اللهم صل علی محمد و آل محمد و عجل فرجهم

توربین‌ بادی چیست و چگونه کار می‌کند و چه اجزایی دارد؟

توربین‌ بادی چیست و چگونه کار می‌کند و چه اجزایی دارد؟

توربین بادی وسیله‌ای است که نیروی باد را به انرژی مکانیکی و سپس انرژی مکانیکی را با استفاده از ژنراتور به برق تبدیل می‌کند. در این توربین‌ها، باد بر فراز پره‌ها جریان می‌یابد و با ایجاد اختلاف فشار هوا، پره‌های توربین را بالا می‌برد و آن‌ها را به چرخش وامی‌دارد. بال‌های هواپیما نیز با چنین خاصیتی سبب پرواز هواپیما می‌شوند. درون توربین بادی جعبه‌دنده‌ای هست که چرخش پره‌ها توسط نیروی باد را تسریع می‌کند تا برق بیشتری تولید شود. توربین‌های بادی انواع مختلفی دارند و از اجزای گوناگونی تشکیل شده‌اند. باید توجه داشت که توربین بادی در اصل، جزئی از دکل یا ستون بزرگ است اما چون مهم‌ترین بخش در تولید برق بادی است، اغلب کل مجموعه را توربین بادی می‌نامند. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح داده می‌شود که توربین‌ بادی چیست و چگونه کار می‌کند. همچنین به اجزای توربین بادی اشاره خواهدشد.

مطلب مرتبط: انواع توربین‌ بادی

توربین‌ بادی چیست و چگونه کار می‌کند

در نیروگا‌ه‌های امروزی برق بادی، همین‌که با سرعت حدود ۱ متر در ثانیه نسیمی بوزد، توربین‌ها تولید برق را آغاز می‌کنند. اما طبیعتاً هرچه باد شدیدتر و فناوری به‌کاررفته در توربین‌ها بهینه‌تر باشد، برق بیشتری حاصل می‌شود. برق بادی نوعی انرژی تجدیدپذیر است، زیرا از منابع پایدار طبیعی تولید می‌شود و ضمنا هیچ دی‌اکسیدکربنی منتشر نمی‌کند. برای دانستن این‌که توربین بادی چگونه کار می‌کند، باید با ساختار و اجزای ساختمان تولید برق بادی آشنا شویم.

 

توربین بادی و تولید برق

تصویر ۱. اجزای توربین بادی و نحوه تولید برق توسط آن

مطلب مرتبط: موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند: انواع و اجزای موتورهای الکتریکی

اجزای سامانه تولید برق بادی

اگر از بیرون به سامانه تولید برق بادی بنگریم، در ساختار ظاهری آن ۳ جزء اصلی خواهیم دید:

  1. توربین بادی
  2. برج
  3. اتاقک

۱. توربین بادی

هر توربین‌ بادی معمولا ۲ یا ۳ پره و یک توپی دارد. توپی قطعه‌ای مرکزی است که پره‌ها به آن متصل هستند. توربین بادی نیروی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. پره‌های توربین شبیه بال‌های هواپیما عمل می‌کنند، زیرا اصول آئرودینامیک بر آن‌ها نیز حاکم است. وقتی باد میان پره‌های توربین می‌وزد، بین باد و پره‌ها زاویه‌ای ایجاد می‌شود که نیروی بالابرنده ایجاد می‌کند و این نیروی بالابرنده، پره‌ها را یکی پس از دیگری بالا می‌کشد و نتیجتا آن‌ها را به چرخش درمی‌آورد. شیوه کار ژنراتور بادی چنین است و این‌گونه برق تولید می‌کند.

اجزای توربین بادی

تصویر ۲. اجزای توربین بادی


۲. برج

برج (wind tower) همان ستونی است که وزن توربین بادی و اتاقک را تحمل می‌کند. هرچه برج مستحکم‌تر باشد، توربین باد لرزش کمتری خواهدداشت. برج‌ها معمولا دو گونه‌اند: برج استوانه‌ای یا برج داربستی.

برج استوانه‌ای معمولا در برابر باد مقاومت کمتری نشان می‌دهد و لذا جریان‌های متغیر باد بسیار کمتر بر آن تاثیر می‌نهند. برج‌های داربستی اما در مواجهه با جریان‌های متغیر باد لرزش بیشتری دارند و به‌همین علت معمولا در ژنراتورهای بادی کوچک و متوسط به‌کار می‌روند. البته مزایایی هم دارند از جمله این‌که کم‌هزینه‌ترند و جابه‌جایی‌شان آسان‌تر است.

۳. پوشش یا اتاقک

ژنراتور، چرخ‌دنده‌ها و سامانه کنترلی همه درون پوشش یا اتاقک (nacelle) نصب شده‌اند. اتاقک باید در برابر بارهای استاتیک و داینامیک مقاوم باشد. بسیاری از توربین‌های بادی بین اتاقک و برج، قطعه چرخاننده‌ای دارند که در صورت تغییر جهت وزش باد، اتاقک را به‌صورت افقی به‌سمت باد می‌چرخاند تا با چرخش سریع‌تر پره‌ها برق بیشتری تولید شود. تصویر ۲ اجزای اصلی درون اتاقک را نشان می‌دهد.

ژنراتور

ژنراتور توربین بادی نوعی ماشین القایی است که با پیروی از اصل القای الکترومغناطیسی، انرژی مکانیکی حاصل از چرخش توربین بادی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. ظرفیت تولید برق ژنراتور توربین‌های بادی معمولا ۵۰۰ کیلووات تا ۱۵۰۰ کیلووات است اما برخی شرکت‌ها و از جمله متخصصان کشورمان توانسته‌اند توربین‌های بادی ۲۵۰۰ کیلوواتی نیز بسازند.

جعبه‌دنده

جعبه‌دنده یا گیربکس از دیگر اجزای مهم اتاقک است. سرعت کم چرخش توربین باد نمی‌تواند به‌اندازه کافی توان تولید کند. لذا درون اتاقک جعبه‌دنده‌ای تعبیه می‌شود که در دو سوی خود، دو میله گردان دارد. یکی از میله‌ها به توربین باد و دیگری به ژنراتور وصل است. با کمک این جعبه‌دنده سرعت چرخش توربین تا ۵۰ برابر افزایش می‌یابد.

سامانه جهت‌گیر

وقتی جهت وزش باد تغییر می‌یابد، سامانه جهت‌گیر افقی (Yaw control system) توربین را در راستای افق به‌سمت باد می‌چرخاند تا توربین همواره عمود بر جهت وزش باد باشد و نتیجتاً پره‌ها بیشتر بچرخند و برق بادی بیشتری تولید شود. این سامانه توسط هدایتگر الکترونیکی کنترل می‌شود و این هدایتگر با کمک بادنما جهت باد را تشخیص می‌دهد تا هر گاه لازم بود جهت توربین عوض شود. بعضی توربین‌ها جهت‌گیر عمودی (pitch control system) نیز دارند.

سامانه‌ رایانه‌ای (هدایتگر الکترونیک)

هدایتگر الکترونیک پیوسته بر شرایط و داده‌های عملیاتی ژنراتور مثل سرعت و جهت باد، سرعت چرخش توربین و ژنراتور، دما و توان ژنراتور و جریان و ولتاژ و… نظارت می‌کند. اگر توربین بادی با حداکثر سرعت بچرخد یا اجزای توربین بیش از حد گرم ‌شوند، هدایتگر الکترونیکی به‌طور خودکار ژنراتور را متوقف می‌کند و به متصدیان اطلاع می‌دهد تا مشکل را رفع کنند.

مطلب مرتبط: انرژی هسته‌ای چیست و چگونه تولید می‌شود: کاربردها و ویژگی‌ها

توربین بادی: اجزای درون پوشش یا اتاقک

تصویر ۳. اجزای درون اتاقک: هدایتگر الکترونیک نوعی سامانه‌ای رایانه‌ای (۱) است که پیوسته جهت وزش باد (۲) را رصد می‌کند تا با تنظیم جهت توربین و چرخش هرچه بیشتر پره‌ها، ژنراتو (۳) برق بیشتری تویلد کند.

مطلب مرتبط: چرخه سوخت هسته‌ای چیست و چه مراحلی دارد

علت تبدیل جریان برق توربین بادی چیست

باتوجه به این‌که باد همیشه و یکنواخت نمی‌وزد، خروجی جریان برق متناوب توربین‌های بادی از ۱۳ تا ۱۵ ولت متغیر است. لذا باید با کمک باتری‌هایی جریان برق متناوب به جریان برق مستقیم تبدیل و سپس در مخازن برق یا اصطلاحا در آکومولاتورها ذخیره شوند. بدین‌سان انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود. سپس مبدل‌ها آن‌ را به برق متناوب ۲۲۰ ولت تبدیل می‌کنند تا برای زندگی روزانه مردم قابل استفاده باشد.

در این مطلب، توضیح داده شد که توربین‌ بادی چیست، چگونه کار می‌کند و چه اجزایی دارد. توربین‌های بادی انواع مختلفی دارند و بسته به برخی ویژگی‌های‌شان به دسته‌های گوناگونی تقسیم می‌شوند.