدهند. اما در سيستم استال كنترل پره‎ها به هاب فيكس مي‎شوند و آزادي گردش حول محور طولي را ندارند.
  • در گذشته توربينهاي بادي با يك سرعت دوراني ثابت (دور روتور) كار مي‎كردند، اما مدلهاي امروزي تقريباً سيستم يك سرعته را كنار گذاشته و به سيستم هاي دوسرعته يا سرعت متغير روي آورده‎اند. از ميان 58 مدل موجود در بازار، فقط 2 مدل از نوع يك سرعته هستند و 23 مدل دو سرعته و 34 مدل با سرعت متغير ديده مي‎شوند.

بررسی اقتصادی استفاده از انرژی باد

در ارزیابی نیرو گاههای بادی: هزینه ها و در آمدهای طرح ، مدت زمان برگشت سرمایه ، قیمت انرژی الکتریکی تولیدی و نرخ بازده داخلی سرمایه ، شاخص های نهایی برای مقایسه کامل مولفه های مختلف می باشند. از آنجا که برای گسترش سیستم عرضه انرژی الکتریکی ، توسعه پایدار را دنبال می کنیم؛ باید تمام هزینه ها و منافع اجتماعی هر مولد را مد نظر قرار دهیم باید در نظر داشت که از بین صرفه های اقتصادی و غیر اقتصادی ، تنها هزینه دفع آلاینده های زیست محیطی و تصفیه گازهای مضر متصاعد از نیرو گاههای فسیلی می تواند بصورت کمی در محاسبات وارد شود. این هزینه ها در واقع در برگیرنده تمام اثرات زیست محیطی آلاینده ها در کوتاه مدت و بلند مدت از قبیل تولید SOX:NOX:COX   ، هیدروکربور ها و سایر گازهای سمی آلودگی آب و خاک و ایجاد باران های اسیدی و تولید گازهای گلخانه ای می باشند. در ضمن هزینه تولید برق از انرژی باد ، در دو دهه ی گذشته ، به طور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است. برق تولید شده توسط انرژی باد،( در سال 1975 ) 30 سنت برای هر کیلو وات ساعت بوده، اما اکنون به کمتر از 5 سنت رسیده است. توسعه توربین های جدید نیز ، قیمت را کمتر خواهندکرد.

در دنیا 5 کشور آلمان ، امریکا، اسپانیا ، دانمارک و هند پیشتاز دیگران می باشند. کل ظرفیت نصب توربین های بادی در دنیا تا پایان سال 2004 میلادی برابر 616/47 گیگا وات می باشد . کل سرمایه در گردش صنعت انرژی باد جهان در سال 2004 میلادی ، برابر با 1384 خورشیدی ، برابر 8 میلیارد یورو بوده است. قیمت سرمایه گذاری انرژی باد در حدود 850 یورو بر کیلو وات برآورد می شود که در حدود 700 یورو آن ، به هزینه تجهیزات و مابقی به هزینه های آماده کردن سایت و نصب و راه اندازی مرتبط می شود . در چند سال اخیر با بزرگ تر شدن سایز توربین ها تجاری ، قیمت سرمایه گذاری آنها کاهش یافته است.

 در کشورمان ایران ، با وجود اینکه مشاهده می شود با در نظر گرفتن هزینه های خصوصی نیروگاه های بادی و فسیلی ، توسعه ی نیرو گاه های بادی برای تولید برق هم اکنون در حال اقتصادی شدن می باشد. اگر هزینه های اجتماعی نیرو گاههای فسیلی ، که در برگیرنده اثرات برون زایی منفی است؛ مبنای مقایسه قرار گیرد ، هزینه تولید در مولد های بادی ، کمتر از فسیلی خواهد بود و برق حاصل از آن می تواند، به عنوان یک انرژی پایدار در توسعه  اقتصادی – اجتماعی کشور مورد استفاده قرار گیرد.

هزینه سرمایه گذاری به ازای هرکیلو وات ساعت

  • نیروگاه بادی 300 کیلو واتی 1100 دلار
  • نیروگاه بادی 660 کیلوواتی 1100 دلار
  • نیروگاه بادی 1.5 مگاواتی 1600 دلار

نیروگاه بادی 300 کیلو واتی هزینه سرمایه گذاری هر کیلو وات ساعت 1100 تا 1300 دلار بنابراین قیمت تمام شده هر کیلو وات ساعت برق تولیدی نیروگاه بادی 5.3 سنت یورو خواهد شد.

انرژی باد در بین انرژی های تجدید پذیر، یکی از بهترین و اقتصادی ترین روشهای تولید برق می باشد که آلودگی زیست محیطی در بر نداشته و پایان ناپذیر نیز می باشد طبق آمار موجود تولید یک کیلو وات ساعت انرژی برق بادی، از انتقال آلاینده های زیست محیطی به شرح زیر جلوگیری می کند:
دی اکسید کربن CO2 = 850 گرم                      
دی اکسید گو گرد SO2 = 3 گرم                 
اکسید نیتروژن NOX = 2.6 گرم               
 خاک  10 درصد گرم                                
 خاکستر 55 گرم

باد انرژی پاک

آينده انرژي باد در ايران

بازار تأمين انرژي يك بازار رقابتي است كه در آن  توليد برق در نيروگاه هاي بادي در مقايسه با نيروگاه هاي سوخت هاي فسيلي برتري هاي نويني را پيش روي كاربران قرار داده است. از برتري هاي نيروگاه هاي بادي اين است كه در طول مدت زمان عمر خود، سال هاي زيادي انرژي را بدون نياز به هزينه سوخت توليد خواهد كرد، در حالي كه هزينه ديگر منابع توليد انرژي در طول اين سال ها افزايش خواهد يافت.

 فعاليت گسترده بسياري از كشورهاي جهان براي توليد الكتريسيته از انرژي باد، سرمشقي براي ديگر كشورهايي است كه در اين زمينه راه درازي در پيش دارند. بسياري از منابع اقتصادي در حال رشد، در منطقه آسيا واقع شده اند و اقتصاد رو به رشد كشورهاي آسيايي از جمله ايران، باعث شده تا اين كشورها بيش از پيش به توليد الكتريسيته احساس نياز كرده و اقدام به توليد الكتريسيته از منابع غيرفسيلي كنند. افزون بر اين موارد، نبود شبكه برق سراسري در بسياري از بخشهاي روستايي در كشورهاي آسيايي نيز مهر تأييدي بر سيستم هاي توليد الكتريسيته از انرژي باد زده است.

 پس در خصوص دورنماي آينده اقتصادي استفاده از انرژي باد در ايران مي بايست گفت استفاده از اين انرژي موجب صرفه جويي فرآورده هاي نفتي بعنوان سوخت مي شود. صرفه جويي حاصله در درجه اول موجب حفظ فرآوردهاي نفتي گشته كه امكان صادرات و مهمتر اينكه تبديل آنرا به مشقات بسيار زياد پتروشيمي با ارزش افزوده بالا فراهم مي سازد.

در درجه دوم توليد الكتريسيته از اين انرژي فاقد هر گونه آلودگي زيست محيطي بوده كه همين عامل كمك شاياني به حفظ طبيعت سالم محيط زيست بشري نموده ودر نتيجه مسير براي نيل به توسعه پايدار اقتصادي، اجتماعي فراهم مي گردد.

 استفاده از انرژي باد در ايران علاوه بر عمران و آباداني موجبات ايجاد مشاغل جديد شده و بالاخره با بومي سازي فن‌آوري انرژي باد اقتصاد كشور رشد بيشتري مي يابد.

توربین بادی نیروگاه بینالود

ناکار آمدی های انرژی بادی

گفته می‌شود که یکی از بزرگترین موانع بهره برداری از نیروی باد در بریتانیا ، مسأله تأثیر زیست محیطی آن است. بسیاری از مردم می‌گویند مولدهای بادی از نظر ظاهری ناخوشایند بوده و پر سر و صدا می‌باشند؛ بخصوص چون در نواحی زیبای خارج از مناطق شهری قرار دارند.اما باید گفت مولدی که سوخت آن زغال سنگ است، مسلما پر سر و صداتر و زشت تر از دکلهای آسیاب بادی خواهد بود. صدای متوالی توربینهای دکلهای آسیاب بادی برای کسانی که در نزدیکی آنها می‌باشند، یک موضوع مهم به شمار می‌رود. اکنون صدای این مولدها به کمک فناوری چرخ دنده‌ها توربینهای سه تیغه‌ای قابل کنترل می‌باشد. آلودگی صوتی توربین‌های بادی کسانی که در محل‌های نزدیک به توربین‌های بادی سکونت دارند، همیشه از صدای مخصوص چرخش پره‌ها و صدای آزار دهنده چرخ دنده توربین‌ها و ژنراتورها، که آرامش آن‌ها را برهم می‌زند، گلایه می‌کنند. توربین‌های بادی در سال‌های اخیر بسیار کم سر و صداتر از نمونه‌های قدیمی تر هستند. اکنون صدای پره توربین‌های بادی از فاصله بیش از ۲۰۰ متری قابل شنیدن نیست. مهندسین بر این باورند که توربین‌های بادی مدرن امروزی دیگر پر سر و صدا و آزار دهنده نیستند.

فن آوری تولید برق از باد

انرژی بادی عمدتا توسط توربین های بادی سه پره ای بسیار بزرگ تولید میشود که بر بالای برجک های بلندی قرار میگیرند و مثل پنکه هایی کار میکنند که به حالت عکس میگردند. این توربین ها به جای آن که از برق برای ایجاد باد کمک بگیرند، از باد برای تولید برق استفاده میکنند. باد پره ها را به چرخش در میآورد و پره ها محوری را میچرخانند که به یک ژنراتور متصل است؛ و در نتیجه این چرخش برق تولید میشود. توربین هایی در ابعاد صنعتی برای ارائه خدمات عمومی ساخته میشوند قادرند از 750 کیلووات تا 5/1 مگاوات برق تولید کنند. منازل، دیش های ارتباطات راه دور، و پمپ های آب از توربین کوچکی استفاده میکنند که کمتر از 50 کیلووات برق تولید میکند. توربین های بادی سه پره در حالت خلاف جهت باد قرار گرفته و پره هایشان رودرروی باد قرار میگیرد. نوع متداول دیگر توربین بادی توربین دوپره است که در مسیر موافق باد قرار داده میشود.  به لطف تحقیقات و توسعه، توربین های بادی در طول دو دهه گذشته به شکل چشمگیری متحول شده اند. قطر آرمیچرها در سال 1984 یا 1985 باید 20 متر میبود، اکنون قطر آرمیچرها 100 متر است .حالا از پره های چرخانی حرف میزنیم که مساحتی به ابعاد یک زمین فوتبال (را پوشش میدهند). پهنای توربین های بادی امروزی از پهنای بال های یک (هواپیمای) 747 هم بیشتر است. در نیروگاه های بادی یا میادین های بادخیز، مجموعه ای از توربین ها برای تولید برق و انتقال آن به شبکه اصلی برق به هم متصل شده اند. این نیرو از طریق خطوط انتقال و توزیع برق به مصرف کنندگان میرسد.

توربین بادی

طراحی میادین بادخیز

بهترین نقاط برای استقرار توربین های بادی مناطقی هستند که بادهای دائمی و شدیدی در آنجا بوزد. “آزمایشگاه ملی انرژی های قابل تجدید” نقشه های بادنشانی برای مناطقی در نقاط مختلف دنیا تهیه کرده که سرعت وزش باد در آن مناطق را در طول سال را با استفاده از ایستگاه های کنترل و همچنین الگوهای هواشناسی محاسبه و ارائه میکنند. در مورد برخی مناطق خاص، میانگین سرعت سالانه باد برای محاسبه میزان تولید انرژی بادی به وسیله آرمیچر توربین بادی در هر متر مربع مورد استفاده قرار میگیرد. در نتیجه محاسبات مربوط به انرژی نهفته در باد، مناطق جغرافیایی کوچکی به مساحت یک مایل مربع از لحاظ حجم نیروی بادی از 1 تا 7 درجه بندی میشوند و شماره 7 نشانگر منطقه ای است که شدیدترین وزش باد را دارد. طراحان از این اطلاعات برای طراحی بهترین میادین بادخیز استفاده میکنند.
مناطقی که درجه 3 یا بالاتر را کسب کنند گزینه هایی برای طراحی میادین بادخیز محسوب میشوند. مناطق دارای درجه 2 یا بالاتر هم مکان های مناسبی برای استقرار ژانراتورهای بادی کوچک به شمار میروند. سازمان ملل نیز در حال تهیه نقشه های بادنشان است. “ارزیابی منابع انرژی خورشیدی و بادی” یک پروژه چهارساله برای ترسیم نقشه منابع انرژی های خورشدی و بادی در 13 کشور در حال توسعه است در نتیجه این برنامه، تا کنون منابع بالقوه ای برای تولید هزاران مگاوات برق در منابع انرژی قابل تجدید در آفریقا، آسیا، و آمریکای جنوبی و مرکزی کشف شده است. بنا بر اعلامیه رسمی سازمان ملل، این سازمان در حال هماهنگ سازی “برنامه زیست محیطی” خود یا پروژه مذکور از طرق 25 نهاد در سرتاسر دنیاست. نتایج این پروژه نقشه کشی در کشورهای مختلفی از جمله نیاکاراگوئه، گواتمالا، و سریلانکا اقدامات عملی را در پی داشته است. در غنا، بیش از 2000 مگاوات انرژی بالقوه بادی، به ویژه در مناطق مرزی این کشور با توگو، کشف شده است. این پروژه پژوهش هایی را در بنگلادش، برزیل، چین، کوبا، السالوادور، اتیوپی، هندوراس، کنیا و نپال به اجرا در آورده است. نهادهای همکار این پروژه سازمان ملل “آزمایشگاه ملی انرژی های قابل تجدید” و “ناسا” هستند.

انواع توربین های بادی (از لحاظ سایز و اندازه)

– توربین های بادی کوچک
از توربینهای بادی کوچک جهت تامین برق جزیره های مصرف و یا مناطقی که تامین برق از طریق شبکه سراسری برق مشکل می باشد استفاده می شود. این توربینها تا قدرت 10 کیلووات توان تولید برق را دارا می باشند.

 – توربین های بادی متوسط

عموماً تولید این توربینها بین 250-10 کیلووات است. از این توربینها جهت تامین مصارف مسکونی، تجاری، صنعتی و کشاورزی استفاده می شود.

 – توربین های بادی بزرگ (مزارع بادی)

این نوع توربینها معمولاً شامل چند توربین بادی متمرکز با توان تولیدی 250 کیلووات به بالا می باشند که به صورت متصل به شبکه و یا جدا از شبکه طراحی می گردند.

توربین بادی

توربین بادی به توربینی گفته می‌شود که برای تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی الکتریکی به کار می‌رود که توان بادی نام دارد. توربین‌های بادی در دو نوع با محور افقی و با محور عمودی ساخته می‌شوند.

توربین‌های بادی کوچک برای کاربردهایی مانند شارژکردن باتری ها یا توان کمکی در قایق‌ های بادبانی مورد استفاده قرار می‌گیرند، در حالی که توربین‌های بادی بزرگ‌تر با چرخاندن ژنراتور، و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی، به عنوان یک منبع تولید انرژی الکتریکی به‌شمار می‌روند. انواع دیگری از توربین‌های بادی وجود دارد که برای پمپ کردن آب استفاده می‌شود که به آن پمپ بادی می‌گویند یا برای آسیاب گندم به کار می‌رود که آسیاب بادی نام دارد و موارد دیگری که هر کدام نام خاص خودشان را دارند.

انواع کلی توربین های بادی

 اگرچه طراحی های مختلفی برای توربین بادی موجود می باشد ولی به طور عمده به دو دسته کلی بر اساس جهت محور چرخش تقسیم بندی می شوند:

  • محور افقی (Horizontal Axis Wind Turbines (HAWTs
  • محور عمودی (Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs

پره توربین‌های بادی می‌تواند به دور محور افقی یا عمودی دوران کند. توربین بادی با محور افقی، پیشینه بیشتری داشته و امروزه هم بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقابل، مزیت توربین بادی با محور عمودی، عدم حساسیت نسبت به جهت وزش باد و عدم نیاز به یک پایه مرتفع است.

انواع توربین های بادی

چگونه باد پره های را به حرکت درمی آورد؟

جریان هوا بر روی هر سطحی دو نوع نیروی ایرودینامیکی با نام های درگ و لیفت به وجود می آورد که نیروی درگ در جهت جریان باد است و نیروی لیفت عمود بر جریان باد می باشد. یکی از این نیروها یا هر دو می توانند نیروی مورد نیاز برای چرخش پره های توربینهای بادی را تامین نمایند.

wind turbine forces
نیروهای وارد بر توربین

توربین بادی با محور افقی

در توربین‌های بادی با محور افقی روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای یک برج بلند قرار گرفته و باید در راستای باد قرار گیرند. توربین‌های بادی کوچک برای تعیین جهت وزش باد از یک باد نمای ساده استفاده می‌کنند، ولی توربین‌های بزرگ‌تر معمولاً از یک سنسور باد که با یک سروو موتور در ارتباط است، استفاده می‌کنند. بیشتر این توربین‌های بادی، با استفاده از یک جعبه‌ دنده، سرعت چرخش کُند پره‌ها را به سرعت بیشتری برای ژنراتور تبدیل می‌کنند.

wind turbine

توربین‌های بادی امروزی

توربین‌های بادی که امروزه در نیروگاه ‌های بادی برای تولید تجاری برق مورد استفاده قرار می‌گیرند، معمولاً سه-پره بوده و با استفاده از سامانه‌ های کنترل رایانه‌ای در جهت وزش باد قرار می‌گیرند. البته توربین‌های باد با دو پره و حتی یک پره هم استفاده می‌شوند. پره‌های این توربین‌ها، معمولاً طولی بین ۲۰ تا ۴۰ متر و حتی بیشتر و سرعت دورانی حدود ۱۰ تا ۲۲ دور بر دقیقه دارند. اگر طول پره ی یک توربین بادی، ۴۰ متر بوده و با سرعت ۲۰ دور بر دقیقه دوران کند، سرعت خطی نوک پره‌های آن، حدود ۸۴ متر بر ثانیه (۳۰۲ کیلومتر بر ساعت) خواهد بود. برجی که پره‌ها بر بالای آن نصب می‌شوند، به صورت لوله فولادی و به ارتفاع ۶۰ تا ۹۰ متر است. معمولاً با استفاده از جعبه‌دنده، سرعت چرخش محور افزایش داده می‌شود، ولی در برخی از طراحی‌ها، محور با همان سرعت یک ژنراتور حلقوی را می‌چرخاند. برخی از مدل‌های توربین بادی، در سرعت ثابت کار می‌کنند ولی توربین‌های با سرعت متغیر انرژی بیشتری می‌توانند تولید کنند؛ که به واسطه نیروی لیفت و دراگ پره‌ها به حرکت در می‌آیند.

مزایای توربین افقی

  • تیغه‌ها به سمت مرکز گرانش توربین اند که به ثبات آن کمک می‌کند.
  • تیغه‌ها برای قرارگیری در بهترین زاویه قابلیت پیچ و تاب دارند.
  • با پیچ کردن تیغه‌ها به روتور آسیب‌ها در طوفان به حداقل می‌رسد.
  • بلندی برج این امکان را می‌دهد تا دسترسی به بادهای شدید و قوی بیشتر شود.
  • قابل استفاده در زمین‌های ناهموار و دور از ساحل بیشتر آن‌ها شروع خودکار دارند.

معایب توربین افقی

  • کارکرد سخت در نزدیک سطح زمین
  • سختی درحمل و نقل
  • مشکل در نصب و راه‌اندازی
  • در مجاورت رادار تحت تأثیر قرار می‌گیرد
  • تعمیر و نگهداری آن سخت است
توربین بادی افقی

توربین بادی با محور عمودی

در توربین‌های بادی با محور عمودی روتور اصلی به ‌صورت عمودی قرار می‌گیرد. مهم‌ترین برتری این نوع از توربین‌های بادی آن است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت وزش باد ندارند. این نکته در مکان‌هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلاً در بالای ساختمان‌های مسکونی، یک امتیاز به‌شمار می‌رود. مهم‌ترین عیب این نوع توربین‌ها، کم‌بودن سرعت دورانی آن‌ها و در نتیجه زیادبودن گشتاور و هزینه بیشتر سیستم انتقال قدرت، بارگذاری دینامیکی زیاد پره‌ها و همچنین پیچیدگی زیاد طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها پیش از ساخت پیش ‌نمونه (پروتوتایپ) است. با توجه به عمودی بودن محور، جعبه ‌دنده و ژنراتور می‌توانند در نزدیکی زمین قرار گیرند که این موضوع دسترسی به این تجهیزات را برای نگهداری و تعمیر آسان‌تر می‌کند.

توربین‌های بادی با محور عمودی به شکل‌های مختلفی ساخته می‌شوند. دو نوع عمده آنها، توربین‌های داریوس و ساوونیوس هستند.

Darrieus

Darrieus
توربین داریوس
Darrieus Turbine
توربین های محور عمودی

Savonius

 این نوع توربین در سال 1922 میلادی توسط مهندسی فنلاندی اختراع گردید و در سال 1929 این اختراع به ثبت رسید. این توربین از حداقل 2 نیم استوانه تشکیل شده است.

Savnoius
توربین ساونیوس

 

چرخش توربین های بادی برپایه نیروی درگ

مزایا توربین‌های عمودی

  • از مزایای این نوع توربین عمودی نسبت به توربین‌های بادی محور افقی، عدم حساسیت به جهت باد و آشفتگی آن می‌باشد (این نکته در مکان‌هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلاً در بالای ساختمان‌های مسکونی، یک امتیاز به‌شمار می‌رود).
  • عملکرد مناسب و کارا هنگام وزش بادهای مغشوش و گردابه‌ای
  • توربین بادی محور عمودی می‌تواند در فاصله‌ای نزدیکتر به زمین نصب شود و جعبه‌دنده و ژنراتور در نزدیکی زمین قرار می‌گیرند که این موضوع سبب امنیت و ارزانی بیشتر در ساخت و نگهداری و تعمیر آسان‌تر آن می‌شود و همچنین برج یا دکل نیاز به پشتیبانی آن ندارد.
  • از آنجا که نوک پره‌ها در این نوع توربین‌ها به محور دوران نزدیکتر است، سر و صدای کمتری نسبت به توربین محور افقی تولید می‌کنند و حجم واندازه کمتر آن‌ها، برخوردهای محیطی را نیز کاهش می‌دهد.

معایب توربین‌های عمودی

  • مشکل اصلی این نوع توربین‌ها، ایجاد نیروی مخالف نسبت به بادی که به پره دیگر می‌وزد، است پس بازدهی انفرادی کمتر آن‌ها در مقایسه با توربین‌های افقی و گشتاور تکانی (لنگر) که در طول هر دوره تناوب تولید می‌شود؛ کمتر است.
  • نصب توربین‌های محور عمودی روی برج‌ها سخت است؛ بدین معنی که آن‌ها باید در جریان‌های هوایی آهسته‌تر با اغتشاش بیشتر و نزدیک زمین با بازده استخراج انرژی پایین‌تر عمل کنند.
  • به دلیل کم بودن سرعت دورانی پره‌ها، گشتاور زیاد است.
  • هزینه ی بالای طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها از دیگر مسایل است. جبران بازده کمتر توربین‌های محور عمود از طریق چیدمان فشرده‌تر آن‌ها و طراحی جدید امکان‌پذیر است. مسئله خستگی سازه نیز با قابلیت پیش‌بینی دقیق‌تر بارهای آیرودینامیکی تا حد زیادی قابل بر طرف شدن است.

اجزای تشکیل دهنده توربین بادی

  • باد سنج (Anemometer): این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به کنترل‌کننده‌ها انتقال می‌دهد.
  • پره‌ها (Blades): بیشتر توربین‌ها دارای دو یا سه پره می‌باشند. وزش باد بر روی پره‌ها باعث بلند کردن و چرخش پره‌ها می‌شود.
  • ترمز (Brake): از این وسیله برای توقف موتور در مواقع اضطراری استفاده می‌شود. عمل ترمز کردن می‌تواند به صورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی انجام گیرد.
  • کنترلر (Controller): کنترولرها وقتی که سرعت باد به ۸ تا ۱۶ mph می‌رسد ماشین را، راه‌اندازی می‌کنند و وقتی سرعت از ۶۵ mph بیشتر می‌شود دستور خاموش شدن ماشین را می‌دهند. این عمل از آن جهت صورت می‌گیرد که توربین‌ها قادر نیستند زمانی که سرعت باد به ۶۵ mph می‌رسد حرکت کنند زیرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسیار بالایی خواهد رسید.
  • گیربکس (Gear box): چرخ دنده‌ها به شفت سرعت پایین متصل هستند و آن‌ها از طرف دیگر همان‌طور که در شکل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل می‌باشند و افزایش سرعت چرخش از ۳۰ تا ۶۰ rpm به سرعتی حدود ۱۲۰۰ تا ۱۵۰۰ rpm را ایجاد می‌کنند. این افزایش سرعت برای تولید برق توسط ژنراتور الزامیست. هزینه ساخت گیربکس‌ها بالاست درضمن گیربکس‌ها بسیار سنگین هستند. مهندسان در حال انجام تحقیقات گسترده‌ای می‌باشند تا درایوهای مستقیمی کشف نماید و ژنراتورها را با سرعت کمتری به چرخش درآورند تا نیازی به گیربکس نداشته باشند.
  • ژنراتور (Generator): که وظیفه آن تولید برق متناوب می‌باشد و بیشتر از نوع ژنراتور‌های القایی می‌باشد.
  • شفت با سرعت بالا (High-speed shaft): که وظیفه آن به حرکت درآوردن ژنراتور می‌باشد.
  • شفت با سرعت پایین (Low-speed shaft): رتور حول این محور چرخیده و سرعت چرخش آن ۳۰ تا ۶۰ دور در دقیقه می‌باشد.
  • روتور (Rotor): بال‌ها و هاب به روتور متصل هستند.
  • برج (Tower): برج‌ها از فولادهایی که به شکل لوله درآمده‌اند ساخته می‌شوند. توربین‌هایی که بر روی برج‌هایی با ارتفاع بیشتر نصب شده‌اند انرژی بیشتری دریافت می‌کنند.
  • جهت باد (Wind direction): توربین‌هایی که از این فناوری استفاده می‌کنند در خلاف جهت باد نیز کار می‌کنند در حالی که توربین‌های معمولی فقط جهت وزش باد به پره‌های آن باید از روبرو باشد.
  • باد نما (Wind vane): وسیله‌ای است که جهت وزش باد را اندازه ‌گیری می‌کند و کمک می‌کند تا جهت توربین نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد.
  • درایو انحراف (Yaw drive): وسیله ایست که وضعیت توربین را هنگامیکه باد در خلاف جهت می‌وزد کنترول می‌کند و زمانی استفاده می‌شود که قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گیرد اما زمانی که باد در جهت توربین می‌وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمی‌باشد.
  • موتور انحراف (Yaw motor): برای به حرکت درآوردن درایو انحراف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مقطع برش خورده توربین

طراحی و ساخت توربین های بادی

برای تعیین ارتفاع بهینه برج، سیستم کنترلی، تعداد و شکل پره‌ها از شبیه‌سازی‌های آیرودینامیکی استفاده می‌شود.

توربین‌های با محور افقی متداول، به سه بخش اصلی تقسیم می‌شوند:

  • بخش روتور، که تقریباً ۲۰٪ قیمت توربین باد را به خود اختصاص داده و شامل پره‌های تبدیل‌کننده انرژی باد به انرژی جنبشی دورانی با سرعت کم می‌شود.
  • بخش ژنراتور که حدوداً ۳۴٪ هزینه توربین باد بوده و شامل مولد الکتریکی، تجهیزات کنترلی و جعبه ‌دنده برای افزایش سرعت دورانی محور توربین می‌شود.
  • بخش تکیه‌گاهی که در بر گیرنده ۱۵٪ قیمت توربین بوده و شامل برج و مکانیزم جهت‌دهی روتور نسبت به جهت وزش باد می‌شود.
طراحی و ساخت توربین
پره های توربین بادی
حمل و نقل توربین

 

حمل و نقل دشوار قطعات توربین

قسمت های نیروگاه بادی

1-روتور 2-سیستم محرکه شامل؛ جعبه دنده , مولد برق(ژنراتور) و مکانیزم ترمز 3-برج نگهدارنده 4-سیستم های کنترل ایمنی 5-سایر قسمت ها شامل اتصال های برقی سازه ای و خدماتی

سایر اجزا به تفصیل:

  1. باد سنج
  2. پره‌ها
  3. کنترولر
  4. گیربکس
  5. شفت با سرعت پایین
  6. جهت باد
  7. باد نما
  8. درایو انحراف
  9. موتور انحراف
اجزاء تشکیل دهنده توربین
turbine structure

ژنراتور نیروگاه بادی

از نظر یک دانشجوی قدرتی ژنراتور نیروگاه همیشه یکی از جذاب ترین بخش های بررسی می باشد و از انجایی که بنده نیز در این دایره قرار میگیرم پس چه سخنی خوش تر از ژنراتور!! توربین های بادی به نیروگاه های ژنراتور آسنکرون(القایی) معروف اند و می توان به راحتی اظهار نمود که جزء معدود نیروگاه هایی هست که در آن ژنراتور القایی نه چندان محبوب در زمینه تولید برق را مشاهده می نماییم.

همانگونه که در جریان هستید موتورهای القایی یکی از محبوبت ترین ماشین ها در صنایع سنگین و حتی لوازم خانگی می باشد. اما این بخت و اقبال برای ژنراتور القایی به دلیل محودیت های ذاتی آن چندان فراهم نشد تا اینکه توربین های بادی باعث تغییر نگاه ها به سمت این نوع ژنراتور ها گردید؛ اما چرا؟

موتور القایی

به صورت معمول ژنراتور های سنکرون گزینه ی بسیار مطلوب برای تولید انرژی الکتریسته می باشند و دلیل آن هم نبود احتیاج به شبکه برقی 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 نمودند که مشکلات زیادی را همراه داشتند چرا که باد وزیده شده سرعت ثابت نداشته و هر زمان سرعت آن در حال تغییر می باشد و اگر همین باد با سرعت متغییر رتور ژنراتور سنکرون را بچرخواند عملا برق تولیدی امکان استفاده نخواهد داشت یا هزینه بهبود سازی آن بالا می بود 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 50 یا 60 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 کردند تا به سرعت سنکرون برسند و در نهایت تصیمی بر آن شد از این نوع ژنراتور استفاده نکنند. اما جایگزین چه بود؟

Wind Turbine Structure

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 وسیله ای 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 چرخوانید، 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 شرخش آن را به وسیله ای به عنوان نیروی محرکه وصل نمایید که می چرخد و سرعت آن از سرعت سنکرون بیشتر می باشد (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 می گردد!!

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 گیرند 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 چرخدندهایی افزایش یافته و به رتور که مقصود است برسد.

نسل جدید ژنراتورها

در این قسمت به بیان ماشین های شار محور می پردازیم که نسل بعدی ماشین ها می باشند، تمامی ماشین های امروزی اعم از موتور و ژنراتور در دسته ماشین های شعاعی (Radial)  قرار میگیرند بدین صورت که شار در راستای شعاع در ماشین توضیع می گردد در حالی که در ماشین های شار محور (Axial Flux)  شار در راستای محور توضیع می گردد. 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 90 درصد خود خیره کنند و این درحالیست که ماشین های (ژنراتور و موتور) امروزی در لبه ی بازده ی 45 تا 56 درصد قرار دارند.

نسل جدید ژنراتورها

این نوع ماشین ها (شار محور) جز ماشین های تحقیاتی می باشند که از دل نرم افزارهای طراحی موتور و ژنراتور نظیر Ansys Maxwell بیرون آمده اند و بدلیل انعطاف بالای طراحی این برنامه ها همچنان شاهد بهبود روز افزون این ماشین ها هستیم.

هم اکنون شرکت های پیش رو در زمینه برق در حال طراحی نمونه های شگفت انگیز توربین های بادی هستند که نسل دوم می باشند و 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 90% 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 نیروگاه های خانگی بسیار جذاب هستند.

روتور

به مجموعه تیغه ها و توپی وسط انها رتور می گویند بال ها و هاب به رتور متصل هستند. با به حرکت درآمدن بال ها توسط انرژی باد رتور نیز می چرخد. جنس بال ها از چوب ولی بیشتر از فایبرگلاس به خاطر سبک بودن و در عین حال مقاوم بودن استفاده می شود از آلومینیوم به دلیل کم بودن مقاومت و از فولاد به دلیل سنگینی استفاده نمی شود.

انواع ژنراتورها در نیروگاه های بادی

1-توربین های بادی که از یک ژنراتور و یک جعبه دنده (سیستم انتقال) استفاده می کنند 2-توربین هایی که دو ژنراتور دارند یکی برای باد های ضعیف ودیگری برای بادهای قوی 3-توربین هایی از یک ژنراتور با دو سیم پیچ استفاده می کنند که این سیم پیچ ها کار همان دو ژنراتور را انجام می دهند 4-تعدادی از توربین های بادی از طراحی ویژه ای استفاده می کنند که در انها ژنراتور مستقیم بوسیله روتور و بدون سیستم انتقال (جعبه دنده ) گردانده می شود(نسل دوم – شار محور)

به طورمعمول توربین های بادی از لحاظ دور به سه دسته تقسیم می شوند

انواع توربین از دید دور:

  1. دور ثابت
  2. دور متغییر
  3. دو دوره

در توربین های با دور ثابت گیر بکس طوری طراحی گردیده است که ورودی آن متغییر ولی خروجی آن ثابت باشد چرخ دنده ها به محور سرعت پایین (محور روتور توربین) متصل هستند و آن ها از طرف دیگر به محور باسرعت بالا(محور ژنراتور) متصل میباشند.

انواع ژنراتور توربین بادی

جریان برق توسط ژنراتورهای AC تولید میشود از انجایی که فرکانس این جریان برق متناوب متناسب با دور محور گردان است و از انجایی که برای فرکانس ثابت احتیاج به دور توربین ثابت است پس باید دور توربین ثابت باشد و از طرفی هزینه ی تهیه و تدارک مکانیسمی که دور را ثابت نگه دارد گران تمام میشود.

برای برطرف کردن این مشکل دو راه حل وجود دارد:

1-ژنراتور های جریان متناوبی ساخته شده است که با استفاده از دستگاهای الکترونیکی میتوانند با متغیر بودن دور,جریان با فرکانس ثابت تولید کنند.

2-روش دیگر برای تهیه جریان با فرکانس ثابت این است که ابتدا جریان مستقیم تولید کنند سپس این جریان را با استفاده از دستگاه اینورتر(Inverter) به جریان متناوب تبدیل نمایند.

جعبه دنده (gearbox)

وظیفه جعبه دنده تنظیم میزان چرخش ژنراتور در سرعت های مختلف باد است. گیربکس توربین های بادی می توانند سرعت کم چرخش محور پره ها را با ضریب تبدیل مثبت به سرعت بالا که در ژنراتور استفاده میشود تبدیل کند.

معایب گیر بکس ها:

وزن انها بسیار سنگین است,قیمت انها و نیز هزینه تعمیرات جعبه دنده نیز بالا می باشد به علت سنگین بودن وزن, نصب انها نیز مشکل است.

turbine gearbox
گیریکس توربین

ضریب تبدیل به طور کلی 4 تا 5 و گاهی بیشتر است. به طور مثال اگر دور توربین بادی 100 دور در دقیقه باشد بوسیله جعبه دنده به 400 دور در دقیقه افزایش می یابد(در واقع با کاهش گشتاور سرعت را افزایش می یابد).

ترمزها (brake)

بااستفاده از سیستم ترمز دیسکی و هیدورلیکی می توان توربین را در مواقع عادی وحتی اضطرای متوقف کرد برای توقف وترمز واحد ها دو روش وجود دارد:

ترمز

الف-ترمز دینامیکی: در نوک پره ها پره ای دیگر موجود است که از نوک پره ی اصلی فاصله داردوتغییر حالت آن موجب توقف پره اصلی میگردد.

ب-پیچ کنترل: دراین سیستم تمام پره تغییروضعیت میدهد ونسبت به روش قبلی مدرن تر است در مواقعی که طوفان است و یا به خاطر سرویس نباید واحد به کار خود ادامه دهد پره ها طوری قرار میگیرند که کم ترین سطح تماس را با باد داشته باشند.

ناسل (nacelle)

قسمت اصلی توربین بادی که روتور به آن متصل است را ناسل میگویند. ناسل در بالای برج قرار دارد شامل جعبه دنده، شافت اصلی ژنراتور, بخش کنترل و ترمز است. بعضی از ناسل ها انقدر بزرگند که تکنیسین ها میتوانند داخل آن بایستند.

بخش کنترل (controller)

بخش کنترل، توربین را هنگامی که سرعت باد بین 4 تا 25 متر بر ثانیه است به کار می اندازد و هنگامی که سرعت باد به بالا تر از 25متر بر ثانیه میرسد انها را متوقف میکند. توربین ها نمیتوانند در سرعت های بیشتر از 25متر بر ثانیه به کار خود ادامه دهند. در سرعت بالای 30متر بر ثانیه خطر سقوط برج ها نیز وجود دارد.

سنسورهای اندازه گیری (measure sensors)

توربین های بادی شامل دو سنسور سرعت سنج وجهت نما میباشند که اولین سرعت باد و دومی جهت باد را به دقت مشخص میکند واطلاعات حاصل را به بخش کنترل میدهد. بر اساس این اطلاعات زمان کار توربین وزاویه انحراف توربین مشخص میشود.

درایو انحراف (yaw drive)

وسیله ای است که وضعیت توربین را هنگامی که باد در خلاف جهت می وزد کنترل میکند و زمانی استفاده میشود که قرار است بال ها در مقابل وزش باد از روبه رو قرار بگیرند اما زمانی که باد در جهت توربین می وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمیباشد.

موتور انحراف (yaw motor)

هدایت این موتور توسط واحد کنترل انجام میشود. بر اساس اطلاعات رسیده از قسمت اندازه گیری، واحد کنترل جهت باد غالب را تعیین کرده و به موتور انحراف فرمان میدهد که توربین را در راستای مناسب بچرخاند.

بادسنج (Anemometer)

اين وسيله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به كنترل كننده ها انتقال ميدهد.

بادسنج

تعمیر و نگهداری توربین بادی

هزینه های نگهداری

جربه ثابت کرده است که هزینه‌های نگهداری از یک توربین جدید بسیار پایین‌تر از زمانی است که توربین عمر می‌کند وهزینه هایش بالا می‌رود. مطالعات انجام شده در دانمارک روی ۵۰۰۰ توربین بادی نصب شده در این کشور از سال ۱۹۷۵ نشان داد، نسل‌های جدیدتر توربین‌ها هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمتری از نسل‌های گذشته دارند. (مطالعات به شکل مقایسه‌ای بین توربین‌های متعلق به نسل‌های مختلف، اما ساخته شده به صورت تقریبا همزمان انجام شد).
هزینه‌های نگهداری سالیانه از توربین‌های قدیمی‌تر حدود ۳ درصد از کل هزینه توربین را شامل می‌شود، اما از آنجا که توربین‌های جدیدتر معمولا بزرگتر هستند، دارای هزینه‌های نگهداری کمتر و صرفه به مقیاس به ازای هر کیلووات هستند. درواقع توربین‌های بزرگتر به دلیل بهبود و توسعه در مواد و تکنیک‌های جدید نیاز کمتری به سرویس داشته و از این محل صرفه جویی‌هایی حاصل می‌شود. هزینه‌های نگهداری سالیانه تخمینی برای توربین‌های جدید، بین ۱.۵ تا ۲ درصد از اصل سرمایه است.
بیشتر هزینه‌های نگهداری از یک توربین بادی هر ساله میزان ثابتی برای سرویس‌های منظم است، اما مرجح آن است که هزینه‌ها به ازای نرخ هر کیلووات ساعت محاسبه شود. این بدان دلیل است که سوخت و سوز توربین‌ها با افزایش تولیدشان بالاتر می‌رود.

همان طور که صرفه‌هایی ناشی از افزایش سایز توربین‌ها وجود دارد، صرفه‌هایی هم می‌تواند از محل راه اندازی پارک‌های بادی به جای توربین‌های مجزا به دست آید. این صرفه‌ها می‌تواند ناشی از بازدید‌های شش ماهه نگهداری، پایش و مدیریت سایت باشد. این صرفه بر مبنای هرکیلووات می‌تواند بیان شود.

تعمیر و نگهداری توربین

بازار پر سود تعمیر توربین بادی

بازار تعمیر و نگهداری توربین های انرژی بادی، که معمولا به صورت میزان سود سالیانه بر اساس مگاوات بیان می شود، تا سال 2009 به میزان حدود 4.5 بیلیون یورو(بر اساس هزینه ی فرضی 28000 یورو برای هر مگاوات در سال) اقدام به نصب توربین کرده است. مقدار 211 گیگاوات ظرفیت اضافه تا سال 2010، مبلغی حدود 3.6 میلیارد یورو به حساب می آید که حدودا 8 میلیارد یورو در سال را تخمین می زند. این هزینه ها در سال 2013 توسط پتر سوبودا، مشاور ارشد انرژی آلمان(BET)، مورد بررسی قرارگرفت و هزینه ی تعمیر و نگهداری میانگین توربین های جدید(بین 2 تا 4 سال ساخت) با ظرفیت میانگین 2 مگاوات و برای توربین های قدیمی تر(8 تا 11 سال ساخت) با ظرفیت میانگین 1.2 مگاوات براساس کیلووات ساعت فراهم شد که این مقدار حدود 0.014 یورو برای توربین های بادی جدید و 0.024 یورو برای توربین های قدیمی درنظرگرفته شد. سوبودا به این نکته اشاره کرد که استفاده از توربین در بیشترین ساعت کارکرد، متعاقبا بیشترین هزینه را برای تعمیر و نگهداری آن به بار خواهدآورد. همچنین طراحی توربین های بادی قدیمی زمانی اتفاق افتاد که شرایط باد و تاثیرات آن بر روی توربین بادی مانند امروز شناخته شده نبود. به همین دلیل توربین ها با طراحی قدیمی نسبت به توربین های جدید خطر بالاتری داشتند و بعد از 15 سال کارکرد، هزینه تعمیرات به طرز عجیبی بالا می رفت. توربین های بادی، به منظور جلوگیری از خطر سقوط، نیازمند تعمیر و نگهداری بیشتری هستند، هر چند ممکن است این تعمیرات باعث کاهش خروجی مطلوب آن ها شود. علاوه بر این، هزینه تعمیرات توربین های در بازه 15 تا 20 سال ساخت به میزان 0.03 تا 0.035 برای هر کیلووات ساعت خواهدبود. با این وجود، امید بسیاری برای کاهش هزینه ها و تعمیر و نگهداری، با تکیه بر فن آوری و طراحی توربین های جدید وجود دارد. پیشرفت در تکنولوژی توربین های بادی کمک کرده تا هزینه ی تعمیرات و نگهداری به طور قابل توجهی کاهش یابد. در گذشته، توربین های بادی برای مناطق با سرعت کم باد، طراحی و بهینه نشده بودند، لذا تعمیر و نگهداری توربین های این مناطق نسبت به توربین های جدید و توسعه یافته بیشتر بود.

تعمیر و نگهداری

رکوردها

بیشترین توان

توربین مدل E-۱۲۶ شرکت آلمانی انرکون با توان نامی ۷٫۵۸ مگاوات، بزرگ‌ترین توربین بادی جهان از نظر توان تولیدی است. ارتفاع کلی این توربین، ۱۹۸ متر و قطر پره‌های آن ۱۲۶ متراست.

شرکت‌های مختلفی در حال کار بر روی توربین بادی با توان ۱۰ مگاوات هستند، ولی هنوز چنین توربین بادی ساخته نشده‌است.

بزرگ‌ترین مساحت جاروب ‌شده

بلندترین پره‌ها و در نتیجه بیشترین مساحت جاروب‌شده مربوط به توربین باد ۴٫۵ مگاواتی است که در ساراگوسای اسپانیا نصب شده‌است. قطر پره‌های این توربین باد، ۱۲۸ متر است.

بزرگ ترین توربین در ساراگوسا

بلندترین

بلندترین توربین بادی جهان، توربین بادی است که در لاسو، در ایالت براندنبورگ آلمان نصب شده‌است. محور این توربین در ارتفاع ۱۶۰ متری از سطح زمین قرار گرفته و نوک پره‌های آن تا ارتفاع ۲۰۵ متر می‌رسند. این توربین، تنها توربین بادی جهان است که بیش از ۲۰۰ متر ارتفاع دارد.

بزرگ‌ ترین توربین بادی با محور عمودی

توربین Éole در یک نیروگاه بادی در کِبک کانادا بزرگ‌ترین توربین بادی با محور عمودی در دنیا است. این توربین بادی، ۱۱۰ متر ارتفاع و ۳٫۸ مگاوات توان دارد.

توربین با محور عمودی

نمونه هایی از بناهایی که در آنها از توربین بادی استفاده شده است:

مرکز تجارت جهانی بحرین

توربین بادی که تاکنون به عنوان یک منبع تأمین انرژی برق در شهرهای بادخیز جایگزین نیروگاه‌ها بوده با ابتکار معمار برجسته شرکت ساختمانی اتکینز (Atkins) در برج تجارت جهانی در بحرین نصب شده تا به عنوان روش جدید تأمین انرژی برق در ساختمان‌های نسل امروز به کار گرفته شود. این برج در قسمتی از ساحل بحرین که سرعت باد در آن بیشتر از مناطق دیگر است، احداث شده‌است.

سه ملخ ۳۰ متری که بین این دو برج قرار دارد، ۱۱۰۰ مگاوات برق در سال برای این ساختمان‌های ۴۲ طبقه تولید می‌کند. طبقات مختلف این برج دیدهای متفاوتی به روز کل جزیره دارد. تحقیقات به منظور طراحی این برج بیش از ۵ سال به طول انجامید.

پیش از ساخته شدن این ساختمان، ابهامات زیادی وجود داشت. سر و صدای ناشی از چرخیدن توربین‌ها برای ساکنان ساختمان، فشار با بار توربین‌ها به دو ساختمانی که قرار است این توربین‌ها در جایگاه پل، آن‌ها را به هم وصل کند، تأثیر رعد و برق و حرکت پرندگان بر حرکت توربین و ده‌ها نکتهٔ دیگر که فهرست آن به ۲۰۰ مورد رسیده بود. همه این سناریوها با در نظر گرفتن مسائل خطر و ریسک ناشی از آن مورد بررسی قرار گرفت. تحقیقات نشان می‌دهد که نزدیک به ۷۰٪ از بادهایی که از خلیج فارس به ساحل بحرین می‌وزد، در حد فاصل ۶۰ درجه‌ای ساحل فرود می‌آید. به همین دلیل قرار شد این ساختمان به صورت مجموعه‌ای از دو سازهٔ موازی ساخته شود که توربین‌های بادی مانند پلی این دو بازو را به هم متصل کند.

در این توربین‌ها لنزهایی کار گذاشته شده که وقتی نزدیک شدن یک شیء مانند پرنده یا وجود رعد و برق را تشخیص می‌دهد، دستور خاموش شدن خودکار توربین‌ها صادر می‌کند. صدای توربین‌ها هم با دستگاه کنترل صوتی که درون آن‌ها کار گذاشته شده، تا حد زیادی کنترل می‌شود.

هر کدام از این سه توربین ۲۲۵ کیلووات برق تولید می‌کنند که در مجموع ظرفیت تولید برق آن‌ها به ۶۷۵ کیلووات می‌رسد. محاسبات نشان می‌دهد که این توربین‌ها ۱۰ تا ۱۵ درصد از نیاز این ساختمان به انرژی را تأمین می‌کند. معلوم نیست که عمر این توربین‌ها چقدر خواهد بود اما سازندگان آن می‌گویند که چون از نظر جغرافیایی این ساختمان در مکانی واقع شده که سازه‌ای در اطراف آن نیست و باد تمیز از این توربین‌ها عبور می‌کند، شاید عمر آن‌ها تا ۲۰ سال برسد.

فاصله این دو ساختمان در قسمت جلو ۱۲۰متر و در قسمت عقب ۳۰ متر است. به این ترتیب حداکثر میزان باد به این توربین‌ها برخورد می‌کند. طراحی ساختمان‌ها هم به گونه‌ای است که نه تنها سرعت باد را می‌افزاید بلکه جریان آن را به سمت توربین‌ها هدایت می‌کند. سه توربین واقع شده بین این دو ساختمان با یک سرعت می‌چرخند و به همین دلیل جریان برق تولید شده توسط آن‌ها یکسان است.

توربین مرکز تجاری بحرین

برج فانوس دریایی دبی

این برج که توسط گروه مهندسین مشاور اتکینز طراحی شده‌است دارای ۶۶ طبقه به ارتفاع ۴۰۰ متر و زیر بنای ۱۴۰ هزار متر مربع است. در سمت جنوبی این بنا تعداد ۴۰۰۰ پانل خورشیدی پیش‌بینی شده‌است. ۳ توربین بادی به قطر ۲۹ متر نیز در بخش فوقانی بنا تعبیه شده‌اند. طراحان ادعا دارند که این ساختمان نسبت به دیگر ساختمان‌های مشابه ۶۵٪ انرژی کمتر و ۴۰٪ آب کمتر مصرف خواهد نمود.

توربین برج فانوس دریایی دبی

برج رودخانه پرل در چین

این بنا در گوانگژو چین واقع در یک شهر بندری نیمه گرمسیری با ۶٫۶ میلیون نفر جمعیت در ۱۸۲ کیلومتری هنگ کنگ احداث می‌شود. این برج هم که یکی دیگر از آسمان خراش‌های سبز دنیا با ارتفاع ۳۰۰ متر به‌شمار می‌رود، توسط (SOM: Skidmore, Owings & Merrill) طوری طراحی شده که باد را در طول خود درو می‌کند. در بدنه این ساختمان توربین‌های بادی طراحی شده تا با استفاده از این باد انرژی تولید کند. این برج از دور به یک بال غول پیکر شبیه است که باد را از میان ۶۹ طبقه خود عبور می‌دهد. این ساختمان گرما و سرما را هم درون خود نگاه می‌دارد.

SOM  ادعا دارد که مصرف انرژی این ساختمان به دلیل استفاده حداکثری از نور روز در عین پرهیز از نفوذ اشعه ناخواسته خورشید در فضاهای با سامانه تهویه مطبوع و گرم کردن آب گرم مصرفی توسط خورشید به حداقل ممکن می‌رسد.

تهویه دودکشی، خنک‌سازی تابشی سقف و کف و استفاده از شیشه‌های دو جداره با پرده‌های میانی برای سایه اندازی از جمله عوامل خنک‌سازی ساختمان به‌شمار می‌روند که موجب صرفه جویی ۴۰ درصدی نسبت به روش‌های متداول می‌گردد. همچنین در این بنا از روش زمین سرمایی به منظور خنک‌سازی مقدماتی در چیلرها استفاده می‌گردد که این امر موجب کاهش ۳۰ درصدی در ابعاد تأسیسات مورد نیاز می‌گردد.

این ساختمان به گونه‌ای طراحی شده‌است که جریان باد از طریق یک جفت بازشو به سمت طبقات تأسیساتی که گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع ساختمان را از طریق توربین‌های تعبیه شده تأمین می‌کند هدایت می‌شود. انرژی تولید شده توسط توربین‌ها، قابلیت ذخیره شدن در باتری‌هایی که در طبقات تأسیساتی تعبیه شدند را داراست.

از جمله خاصیت‌های طبقات تأسیساتی، مهار کردن ارتعاشات و صدای حاصل از فعالیت توربین‌ها است.

برج رودخانه پرل چین
توربین پرل چین

با ما همراه باشید…

فروشگاه اینترنتی ایران الکتریک

Iran Electric Shop

هم اکنون خرید کنید...

دیدگاهتان را بنویسید

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

سیزده + 10 =