همه چیزی که باید در مورد توربین بادی بدانید

توربین بادی مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos آسیاب بادی

در دهه های اخیر افزایش فزاینده مصرف برق، روند افزایشی قیمت سوخت های فسیلی و بحث آلودگی آنها منجر به رشد سریع تولید برق به وسیله منابع تجدید پذیر شده است. در میان این منابع استفاده از انرژی باد برای تولید برق پیشرفت قابل توجهی داشته است. لذا ساخت توربین بادی به عنوان وسیله ای که انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند مورد توجه تولید کننده ها و موسسات تحقیقاتی قرار گرفت.

تغییرات جهانی آب و هوا و سازمان IPCC

یکی از دلایل و الزامات توسعه برق بادی، مقابله با تغییرات جهانی آب و هوا است که به شدت جهان را تهدید می کند. بر اساس پیش بینی های تغییرات آب و هوا توسط سازمان IPCC (کارگروه بین دولتی تغییر اقلیم آب و هوایی) این تغییرات آب و هوایی می تواند پدیده هایی مانند وقوع سیل و خشکسالی را به همراه داشته باشد. به همین جهت کاهش انتشار گازهای گلخانه ای به عنوان یک ضرورت جهانی شناخته می شود.

بررسی میزان استفاده از انرژی باد برای تولید الکتریسیته در سال های اخیر به خوبی گویای اهمیت و جایگاه آن در تامین انرژی در سطح جهان می باشد. بطوریکه براساس آمارهای منتشر شده در حال حاضر انرژی باد تقریبا بیش از ۳/ ۵ درصد از تامین تقاضای انرژی الکتریسیته دنیا را به خود اختصاص داده است و انتظار می رود این مقدار تا پایان سال ۲۰۵۰ به ۱۲ درصد افزایش یابد.

شکل زیر مجموع ظرفیت توان بادی نصب شده را در یک بازه زمانی ۱۸ ساله از سال ۱۹۹۷ تا سال ۲۰۱۴ و  را در جهان نشان می دهد.

توربین بادی نصب شده در جهان تا سال ۲۰۱۴ فیلیوس filioos

تاریخچه توربین بادی

در سال ۱۸۹۱ اولین توربین بادی برای تولید الکتریسیته ساخته شد. مهندسان دانمارکی در دوران جنگ جهانی اول و دوم آنرا برای رفع مشکل کمبود انرژی توسعه دادند. ژنراتورهای دانمارکی ساخته شده در سالهای ۱۹۴۲-۱۹۴۱ را می توان به عنوان اولین ژنراتورهای توربین بادی مدرن شناخت.

در همین زمان شرکتهای آمریکایی توربین هایی با قطر ۵۳ متر ساختند که نه تنها اندازه آن بلکه فلسفه طراحی آن نیز متفاوت بود. تا آن زمان فقط توربینهای بادی با ابعاد کوچک برای مناطق دور افتاده یا شارژ باتریها مورد توجه بودند اما با بروز بحران نفتی، توجه به آن بیشتر شد و در نتیجه هزینه بیشتری برای تحقیقات به آن اختصاص داده شد.

توربین بادی بادبادک بچه آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

در حال حاضر هر چند روند سرمایه گذاری در این زمینه در آمریکا کاهش یافته، اما در اکثر کشورها مانند کشورهای اروپایی در حال افزایش است. توربینهای بادی می توانند به دو صورت سرعت ثابت و سرعت متغیر کار کنند.

  • توربین بادی سرعت ثابت
  • توربین بادی سرعت متغیر

ژنراتور بادی سرعت ثابت

در اوایل دهه ۱۹۹۰ توربین بادی های استاندارد نصب شده از نوع سرعت ثابت بودند. این توربین های بادی بدون توجه به سرعت باد با سرعتی ثابت که فرکانس شبکه و ساختمان ژنراتور تعیین می کند می چرخند. مشخصه این توربینها استفاده آنها از یک ژنراتور القائی قفس سنجابی یا روتور سیم پیچی شده است که این ژنراتور با یک راه انداز نرم و یک بانک خازنی برای جبران توان راکتیو به شبکه متصل است. این نوع توربین برای حصول ماکزیمم توان در یک سرعت خاص طراحی شده است.

برای افزایش تولید توان بعضی از این ژنراتورها به دو دسته سیم پیچی مجهز هستند، یک دسته برای سرعتهای کم (معمولا ۸ قطب) و دسته دیگر برای سرعتهای متوسط و زیاد (۶-۴ قطب). مزیت ژنراتور توربین بادی سرعت ثابت سادگی، مقاوم بودن و قابل اطمینان بودن آنهاست. ضمن اینکه هزینه قسمتهای الکتریکی آن پایین است.

عیب این نوع ژنراتور در عدم امکان کنترل توان راکتیو، فشار مکانیکی و کنترل محدود کیفیت توان است. به دلیل سرعت ثابت این نوع ژنراتور، تمام نوسانات سرعت باد به شکل تغییر در گشتاور مکانیکی و سپس گشتاور الکتریکی در شبکه ظاهر می شود.

توربین بادی و کوه سبز آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

ژنراتور بادی سرعت متغیر

طی چند سال اخیر ژنراتورهای سرعت متغیر در بین انواع ژنراتورها کاربرد بیشتری پیدا کرده اند. این نوع ژنراتورها برای دریافت حداکثر توان در محدوده وسیعی از سرعت باد طراحی شده اند و امکان بهینه کردن سرعت چرخش روتور بر اساس سرعت باد را دارند. در صورتی که نسبت سرعت روتور به سرعت باد در یک مقدار از پیش تعیین شده ثابت نگه داشته شود ماکزیمم توان از ژنراتور قابل دریافت است.

توربین بادی خانه آب آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

در این نوع ژنراتور نوسانات توان با تغییر گشتاور جذب می شود. سیستم الکتریکی توربین بادی سرعت متغیر پیچیده تر از نوع سرعت ثابت است. این سیستم از یک ژنراتور سنکرون یا القایی تشکیل شده و از طریق یک مبدل قدرت به شبکه متصل شده است.

در واقع این مبدل قدرت، سرعت ژنراتور را کنترل می کند . مزیت این نوع ژنراتور در استخراج توان بیشتر از انرژی باد، کیفیت توان بالاتر و کاهش استرسهای مکانیکی بر روی توربین است. عیب آن تلفات بر روی مبدل قدرت، نیاز به تجهیزات بیشتر و هزینه زیاد ادوات الکترونیک قدرت است.

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.

بخش های اصلی توربین بادی با محور افقی

برای تعیین ارتفاع بهینه برج، سیستم کنترلی، تعداد و شکل پرهها از شبیه سازی های آیرودینامیکی استفاده می شود. توربین های با محور افقی متداول، به سه بخش اصلی تقسیم می شوند:

  • بخش روتور، که تقریبا ۲۰٪ قیمت توربین باد را به خود اختصاص داده و شامل پره های تبدیل کننده انرژی باد به انرژی جنبشی دورانی با سرعت کم می شود.
  • بخش ژنراتور که حدودا ۳۴٪ هزینه توربین باد بوده و شامل مولد الکتریکی، تجهیزات کنترلی و جعبه دنده برای افزایش سرعت دورانی محور توربین می شود.
  • بخش تکیه گاهی که در بر گیرنده ۱۵٪ قیمت توربین بوده و شامل برج و مکانیزم جهت دهی روتور نسبت به جهت وزش باد می شود.

توربین بادی چگونه کار می کند؟

توربین های بادی بر روی برج های بلندی نصب شده اند تا بیشترین انرژی ممکن را دریافت کنند بلندی این برجها به ۳۰ تا ۴۰ متر بالاتر از سطح زمین می رسند. توربین های بادی در بادهایی با سرعت کم یا زیاد و در طوفانها کاملا مفید می باشند. 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 می کنند. انرژی باد دو یا سه پره ای را که بدور روتور توربین بادی قرار گرفته اند را بچرخش در می آورد. روتور به یک شفت مرکزی متصل می باشد که با چرخش آن ژنراتور نیز به چرخش در آمده و الکتریسیته تولید می شود.

توربین های بادی امروزی

توربین های بادی که امروزه در نیروگاه های بادی برای تولید تجاری برق مورد استفاده قرار می گیرند، معمولا سه – پره بوده و با استفاده از سامانه های کنترل رایانه ای در جهت وزش باد قرار می گیرند. البته توربین های باد با دو پره و حتی یک پره هم استفاده می شوند. 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 بر ثانیه (۳۰۲ کیلومتر بر ساعت) 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 می چرخاند. برخی از مدل های توربین بادی، در سرعت ثابت کار می کنند ولی توربین های با سرعت متغیر انرژی بیشتری می توانند تولید کننده که به واسطه نیروی لیفت و دراگ پره ها به حرکت در می آیند.

وضعیت توربین بادی و انرژی باد در ایران

در کشور ایران با توجه به وجود مناطق باد خیز، بستر مناسبی جهت گسترش بهره برداری از ژنراتورهای توربین بادی فراهم است. مطالعات و بررسی های انجام شده در زمینه تخمین پتانسیل باد در ایران بیانگر آن است که در ۲۶ منطقه کشور میزان ظرفیت اسمی سایت ها با در نظر گرفتن یک راندمان کلی ۳۳ درصد در حدود ۶۵۰۰ مگاوات است و این در شرایطی است که ظرفیت کل توربین بادی نصب شده در کشور تا پایان سال ۱۳۹۱ تقریبا بیش از ۱۰۹ مگاوات می باشد.

این گونه به نظر می رسد با توجه به پتانسیل بادی خوب در کشور ایران، فضا برای تحقیقات و مطالعه بیشتر در زمینه تولید الکتریسیته از انرژی باد و توسعه بیشتر این صنعت، فراهم باشد. امیدواریم با تلاش مهندسین جوان کشور بتوانیم گامی مهم حداقل در زمینه محافظت از آب و هوای منطقه و محل زندگی خود داشته باشیم.

امیدواریم این مطلب فیلیوس براتون مفید بوده باشه. خوشحال میشیم نظرتون در مورد این مطلب رو با ما هم در میون بزارید…

فیلیوس

برق قدرت

نوشته‌های مرتبط

قوانین ارسال دیدگاه

  • دیدگاه های فینگلیش تایید نخواهند شد.
  • دیدگاه های نامرتبط به مطلب تایید نخواهد شد.
  • از درج دیدگاه های تکراری پرهیز نمایید.
دیدگاه‌ها

*
*