انواع توربین بادی
توربینهای بادی براساس ویژگی‌های مختلف به چند نوع تقسیم می‌شوند. برای مثال، جهت چرخش پره‌ها، تعداد پره‌ها، محل جای‌گیری پره‌ها، نوع ژنراتور، ولتاژ، توان و سرعت چرخش پره‌ها از جمله شاخص‌های دسته‌بندی انواع توربینهای بادی هستند. مثلا برخی توربینهای بادی حول محور عمودی و برخی دیگر حول محور افقی می‌چرخند؛ پره‌های برخی توربین‌ها رو به باد و برخی دیگر پشت به باد است. در ادامه به برخی از انواع توربین بادی اشاره خواهدشد. هر کدام از این نوع توربین‌ها مزایا و معایبی دارند که درباره آن‌ها نیز توضیحاتی ارائه خواهدشد.
مطلب مرتبط: توربین بادی چیست و چگونه کار می‌کند؟
انواع توربین بادی از نظر تعداد پره‌ها
توربینهای بادی را برحسب تعداد پره‌های‌شان می‌توان به چهار دسته تقسیم کرد که عبارتند از توربینهای بادیِ:
- تک‌پره
- دوپره
- سه‌پره
- چندپره
تعداد پره‌های توربین بادی با در نظر گرفتن شاخص‌های مختلفی تعیین می‌شود که آئرودینامیک، بازده، پیچیدگی، هزینه، صدا و جلوه بصری از آن جمله است. توربینهای بادی بزرگ عموماً دو یا سه پره دارند. هرچه تعداد پره‌ها کمتر باشد، برای استخراج توان الکتریکی سرعت چرخشی بیشتری لازم است و درنتیجه، صدای توربین بیشتر خواهدبود. در سوی دیگر، هرچه پره‌ها بیشتر باشد، تاثیر متقابل آن‌ها بر یکدیگر نیز بیشتر می‌شود و بازده توربین کاهش می‌یابد. در حال حاضر توربین ۳ پره‌ای متقاضیان بیشتری دارد، به‌خصوص که هم اطمینان‌پذیرتر است و هم جلوه بصری خوبی دارد.
تصویر ۱. توربین بادی دوپره افق‌محور و رو به باد
مطلب مرتبط: موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند: انواع و اجزای موتورهای الکتریکی
توربینهای بادی افق‌محور و عمودمحور
می‌توان توربین‌ها را بسته به جهت محور اصلی آن‌ها به دو نوع افق‌محور و عمودمحور تقسیم کرد. محور اصلی، میله متحرکی است که پره‌های توربین به آن وصل است. در توربینهای افق‌محور، محور اصلی و متحرک توربین، هم‌راستای افق یعنی موازی زمین است. گاهی محور افقی به سامانه جهت‌گیر یا جهت‌یاب باد (Yaw system) نیز مجهز است فلذا می‌تواند جهت توربین را متناسب با جهت وزش باد تغییر دهد؛ یعنی وقتی جهت وزش باد تغییر می‌کند، توربین با کمک سامانه جهت‌یاب، حول محور فرضی عمودی، در راستای افق می‌چرخد و رو به باد می‌ایستد تا هرچه بیشتر در معرض وزش باد باشد و نتیجتا برق بیشتری تولید شود (مثل فانوس دریایی که حول محور فرضی عمودی می‌چرخد و در راستای افق جابه‌جا می‌شود).
اما در توربینهای عمودمحور، محور متحرکی که پره‌ها به آن وصل هستند، عمود بر زمین است. توربینهای عمودمحور طراحی ساده‌تری دارند و به‌کارگیری‌شان نیز آسان‌تر است زیرا لازم نیست روبه باد بایستند. به بیان دیگر، شکل و نحوه جای‌گیری پره‌ها طوری است که جهت وزش باد در سرعت چرخش آن‌ها تاثیری ندارد. این نوع طراحی، نیروی چرخشی (ژیرو) توربینهای بادی را کاهش می‌دهد. به‌سبب برخورداری از چنین مزایایی به‌کارگیری توربینهای عمودمحور صنعت نیروگاه‌های بادی رو به گسترش است.
تصویر ۲. توربین بادی عمودمحور
مطلب مرتبط: انرژی هسته‌ای چیست و چگونه تولید می‌شود: کاربردها و ویژگی‌ها
توربینهای رو به باد و مخالف باد
می‌توان توربینهای بادی را بر مبنای جهت پذیرش باد به دو دسته تقسیم کرد:
- توربینهای رو به باد (upwind)
- توربینهای مخالف باد یا پشت به باد (downwind)
در طراحی روبه‌باد، توربین و از جمله پره‌های آن جلوی برج نصب می‌شوند اما در طراحی مخالف باد، توربین و پره‌ها عقب برج نصب می‌شوند و باد را از پشت پره‌ها می‌پذیرند. توربینهای رو به باد معمولا سامانه جهت‌یاب (yaw system) دارند و لذا هماهنگ با تغییر جهت وزش باد، تغییر جهت می‌دهند تا پره‌ها همواره رو به باد باشند و بازده بیشتری داشته باشند.
اما توربینهای مخالف به سامانه جهت‌یاب نیاز ندارند، زیرا هر گاه که باد تغییر جهت می‌دهد، توربین را نیز به سمت خود می‌چرخاند. اما عیب توربینهای مخالف این است که اگر باد درخلاف جهت اولیه برگردد و به پره‌ها بخورد، چرخش پره‌ها موقتا کند می‌شود و بازده توربین مدتی کاهش می‌یابد. باتوجه به همین موضوع امروزه توربینهای رو به باد بسیار رایج‌ترند.
تصویر ۳. انواع توربین بادی از نظر موقعیتش نسبت به جهت وزش باد
مطلب مرتبط: چرخه سوخت هسته‌ای چیست و دارای چه مراحلی است؟
انواع توربین بادی از نظر نوع ژنراتور: هم‌گام و القایی
توربینهای بادی را از نظر نوع ژنراتور نیز می‌توان به دو گونه هم‌گام و القایی تقسیم کرد:
ژنراتور هم‌گام (Synchronous generator)
ژنراتورهای هم‌گام خود دو نوعند: ژنراتور هم‌گام مغناطیسی دائمی و ژنراتور هم‌گام تحریک الکتریکی.
- در ژنراتورهای هم‌گام، یک آهنربای دائمی میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند.
- در ژنراتورهای هم‌گام تحریک الکتریکی یا EESG (مخفف Electrical Excitation Synchronous Generator) جریان برق مستقیم حاصل از چرخش چرخانه (rotor)، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. ایستانه یا قسمت ثابت ژنراتور (stator)، جریان برق حاصله را به برق مستقیم ۵۰ هرتزی تبدیل می‌کند که سپس به شبکه برق انتقال می‌یابد.
ژنراتور القایی (Induction generator)
خود ژنراتورهای القایی نیز دو نوعند: القایی قفس سنجابی و القایی تغذیه دوسویه بادخور
- ژنراتورهای القایی قفس سنجابی (Squirrel-cage inductor generator) ساختار ساده‌تری دارند، کم‌هزینه‌ترند، از طریق ایستانه یا استاتور (stator) به شبکه برق متصل می‌شوند و عمدتا در توربینهای بادی کوچک و متوسط به‌کار می‌روند.
- ژنراتورهای القایی تغذیه دوسویه کلافی یا سیم‌پیچی (Wound rotor doubly-fed induction generator) می‌توانند توان را مستقیما به شبکه برق منتقل کنند. چرخانه یا روتور (rotor) نیز که توسط مبدل کنترل می‌شود توان کنشی و واکنشی را به شبکه منتقل می‌کند.
توضیح: چرخانه (rotor) و ایستانه (stator) دو صفحه موازی و بخشی از ژنراتور هستند که اولی متحرک و دومی ثابت است و محور اصلی توربین از مرکز آن‌ها می‌گذرد.
تصویر ۴. انواع توربین بادی از نظر نوع ژنراتور
مطلب مرتبط: تبدیل اورانیوم به سوخت هسته‌ای چه مراحلی دارد و چگونه انجام می‌شود؟
توربینهای بادی با سرعت چرخش ثابت یا متغیر
آهنگ چرخش توربینهای بادی معیار دیگری برای دسته‌بندی آن‌هاست. با چنین معیاری توربینهای بادی به دو نوع دسته‌بندی می‌شوند:
- ژنراتورهای با سرعت چرخش ثابت: طراحی ساده‌تری دارند، کم‌هزینه‌ترند، نگهداری‌شان آسان‌تر است و مستقیما به شبکه برق متصل می‌شوند. اما درعوض سنگین‌ترند و مهمتر این‌که اگر سرعت وزش باد کم شود، بازده آن‌ها نیز کاهش می‌یابد.
- ژنراتورهای با سرعت چرخش متغیر: بازده آئرودینامیک آن‌ها بیشتر است، نوسان برق کمتری دارند و با این‌که پرهزینه‌ترند اما باصرفه‌تر و سبک‌ترند. البته چون به نگهداری بیشتر نیاز دارند معمولا در نیروگاه‌های بادی بزرگ به‌کار می‌روند.
تصویر ۵. یک توربین بادی کوچک: باله انتهای توربین سبب می‌شود تا هماهنگ با جهت وزش باد تغییر جهت دهد و همواره رو به باد بایستد.
مطلب مرتبط: انرژی الکتریکی چیست؟
انواع توربین بادی برحسب ولتاژ بالا یا پایین
توربینهای بادی را می‌توان برحسب خروجی ولتاژشان به دو نوع ولتاژ بالا و ولتاژ پایین تقسیم کرد. خروجی توربینهای ولتاژ بالا معمولا ۱۰ تا ۲۰ کیلووات و گاهی حتی تا ۴۰ کیلووات است و می‌توان آن‌ها را مستقیما و بدون نیاز به ترانسفورماتور ولتاژ به شبکه برق متصل کرد. با ولتاژ بالا، قطب مغناطیسی دائمی و انتقال مستقیم گشتاور چرخانه (روتور) به خروجی می‌توان ژنراتور هم‌گام ساخت. امروزه به‌کارگیری این نوع ژنراتورها رو به گسترش است اما فعلا توربینهای بادی ولتاژ پایین پرکاربردتر هستند.
تصویر ۶. توربین بادی بزرگ با سه‌پره
انواع توربین بادی از نظر توان
توربینهای بادی را از نظر توان (power) به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
- ماکروژنراتور با توان کمتر از ۱۰ کیلووات
- مینی‌ژنراتور با توان ۱۰ کیلووات تا ۱۰۰ کیلووات
- ژنراتور متوسط با توان ۱۰۰ کیلووات تا ۱۰۰۰ کیلووات
- ژنراتور بزرگ با توان بیش از ۱۰۰۰ کیلووات
توان اکثر ژنراتورها ۵۰۰ کیلووات تا ۱۵۰۰ کیلووات است اما برخی شرکت‌ها ژنراتورهای قوی‌تری هم می‌سازند. مثلا شرکت ایرانی مپنا توربین بادی ۲۵۰۰ کیلوواتی (۲.۵ مگاوات) نیز تولید می‌کند.
آنچه گفته شد، چند دسته‌بندی اصلی برای متمایز کردن انواع توربین بادی بود. هر نوع توربین بادی بسته به شرایط و نیازهای کاربران و باتوجه به عوامل مختلف از جمله شرایط محیطی انتخاب می‌شود.
