سه شنبه ۱۱ آذر ۱۳۹۹

مجله آنلاین شِلِپ

نوشته کامل

توربین بادی چیست؟ تاریخچه، انواع، نحوه کار، مزایا و معایب

در این مطلب از مجله آنلاین شلپ به شما خواهیم گفت که توربین بادی چیست و چه انواعی دارد، تاریخچه آن از کجا آغاز شده و استفاده از آن چه مزایا و معایبی برای بشر خواهد داشت. توربین بادی چیست ؟ توربین بادی به توربینی گفته می شود که انرژی جنبشی باد را به انرژی […]

توربین بادی چیست
بدون دیدگاه

در این مطلب از مجله آنلاین شلپ به شما خواهیم گفت که توربین بادی چیست و چه انواعی دارد، تاریخچه آن از کجا آغاز شده و استفاده از آن چه مزایا و معایبی برای بشر خواهد داشت.

توربین بادی چیست ؟

توربین بادی به توربینی گفته می شود که انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. توربین های بادی در دو نوع با محور افقی و با محور عمودی ساخته می شوند. توربین های بادی کوچک برای کاربردهایی مانند شارژکردن باتری ها و یا تقویت توان حرکتی در قایق های بادبانی مورد استفاده قرار می گیرند، درحالی که توربین های بادی بزرگتر با چرخاندن ژنراتور و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی، به عنوان یک منبع تولید برق مورد استفاده قرار می گیرند. حال که متوجه شدید توربین بادی چیست ، بد نیست تا با تاریخچه ساخت این توربین ها نیز آشنا شوید.

توربین بادی چیست

تاریخچه ساخت توربین بادی چیست و از کجا سر چشمه می گیرد ؟

اولین استفاده از انرژی باد به زمان بسیار دور و دوران استفاده از توربین های چرخان جهت کمک به عملکرد آسیاب های بادی بر می گردد. تعداد پره های این آسیاب ها ۱۲ عدد بود و پره ها از بالای یک دکل عمودی همانند بادبان های یک کشتی که از فراز دکل و بازوی افقی دکل آویزانند، آویخته شده بود.

شاید بتوان شکل کلی این آسیاب ها را با چرخ و فلک های شهربازی های امروزی مقایسه کرد که محور اصلی آنها در مرکز یک دایره روی زمین نصب شده است و اتاقک های چرخ و فلک همیشه فاصله ثابتی از سطح زمین دارند. این نوع طراحی برای آسیاب های بادی، شاید از بادبان های یک کشتی، یا از چرخ های دعای بودایی ها، که با نیروی باد میچرخید، الهام گرفته شده باشد.

 تاریخچه توربین بادی درایران

استفاده از انرژی باد پیشینه دراز مدتی داشته و به سده پیش از میلاد در ایران باستان باز می گردد. برای نخستین بار ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دولاب یا چرخ چاه را به گردش در آورده و آب را از چاه ها به سطح مزارع برسانند. نخستین ماشینی که با استفاده از نیروی باد به حرکت درآمد، چرخ بادی هرون بود. ولی نخستین آسیاب بادی عملی، در سده ۷ میلادی در سیستان ساخته شد.

ساخت اولین توربین بادی در جهان

پیدایش آسیاب های بادی در اروپا مربوط به سده های میانه است. نخستین مورد ثبت شده در مورد استفاده از آسیاب های بادی، در کشور انگلستان و مربوط به سده های ۱۱و ۱۲ میلادی است.

نخستین توربین بادی با کاربرد تولید برق، یک ماشین شارژ باتری بود که در ژوئیه ۱۸۸۷ توسط یک مهندس اسکاتلندی به نام “جیمز بلایث” ساخته شد. چند ماه بعد، مخترع آمریکایی “چارلز فرانسیس براش” نخستین توربین باد خودکار را برای تولید برق در اوهایو آمریکا ساخت. در سال ۱۹۰۸، ۷۲ توربین بادی با کاربرد تولید برق (بین ۵ تا ۲۵ کیلووات) در آمریکا فعال بودند.

در دهه ۱۹۳۰، استفاده از توربین های بادی کوچک برای تولید برق مورد نیاز مزارع درآمریکا که هنوز سامانه سراسری توزیع برق در آن راه اندازی نشده بود، بسیارمتداول بود. نخستین توربین بادی متصل به شبکه برق، در بریتانیا و در سال ۱۹۵۱ ساخته شد.

آسیاب بادی

توربین های مورد استفاده در آسیاب بادی

انواع توربین های بادی

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

 توربین بادی با محور افقی چیست ؟

در توربین های بادی با محور افقی که به اختصار HAWT هم نامیده می شوند، یک روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای یک برج بلند قرار گرفته که باید در راستای باد قرار گیرند. توربین های بادی کوچک برای تعیین جهت وزش باد از یک باد نمای ساده استفاده می کنند، ولی توربین های بزرگتر معمولا از یک سنسور باد که با یک موتوردر ارتباط است، استفاده می کنند. بیشتر این توربین های بادی، با استفاده از یک جعبه دنده، سرعت چرخش پره ها را افزایش می دهند.

توربین های بادی با محور عمودی چیست ؟

در توربین های بادی با محور عمودی که به اختصار VAWT نامیده می شوند، روتور اصلی به صورت عمودی قرار می گیرد. مهمترین برتری این نوع از توربین های بادی نسبت توربین های با محور افقی آن است که این توربین ها نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت وزش باد ندارند. این نکته در مکان هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلا در بالای ساختمان های مسکونی، یک امتیاز به شمار می رود.

مهمترین عیب این نوع توربین ها، کم بودن سرعت دورانی آنها و درنتیجه زیاد بودن گشتاورو هزینه بیشتر سیستم انتقال قدرت و پیچیدگی زیاد طراحی پره های آنهاست. دراین توربین ها با توجه به عمودی بودن محور، جعبه دنده و ژنراتور می توانند در نزدیکی زمین قرار گیرند که این موضوع دسترسی به این تجهیزات را برای نگهداری و تعمیر، آسانتر می کند.

توربین های بادی امروزی

توربین های بادی که امروزه در نیروگاه های بادی برای تولید تجاری برق مورد استفاده قرار میگیرند، معمولا دارای سه پره بوده و با استفاده از سامانه های کنترل رایانه ای در جهت وزش باد قرار می گیرند. البته توربینهای بادی دو پره و حتی یک پره هم در برخی موارد مورد استفاده قرار می گیرند.

پره های این توربین ها، معمولا طولی بین ۲۰ تا ۴۰ متر و حتی بیشتر و سرعت دورانی حدود ۱۰ تا ۲۲ دور بر دقیقه دارند. اگر طول پره یک توربین بادی، ۴۰ متر بوده و با سرعت ۲۰ دور بر دقیقه دوران کند، سرعت خطی نوک پره های آن، حدود ۸۴ متر برثانیه خواهد بود. برجی که پره ها بر بالای آن نصب می شوند، به صورت لوله فولادی و به ارتفاع ۶۰ تا ۹۰ متر است.

معمولا با استفاده از جعبه دنده، سرعت چرخش محور افزایش داده می شود ولی در برخی از طراحی ها، محور با همان سرعت، یک ژنراتور حلقوی را میچرخاند. برخی از مدل های توربین بادی، در سرعت ثابت کار می کنند ولی توربین های با سرعت متغیر انرژی بیشتری می توانند تولید کنند که به واسطه نیروی لیفت و دراگ، پره ها به حرکت در می آیند.

انواع توربین بادی

توربین با محور افقی ——————– توربین امروزی ——————– توربین با محور عمودی

توربین بادی چگونه کار میکند ؟

توربین های بادی انرژی جنبشی باد را به توان مکانیکی تبدیل می نمایند و این توان مکانیکی از طریق شفت به ژنراتور انتقال پیدا کرده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می شود. توربین های بادی بر اساس یک اصل ساده کار میکنند:

  • انرژی باد، دو یا سه پره ای را که به دور روتور توربین بادی قرار گرفته اند به چرخش درمی آورد.
  • روتور که به یک شفت مرکزی متصل می باشد، با چرخش پره ها سبب چرخش ژنراتور می شود.
  • چر خش ژنراتور سبب تولید الکتریسیته و برق می شود.

 

به طور کلی توربین های بادی بر روی دکل های بلندی نصب می شوند تا بیشترین انرژی ممکن را دریافت کنند، بلندی این دکل ها به ۳۰ تا ۴۰ متر بالاتر از سطح زمین می رسد.

اجزای تشکیل دهنده توربین بادی چیست ؟

باد سنج (Anemometer)

این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به کنترل کننده ها انتقال می دهد.

پره ها (Blades)

بیشتر توربین ها دارای دو یا سه پره می باشند. وزش باد بر روی پره ها باعث بلند کردن و چرخش پره ها می شود.

ترمز (Brake)

از این وسیله برای توقف روتور در مواقع اضطراری استفاده می شود. عمل ترمز کردن می تواند به صورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی انجام گیرد.

کنترلر (Controller)

کنترلرها وقتی که سرعت باد به ۸ تا ۱۶ کیلومتر بر ساعت می رسد، ماشین را راه اندازی می کنند و وقتی سرعت از ۶۵ کیلومتر بر ساعت بیشتر می شود دستور خاموش شدن ماشین را می دهند. این عمل از آن جهت صورت می گیرد که توربین ها قادر نیستند زمانی که سرعت باد به ۶۵ کیلومتر بر ساعت می رسد حرکت کنند زیرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسیار بالایی خواهد رسید و ممکن است توربین آسیب ببیند.

گیربکس (Gear box)

گیربکس یا چرخ دنده در واقع وظیفه افزایش سرعت چرخش پره ها را بر عهده دارد. هزینه ساخت گیربکس ها بالاست و از لحاظ وزنی بسیار سنگین هستند. مهندسان در حال انجام تحقیقات گسترده ای می باشند تا درایوهای مستقیمی کشف نمایند و ژنراتورها را با سرعت کمتری به چرخش درآورند تا نیازی به گیربکس نداشته باشند.

ژنراتور (Generator)

وظیفه آن تولید برق متناوب می باشد و بیشتر از نوع ژنراتورهای القایی می باشد.

شفت با سرعت بالا (High-speed shaft)

وظیفه آن به حرکت درآوردن ژنراتور میباشد.

شفت با سرعت پایین (Low-speed shaft)

روتور حول این محور چرخیده و سرعت چرخش آن ۳۰ تا ۶۰ دور در دقیقه می باشد.

روتور (Rotor)

پره ها و هاب به روتور متصل هستند.

برج (Tower)

از فولادهایی که به شکل لوله درآمده اند ساخته می شوند. توربین هایی که بر روی برج هایی با ارتفاع بیشتر نصب شده اند انرژی بیشتری دریافت می کنند.

جهت باد (Wind direction)

توربین هایی که از این فناوری استفاده می کنند در خلاف جهت باد نیز کار می کنند در حالی که توربین های معمولی فقط در جهت وزش باد کار می کنند.

باد نما (Wind vane)

وسیله ای است که جهت وزش باد را اندازه گیری می کند و کمک می کند تا جهت توربین نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد.

درایو انحراف (Yaw drive)

وسیله ای است که وضعیت توربین را هنگامی که باد در خلاف جهت می وزد کنترل می کند و زمانی استفاده می شود که قرار است روتور در مقابل وزش باد در جهت مخالف قرار بگیرد. زمانی که باد در جهت حرکت پره های توربین می وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمی باشد.

 موتور انحراف (Yaw motor)

برای به حرکت درآوردن درایو انحراف مورد استفاده قرار می گیرد.

اجزای توربین بادی

مزایای و معایب توربین های بادی چیست ؟

مزایای توربین های عمودی

  • از مزایای این نوع توربین عمودی نسبت به توربین های بادی محور افقی، عدم حساسیت به جهت باد و آشفتگی آن میباشد. این نکته در مکان هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلا در بالای ساختمان های مسکونی، یک امتیاز به شمار می رود.
  • عملکرد مناسب هنگام وزش بادهای شدید و گردبادها ازمزایای مهم این نوع توربین هاست.
  • توربین بادی محور عمودی می تواند در فواصل نزدیکتر به زمین نصب گردد و در آن جعبه دنده و ژنراتور در نزدیکی زمین قرار می گیرند که این موضوع سبب امنیت بیشتر و کاهش هزینه های تعمیر نگهداری آن می شود.

معایب توربین های عمودی

  • مشکل اصلی این نوع توربین ها، ایجاد نیروی مخالف نسبت به بادی است که به پره دیگر می وزد. پس بازدهی انفرادی پره ها در مقایسه با توربین های افقی کمتر است.
  • نصب توربین های محور عمودی روی برج ها سخت است؛ بدین معنی که آنها باید در جریان های هوایی آهسته تر و نزدیک به زمین نصب شوند تا با بازده و استخراج انرژی بیشتری داشته باشند.
  • هزینه بالای طراحی و تحلیل ایرفویل پره ها از دیگر مسائل و مشکلات این نوع توربین هاست.
  • جبران بازده کمتر توربین های محور عمود از طریق چیدمان فشرده تر آنها و طراحی جدید امکانپذیر است که البته هزینه های بالایی را به دنبال دارد.

مزایای توربین های افقی

  • تیغه ها به سمت مرکز گرانش توربین هستند که به ثبات آن کمک می کند.
  • تیغه ها برای قرار گیری در بهترین زاویه قابلیت پیچ و تاب دارند و تنظیم دارند.
  • با پیچ کردن تیغه ها به روتور در هنگام طوفان آسیبی نمی رسد.
  • بلندی برج این امکان را می دهد تا دسترسی به بادهای شدید و قوی بیشتر شود.
  • قابل استفاده در زمین های ناهموار و دور از ساحل می باشند.

معایب توربین های افقی

  • کارکرد سخت در نزدیک سطح زمین
  • سختی درحمل و نقل
  • نصب و راه اندازی دشوار
  • تاثیری پذیری از امواج رادیویی متفرقه
  • تعمیر و نگهداری پیچیده

رکوردها و ترین های توربین بادی چیست ؟

قوی ترین توربین بادی جهان

توربین مدل E-126 شرکت آلمانی انرکونبا، با توان نامی ۷٫۵۸ مگاوات، بزرگترین و قوی ترین توربین بادی جهان از نظر توان تولیدی است. ارتفاع کلی این توربین، ۱۹۸ متر و قطر پره های آن ۱۲۶ متراست. شرکت های مختلفی در حال کار بر روی توربین بادی با توان ۱۰ مگاوات هستند، ولی هنوز چنین توربین بادی در جهان ساخته نشده است.

بزرگترین توربین بادی جهان

بلندترین پره ها و در نتیجه بیشترین مساحت جاروب شده مربوط به توربین بادی ۴٫۵ مگاواتی است که در ساراگوسای اسپانیا نصب شده است. قطر پره های این توربین بادی، ۱۲۸ متر است.

بلندترین توربین بادی جهان

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

بلند تربن توربین بادی جهان

بلند ترین توربین بادی جهان در آلمان

چند نمونه از کاربردهای توربین های بادی

توربین بادی مرکز تجارت جهانی بحرین

این توربین در قسمتی از ساحل بحرین که سرعت باد در آن بیشتر از مناطق دیگر است، احداث شده است. سه ملخ ۳۰ متری که بین این دو برج قرار دارد، ۱۱۰۰ مگاوات برق را در سال برای این ساختمان های ۴۲ طبقه تولید می کند. 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 توربین ها برای ساکنان ساختمان، فشاری که توربینها به دو ساختمانی وارد می کند، تاثیر رعد و برق و حرکت پرندگان بر حرکت توربین و ده ها نکته 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 می وزد، در حد فاصل ۶۰ درجه ای ساحل فرود می آید. به همین دلیل قرار شد این ساختمان به صورت مجموعه ای از دو سازه موازی ساخته شود که توربین های بادی مانند پلی این دو بازو را به هم متصل کند.

در این توربین ها لنزهایی کار گذاشته شده که وقتی نزدیک شدن یک شیء مانند پرنده یا وجود رعد و برق را تشخیص می دهد، دستور خاموش شدن خودکار توربین ها را صادر می کند. صدای توربین ها هم با دستگاه کنترل صوتی که درون آنها کار گذاشته شده، تا حد زیادی کاهش یافته است. هر کدام از این سه توربین ۲۲۵ کیلووات برق تولید می کنند که در مجموع ظرفیت تولید برق آنها به ۶۷۵ کیلووات میرسد. محاسبات نشان می دهد که این توربینها ۱۰ تا ۱۵ درصد از نیاز این ساختمان به انرژی را تامین می کنند.

توربین بادی مرکز تجارت جهانی بحرین

توربین بادی مرکز تجارت جهانی بحرین

توربین بادی برج فانوس دریایی دبی

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

توربین بادی چگونه کار میکند

توربین بادی 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 شده است. این برج هم که یکی دیگر از آسمان خراشهای سبز دنیا با ارتفاع ۳۰۰ متر به شمار میرود. در بدنه این ساختمان توربین های بادی طراحی شده تا با استفاده از آنها بتوان از طریق انرژی باد برق تولید کرد.

این برج از دور به یک بال غول پیکر شبیه است که باد را از میان ۶۹ طبقه خود عبور می دهد. این ساختمان گرما و سرما را هم درون خود نگاه میدارد. این ساختمان به گونه ای طراحی شده است که جریان باد از طریق یک جفت بازشو به سمت طبقات تاسیساتی که گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع ساختما نرا از طریق توربین های تعبیه شده تامین می کند هدایت شود. انرژی تولید شده توسط توربین ها، قابلیت ذخیره شدن در باتری هایی که در طبقات تاسیساتی تعبیه شدند را دارا می باشند.

 

منبع:

wikipedia

archive


مطالب مرتبط


بخش نظرات

نظرتان را بنویسید