در راستای توسعه انرژی‌های پاک این بار بنا داریم در مورد نیروگاه بادی که یکی از مهم‌ترین مدل‌های نیروگاهی در زمرهٔ تولید انرژی پاک می‌باشد صحبت کنیم. در حال حاضر نیروگاه بادی یکی از مقرون‌به‌صرفه‌ترین نیروگاه‌ها در حوزه انرژی سبز می‌باشد.

امروزه شرکت‌های رده‌بالا در حوزه تولید انرژی تمایل بسیار زیادی به احداث نیروگاه‌های بادی از خود نشان می‌دهند و مسلماً علت آن مزایای اقتصادی خوب این نیروگاه نسبت به سایر روش‌های تولید انرژی پاک می‌باشد.

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند:

• انواع توربین‌های بادی
• ساختمان توربین‌های بادی
• امکان‌سنجی احداث نیروگاه
• آسیب‌های توربین بادی
• نحوه عملکرد توربین بادی
• بادها در ایران
• نیروگاه‌های بادی در ایران
• مدل‌های غیرعادی توربین‌های بادی
• سوالات متداول نیروگاه بادی

یکی از مشکلات انرژی‌های پاک مدت‌زمان در مدار و یا نسبت پاسخگویی می‌باشد؛ به طور مثال استفاده از نیروی خورشید تنها در طول روز و حتی در مواردی ساعاتی از روز امکان‌پذیر است که دلیل آن ابری بودن آسمان می‌باشد. در این میان باد دارای راندمان بالاتری بوده و نسبت به سایر موارد تقریباً در صدر جدول بازدهی قرار می‌گیرد و البته اگر در کنار این مورد هزینه‌های نگه‌داری و راه‌اندازی را در نظر بگیریم این بار با اختلاف بیشتری نسبت به رقبا در جایگاه نخست جدول جای می‌گیرد که در نهایت باعث شده جهان کنونی روی خوشی به آن نشان دهد.

در این میان اروپا به دلیل مشکلات منابع فسیلی در این زمینه بسیار درخشان عمل کرده و بر اساس گزارش‌های جهانی در سال ۲۰۰۶ میلادی (۱۳۸۵ ه.ش) تولید انرژی پاک از انرژی حاصله از منابع فسیلی پیشی گرفته است. کشورهای ایالات متحده آمریکا، آلمان و چین بیشترین مگاوات تولیدی در جهان به‌وسیلهٔ نیروگاه بادی را در اختیار دارند.

دانلود فیلم معرفی توربین بادی – Full HD | با حجم ۱۷۴ مگابايت

نیروگاه بادی کشور چین به نام نیروگاه “گانسو – Gansu” در حال حاضر ۸۰۰۰ مگاوات برق تولید می‌کند (این در حالی است که بزرگ‌ترین نیروگاه سیکل ترکیبی خاورمیانه به نام دماوند که در کشورمان واقع شده است با ۱۲ واحد گازی و ۶ واحد بخار دارای توان تولیدی ۲۵۰۰ مگاوات می‌باشد!) نیروگاه گانسو در سال ۲۰۱۲ تأسیس گردیده و قرار است تا سال ۲۰۲۰ توان تولیدی خود را به ۲۰۰۰۰ مگاوات برساند.

همان گونه که از نام این نیروگاه برمی‌آید بر اساس وزش باد کار می‌کند به‌گونه‌ای که انرژی جنبشی باد را گرفته و تبدیل به نیروی الکتریکی می‌کند.

در این میان مکان نصب یا به‌اصطلاح “مزرعهٔ بادی” یکی از مهم‌ترین مسائل ساخت نیروگاه می‌باشد چراکه در نهایت توان تولید شده از طریق توربین بادی به شدت به میزان وزش باد بستگی دارد. به همین دلیل باید در یادگیرترین منطقه و ارتفاع مناسب نصب گردد تا بتوانیم ضریب کاری نسبت به بیکاری نیروگاه را که در ابتدا بیان نمودیم را افزایش دهیم و به زبان ساده‌تر در شبانه‌روز باد بیشتری برای چرخاندن توربین بادی موردنظرمان داشته باشیم.

البته نباید فراموش کرد که در مراحل ساخت و نصب نیروگاه بادی چالشی‌ترین مسئله نصب توربین و بال‌های آن می‌باشد چراکه در منطقه‌ای قرار گرفته که به شدت وزش باد داریم و از طرفی خود توربین در ارتفاع بالایی از سطح زمین قرار می‌گیرد.

عمده نیروگاه‌های بادی از نوع افقی بوده و شما به‌ندرت مدل عمودی آن را مشاهده خواهید کرد. دلیل آن بالاتر بودن راندمان نیروگاه‌های افقی می‌باشد هرچند ممکن است در مناطق خاصی به دلیل محدود بودن فضا و یا مشکل بودن مراحل نصب از پایین بودن راندمان صرف‌نظر کرده و مبادرت به نصب مدل عمودی نمایند.

دو دانشمند آمریکای محاسباتی انجام داده‌اند که بر اساس آن از ارتفاع ۸۰ متری از سطح دریا می‌توان ۷۲ تریلیون وات به‌وسیله نیروی باد دریافت نمود. به‌صورت کلی در ارتفاع‌هایی بالاتر سرعت وزش باد بیشتر است ولی به نسبت همان نصب توربین نیز مشکل‌تر خواهد شد.

دانلود فیلم نیروگاه بادی چیست – Full HD | با حجم ۳۴ مگابايت

اندازه توربین‌های بادی

توربین‌های کوچک

توربین‌های کوچک قادراند ۵۰ تا ۷۰ کیلووات انرژی تولید نمایند. در این توربین‌ها اندازه هر پره از ۰.۵ متر تا ۷.۵ متر می‌باشد.

این پره‌ها روی دایره‌ای به قطر ۱ تا ۱۵ متر می‌چرخند. توربین‌های بادی کوچک اصولاً در جاهای پرت و جاهایی که برق رسانی به آنها به صرفه نیست به کار می‌روند.

توربین‌های متوسط

قطر دایره چرخش ۱۵ تا ۶۰ متر بوده و توان تولیدی ۵۰ تا ۱۵۰۰ کیلووات می‌باشد. به صورت کلی انواع متداول آنها بین ۵۰۰ تا ۷۵۰ کیلووات برق تولید می‌کنند.

توربین‌های بزرگ

قطر دایره چرخش پره‌های توربین بزرگ ۶۰ تا ۱۰۰ متر بوده و توان تولیدی بین ۲ تا ۳ مگاوات است.

صرفه اقتصادی توربین‌های بزرگ و قابلیت اطمینان آنها در مقابل توربین‌های متوسط به مراتب کمتر است.

انواع توربین‌های بادی

توربین‌های بادی در دو نوع؛ محور عمودی و محور افقی ساخته می‌شوند.

توربین بادی با محور افقی

در توربین‌های بادی با محور افقی که HAWT (Horizontal Axis Wind Turbines) هم نامیده می‌شوند روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای یک برج و در راستای باد قرارگرفته‌اند. توربین‌های بادی کوچک برای تعیین جهت وزش باد از یک بادنمای ساده استفاده می‌کنند ولی توربین‌های بزرگ از سنسور باد که با سرووموتور در ارتباط است، استفاده می‌کنند.

این توربین‌ها نسبت به مدل محور عمودی رایج‌تر بوده و همچنین ازلحاظ تکنولوژی پیچیده‌تر و گران‌تر می‌باشند.

توربین‌های عمودی نسبت به افقی‌ها ساختشان مشکل‌تر بوده ولی راندمان بسیار بالای دارند و در سرعت‌های پایین نیز توان تولید انرژی الکتریکی را دارند.

این توربین‌ها توانای تنظیم جهت در مسیر وزش باد را نیز دارند. این توربین‌ها ۲ یا ۳ پره‌ای بوده که در مسیر وزش باد و بر روی یک برج بلند نصب می‌شوند.

توربین‌های افقی از نظر سرعت

1. کم سرعت
2. پرسرعت

مهم‌ترین عامل در تعیین سرعت توربین‌های بادی با محور افقی تعداد پره‌ها می‌باشد هر چه تعداد پره‌ها بیشتر باشد سرعت کمتر است و گشتاور بیشتر است. پرطرف‌دارترین این توربین‌ها سه پره‌ای می‌باشد چراکه در نوع با پره بیشتر به دلیل پیچیدگی شکل‌ها صرفه اقتصادی از میان خواهد رفت.

مزایای توربین‌های بادی با محور افقی

• تیغه‌ها برای قرارگیری در بهترین زاویه قابلیت پیچ‌وتاب 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 قوی‌تر بیشتر شود.
• امکان استفاده در زمین‌های ناهموار.

معایب توربین‌های بادی با محور افقی

• کارکرد سخت در نزدیک سطح زمین.
• سختی در حمل‌ونقل.
• مشکل در نصب و راه‌اندازی آن.
• در مجاورت رادار تحت تاثیر قرار می‌گیرند.
• تعمیر و نگهداری آن سخت است.

توربین بادی با محور عمودی

در توربین‌های بادی با محور عمودی که Vertical Axis Wind Turbines  نامیده می‌شوند، روتور اصلی به‌صورت عمودی قرار می‌گیرد. مهم‌ترین برتری این نوع از توربین‌های بادی آن است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت باد ندارند.

این توربین‌ها از دو بخش اساسی تشکیل شده‌اند، یک میله‌ای اصلی که روبه روی باد قرار می‌گیرد و میله‌های عمودی دیگر که عمود بر جهت باد گذاشته می‌شوند ساخت این توربین‌ها بسیار ساده بوده و همچنین بازده پایینی دارند در این نوع، در یک طرف باد بیشتر جذب می‌شود که باعث می‌شود سیستم یک حالت لنگری پیدا کرده و به چرخش در بیاید. یکی از مزایای این سیستم وابسته نبودن آن به جهت وزش باد است.

انواع توربین‌های محورعمودی

1. داریوس (Darrieus)
2. ساوانیوس (Savonius)
3. جیرومیل (giromil)

مزایای توربین بادی با محور عمودی

1. عدم حساسیت به جهت باد و آشفتگی آن می‌باشد.
2. عملکرد مناسب هنگام وزش بادهای مغشوش و گردابی.
3. نصب در فاصله‌ای نزدیک‌تر نسبت به زمین نصب.
4. امنیت و ارزان بودن فرآیند نصب.
5. کم بودن صدای پره‌ها به دلیل نزدیکی به هم.

معایب توربین‌های بادی با محور عمودی

1. نصب توربین‌های محور عمودی روی برج‌ها سخت است.
2. به دلیل کم بودن سرعت دورانی پره‌ها گشتاور زیاد است.
3. هزینهٔ بالای طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها از دیگر مسائل است.

در ارتباط با مسائل چرخش ما دو نوع نیروی وارده بر توربین داریم که با نام‌های لیفت (اصلی) و درگ مشخص می‌شوند؛

نیروی لیفت

در واقع نیرویی است که باعث بالارفتن پره‌های توربین می‌گردد این نیرو کار بیشتری نسبت به درگ انجام داده و اگر به تصویر به‌خوبی دقت کنید نحوه ایجاد نیرو بر پره‌ها را به‌درستی تشخیص خواهید داد به‌عنوان‌مثال؛ تصور کنید بادبادک کاغذی را جلوی دهان خود گرفته‌اید و به سمت آن فوت می‌کنید باد خارج شده از دهان شما در دالان‌های کاغذی بادبادک گیرکرده و سبب چرخش آن می‌شود این نیرو را به‌عنوان “لیفت” در نظر می‌گیریم، حال بادبادک ۹۰ درجه بچرخانید و این بار به سمت آن باد را پرتاب کنید باز خواهید دید که بادبادک خواهد چرخید این نیرو را نیز “درگ” می‌نامیم.

چرخش توربین‌های محور افقی با نیروی لیفت

با استفاده از نیروی لیفت انرژی بیشتری نسبت به نیروی درگ به دست می‌آید.

ولی تنها نیاز آن سطحی آیرودینامیکی شکل می‌باشد شبیه چیزی که در بال‌های هواپیما استفاده می‌شود. این مقطع آیرودینامیکی برای ایجاد اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین و ایجاد یک نیروی خالص عمود بر جهت باد می‌باشد.

چرخش توربین محور عمودی با نیروی درگ

1. توربین‌های بادی محور عمودی بر پایه نیروی درگ مانند یک بادبان باز عمل می‌کنند و نیروی باد سطح موردنظر را جاروب می‌برد. اولین توربین‌های بادی که در ایران باستان مورداستفاده قرار می‌گرفت با این رویکرد کار می‌کردند.

ساختمان پره‌های توربین‌های بادی

جنس پره‌های توربین ممکن است از چوب یا چوب‌های باشد که به هم چسبانده شده و روی آنها روکشی از فایبرگلاس قرار گرفته باشد. یکی از خواص خوب چوب این است که در اثر کار زیاد ترک نمی‌خورد و تنها عیب آن کمی مقاومت آن است.

هرگاه پره فاقد فایبرگلاس باشد برای جلوگیری از عوامل جوی از قبیل شن، ریزه، باران و غیره در لبهٔ آن روکشی از مس یا سایر فلزات قرار می‌دهند.

هرچند با افزایش سرعت، افزایش انرژی داریم اما توربین‌های بادی برای تولید انرژی یک حد اشباع دارند بدین معنی که بادهای که بیشتر از این حد اشباع سرعت داشته باشند انرژی بیشتری تولید نمی‌کنند کمااینکه ممکن است صدمات بسیار شدیدی به توربین و ژنراتور نیز وارد نمایند.

در ادامه ویدئوی از سوختن یک توربین بادی را مشاهده خواهید کرد که به علت کار نکردن ترمزهای آن با سرعتی بیش از سرعت نامی در حال چرخیدن می‌باشد که سرانجام به دلیل ولتاژ بیش از حد (Over Voltage) و اصطکاک شدید آتش‌گرفته و در کنار آن به دلیل وزش شدید باد آتش به‌سرعت کل توربین را در برمی‌گیرد.

در ویدئو دوم نیز ۵ مورد از حوادث توربین بادی را خواهید دید که در آن تاثیر رعدوبرق نیز نمایش داده می‌شود.

همچنین بررسی میزان پراکندگی سرعت باد در طی سال‌ها نشان می‌دهد که بادهای کم‌سرعت فراوانی بیشتری دارند و باتوجه‌به این موضوع؛ هرچند باد ۱۵ متر بر ثانیه بیشترین انرژی را در توربین تولید می‌کند اما میزان فراوانی باد ۱۰ متر بر ثانیه باعث می‌شود بیشترین میزان تولید انرژی در سال متعلق این باد باشد.

امکان‌سنجی احداث نیروگاه

به معنی ارزیابی امکان‌پذیر بودن تأسیس یک نیروگاه بادی به لحاظ؛ فنی، اقتصادی، زیرساخت‌های موردنیاز و غیره در یک مزرعه بادی می‌باشد.

در انتخاب و ساخت نیروگاه بادی به موارد زیر باید دقت کرد:

برآورد انرژی تولید سالانه نیروگاه

برای به‌دست‌آوردن این مورد به محاسبات پیچیده و خاص آن نیازمندیم که صرفاً از طریق نرم‌افزار انجام می‌گردد. بااین‌وجود برای نیروگاه‌های کوچک می‌توان این محاسبات را بدون کامپیوتر نیز انجام داد.

بررسی اقتصادی

شامل مطالعه هزینه‌های احداث که شامل هزینه‌های عمرانی، هزینه‌های عملیات برقی، هزینهٔ حمل‌ونقل، خدمات مهندسی، تعمیرات و نگهداری و غیره می‌شود.

مطالعات امکان‌سنجی مزارع بادی

مطالعات اساسی در این بخش حاوی دو موضوع مهم؛ انتخاب سایت مناسب و مدل مناسب توربین بادی می‌باشد که در ادامه به آنها می‌پردازیم.

انتخاب سایت مناسب برای مزارعه

برای اطمینان از اینکه احداث مزارع مناسب است یا خیر بایستی به پرسش‌های زیر پاسخ داد

• وضعیت باد مناسب است؟
• توان خروجی پیش‌بینی‌شده توربین کافی است؟
• زیرساخت‌های موجود در سایت کفایت می‌کند؟
• شبکه در دسترس است؟
• زمین و شرایط زیست‌محیطی مناسب است؟
• باد از قدرت کافی برخوردار است؟
• جاده و پل‌های لازم موجود است؟
• شیب زمین بیش از حد تند نیست؟
• خطر زلزله تا چه حد است؟
• میزان ذرات معلق در هوا نظیر ماسه و نمک در چه حد است؟
• و …

پاسخ به هرکدام از سؤالات بالا قسمت مهمی از این تصمیم را مشخص می‌کند که با کنار هم گذاشتن تمام آنها به این نتیجه که آیا این مکان مناسب احداث نیروگاه بادی می‌باشد یا خیر خواهیم رسید.

انتخاب مدل مناسب توربین

انتخاب توربین و توان آن همواره یکی از چالش‌های اساسی بوده چراکه هزینه نصب به‌قدری بالاست که اگر در این بخش اشتباهی صورت گیرد بسیار گران تمام خواهد شد.

باتوجه‌به مورد ذکر شده در این بخش نیز باید با دقت به سؤالات مطرح شده در زیر پاسخ مناسب داد.

• آیا توان بادی توربین بادی انتخابی مناسب است؟
• تولید صدای توربین در حد قابل‌قبول است؟
• قیمت مدل انتخابی مناسب است؟
• خدمات شرکت مذکور تا چه زمانی برای توربین ادامه دارد؟
• ابعاد توربین بادی برای محیط مشکلی به وجود نمی‌آورد؟
• و …

مزایای استفاده از انرژی بادی

انرژی بادی نسبت به سوخت‌های فسیلی دارای مزایای زیر است

• آلودگی ایجاد نمی‌کند
• تجدیدپذیر است
• تقریباً ۲۴ ساعت در دسترس است
• نگه‌داری ساده‌تری دارند
• ارزان‌تر بودن نسبت به نیروگاه‌های فسیلی
• عدم نیاز به آب
• هزینه راه‌اندازی پایین

معایب استفاده از انرژی باد

به دلیل متفاوت بودن سرعت باد در فصول مختلف حتی در ساعات شبانه‌روز، از باد به‌عنوان یک منبع متناوب و نه مستمر یاد می‌شود به همین دلیل بعضی از بادها توانایی تولید برق را ندارند و تنها باعث چرخش رتور می‌شوند به همین دلیل توربین‌ها به طور متوسط با ۲۵% تا ۳۵% ظرفیت خود کار می‌کنند

آسیب‌های توربین بادی

آسیب‌های وارده به توربین‌های بادی ناشی از دو دلیل عمده است:

۱. کارکرد زیاد به‌طوری‌که ۳% از زمان کارکرد توربین‌های بادی تجاری صرف تعمیرات آنها می‌شود.

۲. ۸۰% صدمات وارده به توربین‌های بادی به‌ویژه در کشورهای اروپایی و آمریکایی در اثر برخورد صاعقه به پره‌های توربین است البته این موضوع در کشور ما کمتر اتفاق می‌افتد.

باتوجه‌به تغییر سرعت باد نمی‌توان با استفاده از سرعت متوسط برای یک منطقه میزان تولید توربین بادی نصب شده در آن منطقه را مشخص کرد برای نصب توربین‌های بادی در یک منطقه باید فراوانی سرعت دران منطقه رو مشخص کرد که معمولاً از یک ضریب توزیع در اطلاعات جمع‌آوری‌شده مربوط به منطقه استفاده می‌کنند تا سرعت توزیع باد در آن منطقه مشخص شود برای آگاهی از میزان ضریب توزیع سرعت از مدل رایلی استفاده می‌شود بیشترین توان تولیدی توربین‌ها در سرعت بالای باد می‌باشد و بیشترین انرژی تولیدی در بازه‌های زمانی کوتاه تولید می‌شود.

طبق الگوی رایلی نیمی از انرژی تولیدی تنها در ۱۵% از زمان کارکرد توربین تولید می‌شود در نتیجه نیروگاه بادی مانند نیروگاه‌های سوختی دارای تولید انرژی پایدار نیستند.

نحوه عملکرد توربین بادی

توربین‌های بادی بر اساس یک اصل ساده کار می‌کنند. انرژی باد دو یا سه پره‌ای را که به دور روتور توربین بادی قرار گرفته‌اند را می‌چرخاند. روتور به یک شفت مرکزی متصل می‌باشد که با چرخش آن، ژنراتور نیز به چرخش درآمده و الکتریسیته تولید می‌کند. تمام این فرآیند یعنی تبدیل انرژی جنبشی به الکتریکی.

بخش‌های نیروگاه بادی

نیروگاه بادی از بخش‌های مختلفی تشکیل شده است که ذکر همه آنها امکان‌پذیر نیست بااین‌حال مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از؛

روتور، جعبه‌دنده، مولد برق (ژنراتور)، مکانیزم ترمز، برج نگهدارنده، سیستم‌های کنترل ایمنی و سایر قسمت‌ها شامل اتصال‌های برقی سازه‌ای و خدماتی.

سایر اجزا نیروگاه بادی:

• بادسنج
• پره‌ها
• کنترلر
• گیربکس
• شفت با سرعت پایین
• جهت باد
• بادنما
• درایو انحراف
• موتور انحراف

ژنراتور نیروگاه بادی

از نظر یک دانشجوی قدرتی ژنراتور نیروگاه همیشه یکی از جذاب‌ترین بخش‌های بررسی می‌باشد و ازآنجایی‌که بنده نیز در این دایره قرار می‌گیرم پس چه سخنی خوش‌تر از ژنراتور!

توربین‌های بادی به نیروگاه‌های ژنراتور آسنکرونی (القایی) معروف‌اند و می‌توان به‌راحتی اظهار نمود که جزء معدود نیروگاه‌هایی هستند که در آنها ژنراتور القایی نه‌چندان محبوب در زمینه تولید برق را مشاهده می‌نماییم،

همان گونه که در جریان هستید موتورهای القایی یکی از محبوب‌ترین ماشین‌ها در صنایع سنگین و حتی لوازم‌خانگی می‌باشد اما این بخت و اقبال برای ژنراتور القایی به دلیل محدودیت‌های ذاتی آن چندان فراهم نشد تا اینکه توربین‌های بادی باعث تغییر نگاه‌ها به سمت این نوع ژنراتورها گردید اما چرا؟

به‌صورت معمول ژنراتورهای سنکرون گزینهٔ بسیار مطلوبی برای تولید انرژی الکتریسیته می‌باشند و دلیل آن هم نبود احتیاج به شبکه برقی می‌باشد! 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 می‌دهد در این میان تنها مورد خاص احتیاج به‌سرعت ثابت است.

نخستین نیروگاه‌های بادی با ژنراتورهای سنکرون شروع به کار نمودند که مشکلات زیادی را همراه داشتند چراکه باد وزیده شده سرعت ثابت نداشته و دائماً سرعت آن در حال تغییر می‌بود و اگر همین باد با سرعت متغیر رتور ژنراتور سنکرون را بچرخاند عملاً برق تولیدی امکان استفاده نخواهد داشت یا هزینه بهبودسازی آن بالا می‌بود چراکه سرعت متغیر در این نوع ژنراتور (سنکرون) یعنی تولید ولتاژ با فرکانس‌های مختلف که نیاز به اینورتر و کانورتر می‌بود تا ولتاژ تولیدی نامطلوب را به ولتاژ مطلوب (فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز و کاملاً سینوسی) تبدیل نماید.

به‌صورت کلی ژنراتور سنکرون باید در سرعت سنکرون کار کند تا بازده حداکثری را داشته باشد در این میان قطعات مکانیکی نصب شد که سرعت چرخش پرها را تنظیم می‌کردند تا به‌سرعت سنکرون برسند.

در نهایت تصمیم بر آن شد از این نوع ژنراتور استفاده نکنند. اما جایگزین چه بود؟

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 (N_s=(120*f_s)/P) به چرخش در بیاورید اما مشکل کجاست؟

اگر شما یک ماشین (ژنراتور یا موتور) آسنکرون را به‌وسیله‌ای گردان (توربین بادی، آسیاب آبی) وصل (کوپل) نمایید و از این اطمینان داشته باشید که سرعت چرخش نیز بالاتر از سرعت سنکرون می‌باشد نباید انتظار تولید توان داشته باشید! چون صرفاً یک قطعه آهنی بدون میدان مغناطیسی را می‌چرخانید، مشکل نه‌چندان جالب ژنراتور آسنکرون اینجاست که باید به شبکه برق سراسری دقیقاً شبیه یک موتور برقی وصل شود به زبان ساده شما موتور آسنکرون خود را به برق شهری متصل نمایید شروع به چرخش می‌کند اگر در حین چرخش آن را به‌وسیله‌ای به‌عنوان نیروی محرکه وصل نمایید که می‌چرخد و سرعت آن از سرعت سنکرون بیشتر می‌باشد (از سرعت موتور ما بیشتر باشد) موتور شما دیگر یک موتور نیست بلکه تبدیل به یک ژنراتور شده است و به‌جای دریافت توان از شبکه در حال تزریق توان اکتیو به شبکه است و اگر محرک شما سرعتش کم‌تر از سرعت سنکرون شود ژنراتور ما به‌سرعت تبدیل به یک موتور مصرف‌کننده می‌گردد!

باتوجه‌به توضیحات بالا تاکنون دریافته‌اید که چرا باید از ژنراتور آسنکرون در توربین بادی استفاده کرد زیرا تنها نیاز به‌سرعت بالاتر از سرعتی مشخص (سنکرون) می‌باشد نه یک سرعت ثابت به زبان ساده‌تر اگر سرعت باد تغییر کند نیز مشکلی به وجود نمی‌اید به طور مثال سرعت باد بیشتر شود بهتر، توان اکتیو بیشتری تولید می‌شود.

در نظر داشته باشید سیم‌بندی و یا قطب‌بندی ژنراتور به صورتی شکل می‌گیرند که سرعت سنکرون موردنظر 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 گیربکس افزایش‌یافته و به روتور که مقصود است انتقال داده شود.

نسل جدید ژنراتورها

در این قسمت به بیان ماشین‌های شار محور می‌پردازیم که نسل بعدی ماشین‌ها می‌باشند، تمامی ماشین‌های امروزی اعم از موتور و ژنراتور در دسته ماشین‌های شعاعی (Radial) قرار می‌گیرند بدین صورت که شار در راستای شعاع در ماشین توزیع می‌گردد درحالی‌که در ماشین‌های شار محور (Axial Flux) شار در راستای محور توزیع می‌گردد. ماشین‌های شار محور (AFM) درحال‌توسعه سریع و گسترده‌اند و حتی در مدل‌های ساده خود توانستند چشم محققان را به بازده‌های بیش از ۹۰ درصد خود خیره کنند و این در حالی است که ماشین‌های (ژنراتور و موتور) امروزی در لبهٔ بازدهی ۴۵ تا ۶۰ درصد قرار دارند.

این نوع ماشین‌ها (شار محور) جز ماشین‌های تحقیقاتی می‌باشند که از دل نرم‌افزارهای طراحی موتور و ژنراتور نظیر Ansys Maxwell بیرون آمده‌اند و بدلیل انعطاف بالای طراحی این برنامه‌ها همچنان شاهد بهبود روزافزون این ماشین‌ها هستیم.

هم‌اکنون شرکت‌های پیشرو در زمینه برق در حال طراحی نمونه‌های شگفت‌انگیز توربین‌های بادی هستند که نسل دوم می‌باشند و تنها تفاوت آنها استفاده از همین ژنراتورهای شار محور می‌باشد که هیچ‌کدام از مشکلات مدل “سنکرون” و “آسنکرون” را نداشته و در کنار این‌همه مزیت بازه بالای ۹۰% را نیز برای نیروگاه به ارمغان آورده است. این نوع از ژنراتورها با هر سرعتی چرخیده شوند توان تولید کرده و به همین دلیل برای نیروگاه‌های خانگی بسیار جذاب هستند.

انواع ژنراتورها در نیروگاه‌های بادی

1. توربین‌های بادی که از یک ژنراتور و یک جعبه‌دنده (سیستم انتقال) استفاده می‌کنند.
2. توربین‌هایی که دو ژنراتور دارند یکی برای بادهای ضعیف و دیگری برای بادهای قوی.
3. توربین‌هایی از یک ژنراتور با دو سیم‌پیچ استفاده می‌کنند که این سیم‌پیچ‌ها کار همان دو ژنراتور را انجام می‌دهند.
4. تعدادی از توربین‌های بادی از طراحی ویژه‌ای استفاده می‌کنند که در آنها ژنراتور مستقیم به‌وسیله روتور و بدون سیستم انتقال (جعبه‌دنده) گردانده می‌شود (نسل دوم – شار محور).

روتور

مجموعه تیغه‌ها و توپی وسط به مرکز ژنراتور یعنی روتور متصل شده‌اند با به حرکت درآمدن بال‌ها توسط انرژی باد رتور نیز می‌چرخد. جنس بال‌ها از چوب ولی بیشتر از فایبرگلاس به‌خاطر سبک بودن و درعین‌حال مقاوم بودن استفاده می‌شود از آلومینیوم به دلیل کم بودن مقاومت و از فولاد به دلیل سنگینی استفاده نمی‌شود.

جعبه‌دنده (gearbox)

وظیفه جعبه‌دنده تنظیم میزان چرخش ژنراتور در سرعت‌های مختلف باد است. گیربکس توربین‌های بادی می‌توانند سرعت کم چرخش محور پره‌ها را با ضریب تبدیل مثبت به‌سرعت بالا که در ژنراتور استفاده می‌شود تبدیل کند.

ضریب تبدیل به‌طورکلی ۴ یا ۵ و گاهی بیشتر است. به طور مثال اگر دور توربین بادی ۱۰۰ دور در دقیقه باشد به‌وسیله جعبه‌دنده به ۴۰۰ دور در دقیقه افزایش می‌یابد (در واقع با کاهش گشتاور سرعت را افزایش می‌یابد)

به طور معمول توربین‌های بادی از لحاظ دور به سه دسته تقسیم می‌شوند

انواع توربین از دید دور

• دور ثابت
• دور متغیر
• دو دور

در توربین‌های با دور ثابت گیربکس به‌گونه‌ای طراحی گردیده است که ورودی آن متغیر ولی خروجی آن ثابت باشد چرخ‌دنده‌ها به محور سرعت پایین (محور روتور توربین) متصل هستند و آن‌ها از طرف دیگر به محور با سرعت بالا (محور ژنراتور) متصل می‌باشند.

معایب گیربکس

وزن آنها بسیار سنگین است، قیمت آنها و نیز هزینه تعمیرات جعبه‌دنده نیز بالا می‌باشد به علت سنگین بودن وزن، نصب آنها نیز مشکل است.

ترمز (brake)

با استفاده از سیستم ترمز دیسکی و هیدرولیکی می‌توان توربین را در مواقع عادی و حتی اضطراری متوقف کرد.

برای توقف و ترمز واحدها دو روش وجود دارد:

الف) ترمز دینامیکی: در نوک پره‌ها پره‌‌ای دیگر موجود است که از نوک پرهٔ اصلی فاصله دارد و تغییر حالت آن موجب توقف پره اصلی می‌گردد.

ب) پیچ کنترل: در این سیستم تمام پره تغییر وضعیت می‌دهد و نسبت به روش قبلی مدرن‌تر است. در مواقعی که طوفان است و یا به‌خاطر سرویس نباید واحد به کار خود ادامه دهد پره‌ها طوری قرار می‌گیرند که کم‌ترین 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 و شامل؛ جعبه‌دنده، شفت اصلی ژنراتور، بخش کنترل و ترمز است.

بعضی از ناسل‌ها آن‌قدر بزرگ‌اند که تکنیسین‌ها می‌توانند داخل آن بایستند.

بخش کنترل (controller)

بخش کنترل، توربین را هنگامی‌که سرعت باد بین ۴ تا ۲۵ متر بر ثانیه است به کار می‌اندازد و هنگامی‌که سرعت باد به بالا‌تر از ۲۵ متر بر ثانیه می‌رسد آنها را متوقف می‌کند. توربین‌ها نمی‌توانند در سرعت‌هایی بیشتر از ۲۵ متر بر ثانیه به کار خود ادامه دهند. در سرعت بالای ۳۰ متر بر ثانیه خطر سقوط برج‌ها نیز وجود دارد.

سنسورهای اندازه‌گیری (measure sensors)

توربین‌های بادی شامل دو سنسور سرعت‌سنج وجهت نما می‌باشند که اولی سرعت باد و دومی جهت باد را به‌دقت مشخص می‌کند و اطلاعات حاصل را به بخش کنترل می‌دهد. بر اساس این اطلاعات زمان کار توربین و زاویه انحراف توربین مشخص می‌شود.

درایو انحراف (yaw drive)

وسیله‌‌ای است که وضعیت توربین را هنگامی‌که باد در خلاف جهت می‌وزد کنترل می‌کند و زمانی استفاده می‌شود که قرار است بال‌ها در مقابل وزش باد از روبه‌رو قرار بگیرند اما زمانی که باد در جهت توربین می‌وزد 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 اندازه‌گیری، واحد کنترل جهت باد غالب را تعیین کرده و به موتور انحراف فرمان می‌دهد که توربین را در راستای مناسب بچرخاند.

کیفیت توان

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

برای برطرف‌کردن این مشکل دوراه حل وجود دارد:

۱. ژنراتور‌های جریان متناوبی ساخته شده است که با استفاده از دستگاه‌های الکترونیکی می‌توانند با متغیر بودن دور، جریان با فرکانس ثابت تولید کنند.

۲. روش دیگر برای تهیه جریان با فرکانس ثابت این است که ابتدا جریان متناوب (فرکانس متغیر) با مبدل به جریان مستقیم تبدیل شود سپس این جریان را با استفاده از دستگاه اینورتر (Inverter) به جریان متناوب با فرکانس مشخص و ثابت تبدیل گردد.

بادسنج (anemometer)

این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به کنترل‌کننده‌ها انتقال می‌دهد.

آلودگی صوتی توربین‌های بادی

کسانی که در محل‌های نزدیک به توربین‌های بادی سکونت دارند، همیشه از صدای مخصوص چرخش پره‌ها و صدای آزاردهنده چرخ‌دنده توربین‌ها و ژنراتور‌ها که آرامش آنها را بر هم می‌زنند، گلایه می‌کنند. توربین‌های بادی در سال‌های اخیر بسیار کم سروصداتر از نمونه‌های قدیمی‌تر هستند. اکنون صدای پره توربین‌های بادی از فاصلهٔ بیش از ۲۰۰ متری قابل شنیدن نیست.

بادها در ایران

ایران از نظر وضع کوهستانی، وجود دریا در شمال و جنوب، دوری نواحی مرکزی آن از دریا، وجود کوه‌های مرتفع در گرداگرد و داخل آن، یکی از کشورهای نادر جهان به شمار می‌رود.

ایران در مسیر جریان‌های مهم هوایی است که این بادها شامل:

• جریان مرکز فشار آسیای مرکزی در زمستان
• جریان مرکز فشار اقیانوسی هند در تابستان
• جریان غربی از اقیانوس اطلس و دریای مدیترانه
• به‌خصوص در زمستان
• جریان شمال غربی در تابستان

می‌شوند.

نیروگاه‌های بادی در ایران

در ایران باتوجه‌به مناطق بادخیز، آسیاب‌های بادی از ۲۰۰۰ سال پیش رایج بوده و هم‌اکنون نیز بستر مناسبی جهت بهره‌برداری از توربین‌های بادی است مطالعات نشان می‌دهد که در ایران در ۲۶ منطقه شامل بیش از ۴۵ سایت میزان ظرفیت سایت‌ها با درنظرگرفتن راندمان کلی ۳۳% در حدود ۶۵۰۰ مگاوات است. این در حالی است که ظرفیت اسمی نیروگاه‌های برق کشور در حدود ۳۴۰۰۰ مگاوات است.

مدل‌های غیرعادی توربین‌های بادی

ازآنجایی‌که تمام شبیه‌سازی‌های انسان بر اساس ساختار موجودات آفریده شده توسط خداوند صورت می‌گیرد پس جای تعجب هم نیست که شاهد نمونه‌های خارج عرف باشیم کمااینکه در سالی که گذشت شرکت اروپایی از مدل جدید توربین‌های بادی رونمایی کرد که از نحوه بال زدن مرغ مگس خوار الهام گرفته است، البته در مورد کارایی آن به‌راحتی نمی‌توان ابراز نظر کرد، زیرا هیچ‌گاه در تولید انرژی، بازده بالا به‌تنهایی مدنظر نبوده است و در کنار آن هزینه‌های نگه‌داری، طول عمر، تحمل شرایط مختلف، سازگاری با شبکه و … همواره مورد اهمیت هستند و البته همانند گذشته، گذشت زمان کارایی این مدل را نشان خواهد کرد.

امیدوارم این مدل برخلاف سایر مدل‌های پیشین که بیشتر با شکست تجاری روبه‌رو می‌شدند سرانجام نیکو برای سازندگان خودش داشته باشد، در زیر ویدئو این توربین بادی جالب قرار داده شده است.

اما نوع دیگر توربین بادی که در نوع خودش جالب است مدل بدون باله می‌باشد که با لرزش برق تولید می‌کند. از مزایای این مدل می‌توان به حجم کم، هزینه کم‌تر، نگه‌داری ساده‌تر، استفاده خانگی، ارتفاع کمتر، استفاده از بادهای با سرعت پایین و… اشاره کرد در زیر می‌توانید ویدئویی در مورد این نوع توربین بادی به “نام توربین بادی بدون باله” را مشاهده نمایید.

سوالات متداول نیروگاه بادی

دانلود ویدیو توربین بادی چیست(ترجمه و زیرنویس فارسی) | با حجم ۱۳ مگابایت

دانلود ویدیو ۵ حادثه شوک آور برای توربین بادی | با حجم ۴۶ مگابایت

دانلود ویدیو سوختن توربین بادی | با حجم ۴۳ مگابایت

دانلود ویدیو توربین بادی چگونه کار می کند(انگلیسی) | با حجم ۳۴ مگابایت

دانلود ویدیو توربین بادی مدل مرغ مگس خوار | با حجم ۳۳ مگابایت

دانلود ویدیو توربین بادی بدون باله | با حجم ۳۸ مگابایت

راستی! برای دريافت مطالب جديد در پیج اینستاگرم PowreEn عضو شويد.