توربین های بادی و هر آنچه لازم است درباره آنها بدانید!

هزاران سال است که مردم از انرژی باد استفاده می کنند. ۵ هزار سال قبل از میلاد مردم از نیروی باد برای قایقرانی استفاده می کردند و ۲۰۰ سال قبل از میلاد پمپ های ساده بادی در چین و آسیاب های بادی در ایران و خاورمیانه استفاده می شدند که امروزه این صنعت گسترش یافته و توربین های بادی جای ابزارهای قدیمی را گرفته اند.

تا قرن یازدهم مردم خاورمیانه از بادگیرها و آسیاب های بادی به طور گسترده برای تولید مواد غذایی استفاده می کردند. بازرگانان و صلیبیان فناوری باد را به اروپا آوردند و هلندی ها بادگیرهای بزرگی را برای تخلیه دریاچه ها و باتلاق ها در دلتای رودخانه راین ایجاد کردند. در اواخر دهه ۱۸۰۰ و اوایل ۱۹۰۰ توربین های بادی برقی کوچک نیز مورد استفاده گسترده قرار گرفتند.

کمبودهای نفتی دهه ۱۹۷۰ جهان را تغییر داده و به دلیل کمبود نفت و نگرانی های زیست محیطی مصرف انرژی باد گسترش یافته است. کمبودهای نفت باعث علاقه دولت ها به استفاده از منابع انرژی جایگزین مانند انرژی باد و خورشید برای تولید برق شده است و برخی از کشورها انگیزه ها و مشوق هایی را برای استفاده از توربین های بادی ایجاد کرده اند. همچنین بهتر است بدانید که برخی از دولت ها  بودجه تحقیق و توسعه ای توربین های بادی را تأمین کرده و مشوق های مالیاتی و سرمایه گذاری برای پروژه های مربوط به انرژی بادی را ارائه داده اند. سهم تولید برق ایالات متحده از باد در سال ۱۹۹۰ کمتر از ۱ درصد و در سال ۲۰۱۸ سهم تولید برق این کشور از باد تقریبا ۷ درصد بود. چین سرمایه گذاری زیادی در انرژی باد کرده و اکنون بزرگترین ظرفیت تولید برق بادی جهان را دارد. اما سهم ایران در استفاده از این انرژی تجدیدپذیر چقدر است؟!

باد چیست و توربین بادی چگونه وسیله ای است؟

باد نوعی انرژی خورشیدی است که در اثر ترکیب همزمان سه رویداد زیر ایجاد می شود:

۱- گرم کردن ناموزون هوا توسط خورشید

۲- بی نظمی های سطح زمین

۳- چرخش زمین

آسیاب های بادی مدرن یا توربین های بادی (به انگلیسی: wind turbines) وسیله ای هستند که انرژی جنبشی حاصل از باد را به الکتریسیته تبدیل می کنند. بسته به نوع فناوری، پره های یک توربین بادی بین ۱۳ تا ۲۰ چرخش در دقیقه با سرعت ثابت یا متغیر انجام می دهد و سرعت روتور با توجه به سرعت باد متفاوت خواهد بود.

تکامل سریع فناوری باد منجر به افزایش دوام توربین های بادی شده است، این نوع توربین ها دارای عمر متوسط بیش از ۲۵ سال هستند. اگر فقط بتوانیم یک درصد از انرژی بادی زمین را مهار کنیم می توانیم تمام برق جهان را تأمین نماییم.

ویژگی های توربین بادی

عملکرد یک توربین بادی را می توان با مراحل زیر توضیح داد:

اجزای توربین بادی
اجزای توربین بادی
  • جهت گیری خودکار

توربین های بادی به طور خودکار با استفاده از داده های ثبت شده توسط پره توربین و بادسنج که در نوک آن نصب شده اند جهت استفاده حداکثری از انرژی جنبشی باد، موقعیت یابی و جهت گیری می شوند. گهواره موتور دورِ تاج ​​که در انتهای برج قرار دارد می چرخد.

  • چرخش پره های توربین

باد زمانی باعث چرخش پره های توربین می شود که با سرعت حدود ۳٫۵ متر بر ثانیه بوزد. همچنین باد با سرعت ۱۱ متر بر ثانیه باعث چرخش حداکثری توربین ها می شود. هنگامی که وزش باد شدید باشد (۲۵ متر بر ثانیه)، پره های توربین نیم چرخ می زنند و به تبع آن توربین های بادی کند می شود تا از ولتاژ زیاد جلوگیری کند.

  • جعبه دنده

روتور یک واحد سه تیغه ای بوده که در وسط توربین کار گذاشته شده و یک محور آهسته متصل به جعبه دنده یا گیربکس را می چرخاند و سرعت چرخش را از ۱۳ تا ۱۵۰۰ دور در دقیقه افزایش می دهد.

  • تولید نیرو

جعبه دنده انرژی خود را از طریق یک محور سریع متصل به ژنراتور که برق تولید می کند انتقال می دهد.

  • تخلیه یا برون ریزی

انرژی تولید شده از داخل برج به پایه جریان می یابد و از آنجا انرژی از یک خط زیرزمینی به ایستگاه فرعی جریان می یابد که ولتاژ آن به منظور تزریق انرژی به شبکه الکتریکی و توزیع آن در نقاط مصرف افزایش می یابد.

  • مونیتورینگ یا نظارت

به منظور شناسایی و برطرف کردن هرگونه حوادث، کلیه عملکردهای مهم توربین های بادی از مرکز کنترل و ایستگاه فرعی، نظارت و مدیریت می شود.

انواع توربین های بادی

توربین های بادی مدرن در ۲ گروه اساسی قرار می گیرند:

انواع توربین های بادی
مقایسه توربین بادی با محور افقی با توربین بادی با محور عمودی

۱- توربین بادی با محور افقی (horizontal-axis Turbines)

نوع رایج توربین های بادی بوده که رو به باد قرار دارند و همان چیزی است که بسیاری از افراد هنگام فکر کردن به توربین های بادی تصور می کنند. به طور معمول آنها دارای سه تیغه بوده و با حرکت محوری پره های توربین در بالای برج، خلاف جهت باد کار می کنند.

مزایا:

  • امکان دسترسی به بادهای قوی در برج های بلند
  • امکان به کارگیری آنها در سواحل و دریاها
  • بازدهی بالا

معایب:

  • کار نکردن در ارتفاع پایین
  • مشکل بودن انتقال سازه ها
  • سخت بودن نصب و راه اندازی
  • پرهزینه بودن تعمیر و نگهداری
  • ایجاد آلودگی صوتی

۲- توربین بادی با محور عمودی (vertical-axis Turbines)  

دو مدل مختلف از این نوع توربین ها وجود دارد:

۱- Darrieus  یا سبک تخم مرغی که نام آن را یک مخترع فرانسوی گذاشته است.

۲- Savnoius  که مثل آسیاب آبی کار می کند.

این نوع توربین ها همه کاره هستند، بدین معنی که برای بهره برداری از باد نیازی به تنظیم ندارند.

 مزایا:

  • نصب آنها در پشت بام منازل
  • عملکرد مناسب زمانِ وزیدن بادهای نامنظم
  • نصب نزدیک زمین
  • ایمنی و ارزان بودن
  • تعمیر و نگهداری آسان

 معایب:

  • کمتر بودن بازدهی نسبت به توربین های محور افقی
  • سخت بودن نصب شان در برج های بلند
  • فرسایش سازه های این نوع توربین ها به علت وزیدن بادهای نامنظم
  • در توربین های بادی با محور عمودی چون می‌توان اجزایی همانند ژنراتور را در نزدیکی زمین قرار داد، از این رو نیازی نیست که برج کنترل از آنها مراقبت کند.
  • بهتر است بدانید که ایرانیان باستان اولین توربین های بادی را با رویکرد Savnoius به کار می بردند و جزو کارآمدترین و خلاق ترین اقوامی بودند که انرژی باد را مهار کردند.
  • آسیاب بادی ۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح مورد استفاده قرار می گرفت.

 اندازه توربین های بادی

۱- توربین بادی در مقیاس بهره وری (Tility scale wind turbine)

این توربین های بادی در مقیاس بهره وری از ۱۰۰ کیلووات تا چندین مگاوات متغیر هستند و در کارخانه تولیدات توربین با همدیگر گروه بندی می شوند.

۲- توربین بادی دریایی (Offshore wind turbine)       

توربین های بادی دریایی بسیار عظیم الجثه می باشند. آنها مشکلات و چالش های حمل و نقل مشابه تأسیسات بادی مستقر در زمین را ندارند زیرا اجزای بزرگ آنها را می توان با کشتی انتقال داد. این توربین ها می توانند از بادهای قدرتمند اقیانوسی انرژی زیادی تولید کنند.

۳- توربین بادی کوچک (Single small wind turbine) 

توربین های بادی کوچک زیر ۱۰۰ کیلووات انرژی الکتریسیته تولید می کنند و معمولاً برای کاربردهای مسکونی، کشاورزی، تجاری و صنعتی کوچک استفاده می شوند. این سیستم ها، سیستم های بادی هیبریدی نامیده می شوند و به طور معمول در مکان های از راه دور و خارج از شبکه (جایی که اتصال به شبکه کنترل در دسترس نباشد) مورد استفاده قرار می گیرند. این نوع توربین ها را می توان در سیستم های انرژی ترکیبی با دیگر منابع انرژی توزیع شده مانند میکروشبکه های تولید شده توسط دیزل ژنراتورها، باتری ها و فتوولتائیک ها استفاده کرد.

۴- توربین بادی توزیع شده (Distributed wind turbine)        

وقتی توربین هایی با اندازه های مختلف در مکان یا نزدیک به مکانی که انرژی آنها مورد استفاده قرار می گیرد نصب شوند؛ به آنها توربین های بادی توزیع شده گفته می شود.

نصب توربین بادی
نصب توربین های بادی

مزایا و معایب توربین های بادی

مزایا:

۱- کاهش اثرات مخرب زیست محیطی

۲- عدم انتشار هیچ یک از گازهای گلخانه ای

۳- ممانعت از آلودگی ناشی از حمل ونقل

۴- تولید برق بدون استفاده از آب (کاهش انرژی ناشی از خشکسالی) و جلوگیری از آلودگی آب

۵- تولید برق در کل ساعات شبانه روز در مناطق بادخیز

۶- ترکیب با پنل های خورشیدی در مکان های آفتابی و بادی

۷- قابلیت نصب تجاری یا خانگی

۸- جاگیر نبودن توربین های بادی

۹- صرفه جویی در هزینه برق و مقرون به صرفه بودن

۱۰- عدم نیاز به سوخت و کاهش مصرف سوختهای فسیلی

معایب:

۱- تأثیر روی اکوسیستم منطقه به علت کندن گودال های عمیق در زمین

۲- تغییر کاربری زمین با گونه های گیاهی متفاوت بعد از احداث تأسیسات در منطقه

۳- نابودی باتلاق ها و زیستگاه های حیات وحش به علت احداث جاده برای دسترسی به محل نصب

۴- مشکل دفع و بازیافت پره های توربین

۵- آلودگی صوتی حاصل از پره های توربین

۶- مرگ پرندگان و حشرات بوسیله پره های توربین

آسیاب بادی
آسیاب بادی

نتیجه گیری

انسانها از جریان باد یا انرژی حرکتی برای اهداف زیادی همانند قایقرانی، پرواز بادبادک و حتی تولید برق استفاده می کنند. توربین های بادی بر اساس یک اصل ساده کار می کنند: به جای استفاده از برق برای ساخت باد، از باد برای ساخت برق استفاده کنید.

به طور خلاصه توربین های بادی با استفاده از نیروی آیرودینامیکی حاصل از تیغ های روتور (دواره) که مانند بال هواپیما (یا تیغه روتور هلیکوپتر) کار می کنند، انرژی باد که یک انرژی تجدید پذیر است را به برق تبدیل می کنند. هنگامی که باد در تیغه جریان می یابد فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می یابد. اختلاف فشار هوا در دو طرف تیغه باعث بالا بردن و کشیدن می شود. قوی تر بودن نیروی بالا برنده نسبت به کشش باعث چرخش روتور می شود. روتور که یا به طور مستقیم یا از طریق شافت و یک سری چرخ دنده ها و گیربکس به ژنراتور متصل شده باعث افزایش چرخش می شود و یک ژنراتور کوچکتر را به کار می اندازد. در نهایت تبدیل نیروی آیرودینامیکی به نیروی چرخشی در یک ژنراتور تولید برق می کند.

1 دیدگاه برای “توربین های بادی و هر آنچه لازم است درباره آنها بدانید!

  1. 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.

دیدگاهتان را بنویسید

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