توربین بادی ماشینی است که انرژی جنبشی ناشی از باد را به برق تبدیل می کند. پره های یک توربین بادی بسته به فناوری آنها ، بین ۱۳ تا ۲۰ دور در دقیقه با سرعت ثابت یا متغیر می چرخند، سرعت روتور نسبت به سرعت باد متفاوت است تا به بازدهی بیشتری برسد. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد.
باد حرکت هوا از یک منطقه با فشار بالا به یک منطقه با فشار کم است. در حقیقت ، باد وجود دارد چون خورشید سطح زمین را یکنواخت گرم نمی کند. با بالا رفتن هوای گرم ، هوای خنک تری برای پر کردن جای آن وارد می شود و ایت جریان باد را تولید می کند. تا زمانی که خورشید بتابد ، باد می وزد و باد مدتهاست که به عنوان منبع نیرو برای انسانها عمل می کند.
دریانوردان باستان از بادبان ها برای کمک گرفتن از باد برای حرکت استفاده می كردند. کشاورزان زمانی از آسیاب های بادی برای خرد کردن غلات و پمپاژ آب استفاده می کردند. امروزه توربین های بادی برای تولید برق استفاده می شوند. طی یک دهه گذشته ، استفاده از توربین های بادی بیش از ۲۵ درصد در سال افزایش یافته است. البته هنوز هم ، تنها بخش كمی از انرژی جهان را باد تأمین می كند.
بازدهی توربین بادی چگونه است؟
بیشتر انرژی بادی از توربین هایی تأمین می شود که می توانند به بلندی یک ساختمان ۲۰ طبقه باشند و دارای سه تیغه ۲۰۰ فوت (۶۰ متر) هستند. باد پره ها را می چرخاند و شافت متصل به ژنراتور تولید کننده برق را به حرکت در می آورد.
بزرگترین توربین های بادی در طول سال برق کافی (حدود ۱۲ مگاوات ساعت) برای تأمین حدود ۶۰۰ خانه در ایالات متحده را تولید می کنند. نیروگاه های بادی دارای ده ها و گاهی صدها توربین ها هستند که به طور خاص در نقاط بادخیز کنار هم قرار گرفته اند. توربین بادی خانگی که در حیاط خانه احداث شده اند نیز می توانند برق کافی را برای یک خانه یا محل تجاری کوچک تولید کنند.
باد یک منبع پاک انرژی تجدیدپذیر است که هیچ آلودگی آب و هوایی ایجاد نمی کند و از آنجاییکه باد رایگان است پس از تولید یک توربین ، هزینه های عملیاتی آن تقریباً صفر است. تولید انبوه و پیشرفت های تکنولوژی هزینه توربین بادی و قیمت توربین بادی را ارزان تر می کند و بسیاری از دولت ها مایل به استفاده از این انرژی تجدید پذیر پاک هستند.
انواع توربین های بادی
توربین های بادی می توانند محور افقی یا عمودی داشته باشند . توربین بادی با محور افقی تاریخچه کاربرد طولانی تری دارند و بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.
توربین بادی با محور افقی
در این توربین ها که به اختصار HAWT هم نامیده می شوند، روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای برج و در راستای باد قرار می گیرند. این توربین ها برای تعیین جهت وزش باد از یک بادنمای ساده یا سنسور استفاده می کنند. این توربین ها با استفاده از یک جعبه دنده، سرعت چرخش پره ها را افزایش می دهند تا برق بیشتری تولید شود.
توربین های بادی امروزی معمولاً سه پره دارند و با استفاده از سامانه های کنترل کامپیوتری در جهت وزش باد قرار می گیرند. البته توربین های یک یا دو پره نیز وجود دارد.
توربین بادی با محور عمودی
توربین های بادی با محور عمودی که به اختصار VAWT نامیده می شود دارای روتورعمودی هستند و مهمترین برتری این توربین ها این است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت وزش باد ندارند که یک مزیت به شمار می رود. ولی سرعت دورانی این توربین ها کم است و کارایی پایین تری نسبت به نوع افقی دارند.
اجزاء توربین بادی
- باد سنج وسیله ای برای اندازه گیری سرعت باد است و اطلاعات حاصل را به کنترل کننده ها انتقال می دهد.
- پره ها که مهمترین قسمت توربین هستند، بیشتر توربین ها دو یا سه پره دارند که با وزش بلند شده و می چرخند.
- ترمز وسیله ای برای توقف موتور در مواقع اضطراری است که می تواند به صورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی عمل کند.
- کنترلرها ابزارهایی هستند که وقتی سرعت باد به ۸ تا ۱۶ mph می رسد دستگاه را راه اندازی کرده و وقتی سرعت باد از ۶۵ mph بیشتر می شود توربین را خاموش می کنند.
- گیربکس باعث افزایش سرعت چرخش از ۳۰ تا ۶۰ rpm یا حدود ۱۲۰۰ تا ۱۵۰۰ rpm می شوند که برای تولید برق توسط ژنراتور ضروری است. هزینه ساخت گیربکس ها بسیار بالا است.
- ژنراتور برق متناوب را تولید می کند و در توربین های بادی بیشتر ژنراتور‌های القایی استفاده می شود.
- شفت با سرعت بالا وسیله ای است که وظیفه آن به حرکت درآوردن ژنراتور است.
- شفت با سرعت پایین قسمتی است که روتور حول این محور می چرخد و سرعت چرخش آن ۳۰ تا ۶۰ دور در دقیقه است.
- روتورقسمتی از توربین است که بال ها و هاب به آن متصل هستند.
- برج قسمت لوله ای شکل توربین بادی از جنس فولاد است که توربین بر روی بالاترین قسمت آن نصب شده است.
- باد نما وسیله ای است که برای تعیین جهت وزش باد استفاده می شود و جهت توربین را نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار می دهد.
- درایو انحراف برای کنترل وضعیت توربین هنگامیکه باد در خلاف جهت می وزد بکار می رود. موتور انحراف وسیله ای است که برای به حرکت درآوردن درایو انحراف استفاده می شود.
توربین بادی چگونه کار می کند؟
توربین بادی با استفاده از نیروی آیرودینامیکی از تیغه های روتور که مانند بال هواپیما یا تیغه روتور هلیکوپتر کار می کنند ، انرژی باد را به برق تبدیل می کند. وقتی باد از روی تیغه عبور می کند ، فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می یابد. اختلاف فشار هوا در دو طرف دیگر تیغه باعث بالا رفتن و کشیدن تیغه می شود.
در این حالت نیروی بالابر از کششی بیشتر است و این باعث چرخش روتور می شود. روتور به ژنراتور متصل می شود ، مستقیماً (اگر توربین مستقیم باشد) یا از طریق شافت و یک سری چرخ دنده (جعبه دنده) که سرعت چرخش را افزایش می دهد یک ژنراتور کوچک را تغذیه می کند. این تغییر نیروی آیرودینامیکی با چرخش یک ژنراتور باعث ایجاد برق می شود.
توربین بادی چقدر می تواند برق تولید کند؟
ظرفیت اکثر توربین های بادی خشکی ۲-۳ مگاوات است که می تواند سالانه بیش از ۶ میلیون کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) برق تولید کند. این کافی است تا تقاضای برق حدود ۱۵۰۰ خانوار را تأمین کند.
تا سطح معینی ، هرچه سرعت باد بیشتر باشد ، برق بیشتری تولید می شود. در حقیقت ، وقتی سرعت باد دو برابر می شود ، تا هشت برابر برق بیشتری تولید می شود. اما اگر باد بیش از حد شدید باشد ، توربین ها را خاموش می کنند تا آسیب نبینند.
همه اینها بدان معناست که توانایی یک توربین بادی در تولید حداکثر برق به میزان وزش باد بستگی دارد. نیروگاه های بادی با دقت برنامه ریزی شده اند تا اطمینان حاصل شود که در مکان هایی با میزان قابل اعتماد باد در تمام طول سال قرار دارند. بهترین مکان برای آنها در قله یک تپه با فضای باز زیاد در اطراف و در مکان های ساحلی می باشد.
یک توربین بادی به طور معمول ۳۰-۴۵٪ کارآمد است – در اوج وزش باد این کارایی به ۵۰٪ هم می رسد. اگر به نظرتان کم می آید به یاد داشته باشید که اگر توربین ها ۱۰۰٪ کارآمد باشند ، باد پس از عبور از توربین کاملاً افت می کند.
مزایای استفاده از توربین بادی
انرژی باد مقرون به صرفه است
باد در مقیاس تاسیسات زمینی یکی از کم هزینه ترین انرژی ها است که امروزه با قیمت ۱-۲ کیلووات ساعت برق تولید می شود. از آنجا که برق از مزارع بادی برای مدت زمان طولانی (به عنوان مثال ۲۰+ سال) با یک قیمت ثابت فروخته می شود و سوخت آن رایگان است ، انرژی باد عدم اطمینان قیمتی که هزینه های سوخت به منابع سنتی انرژی اضافه می کند را کاهش می دهد.
باد شغل ایجاد می کند
بخش بادی ایالات متحده بیش از ۱۰۰۰۰۰ کارگر استخدام می کند و تکنسین توربین بادی یکی از شغل های آمریکایی است که با سرعت بیشتری در حال رشد است. طبق گزارشات انرژی باد توانایی پشتیبانی بیش از ۶۰۰۰۰۰ شغل در تولید ، نصب ، نگهداری و خدمات پشتیبانی تا سال ۲۰۵۰ را دارد.
پروژه های جدید بادی سرمایه گذاری سالانه بیش از ۱۰ میلیارد دلار را در اقتصاد ایالات متحده تشکیل می دهند. ایالات متحده دارای منابع داخلی گسترده و نیروی کار بسیار ماهر است و می تواند در سطح جهانی در زمینه اقتصاد انرژی پاک رقابت کند.
باد یک منبع سوخت تمیز است
انرژی باد مانند نیروگاه هایی که به احتراق سوخت های فسیلی متکی هستند ، مانند زغال سنگ یا گاز طبیعی که از آنها ذرات معلق ، اکسیدهای نیتروژن و دی اکسید گوگرد ساطع می شوند ، هوا را آلوده نمی کند – این مسئله باعث مشکلات بهداشتی و آسیب های اقتصادی کمتر می شود. توربین های بادی گازهای گلخانه ای تولید نمی کنند که باعث باران اسیدی ، مه دود یا گازهای گلخانه ای شود. حتی می توان یک توربین بادی کوچک را در حیاط خانه نصب کرد و از انرژی باد استفاده کرد.
باد منبع انرژی داخلی است
تأمین باد در یک کشور فراوان و پایان ناپذیر است. طی ۱۰ سال گذشته ، ظرفیت انرژی بادی ایالات متحده ۱۵ درصد در سال رشد کرده است و باد اکنون بزرگترین منبع انرژی تجدید پذیر در ایالات متحده است و بزرگ ترین توربین بادی جهان در شرق آمریکا نصب شده است.
باد پایدار است و در واقع نوعی انرژی خورشیدی است. وزش باد در اثر گرم شدن جو توسط خورشید ، چرخش زمین و بی نظمی های سطح زمین ایجاد می شود. تا زمانی که خورشید می درخشد و باد می وزد ، می توان از انرژی آن برای تولید برق استفاده کرد.
توربین های بادی را می توان در مزارع یا مزرعه های موجود ساخت. این امر به نفع اقتصاد در مناطق روستایی است ، جایی که بهترین سایت های بادی یافت می شود. کشاورزان و دامداران می توانند به کار در زمین ادامه دهند زیرا توربین های بادی فقط بخشی از زمین را استفاده می کنند. صاحبان نیروگاه های بادی برای استفاده از زمین به کشاورز یا دامدار اجاره پرداخت پرداخت می کنند و درآمد اضافی را به صاحبان زمین ارائه می دهند.
چالش های استفاده از توربین بادی
نیروی باد هنوز باید بر اساس هزینه با منابع تولیدی مرسوم رقابت کند. اگرچه هزینه انرژی باد در چند دهه گذشته به طرز چشمگیری کاهش یافته است اما پروژه های بادی باید بتوانند از نظر اقتصادی با کمترین هزینه برای تولید برق رقابت کنند.
سایت های بادی خوب زمینی اغلب در مکان های دور افتاده ، دور از شهرهایی که برق مورد نیاز است قرار دارند. برای انتقال برق از نیروگاه بادی به شهر باید خطوط انتقال احداث شود. با این حال ، ساخت فقط چند خط انتقال از قبل پیشنهاد شده می تواند هزینه های گسترش انرژی باد را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
توسعه منابع باد ممکن است سودآورترین استفاده از زمین نباشد. زمین مناسب برای نصب توربین بادی باید با مصارف جایگزین برای زمین رقابت کند که ممکن است از تولید برق با ارزش تر باشد.
توربین ها ممکن است باعث آلودگی صوتی و نازیبایی مناظر شوند. اگرچه نیروگاه های بادی در مقایسه با نیروگاه های معمولی تأثیر نسبتاً کمی بر محیط دارند ، اما نگرانی در مورد سر و صدای تولید شده توسط پره های توربین و تأثیرات بصری بر منظره وجود دارد.
توربین های بادی می توانند حیات وحش محلی را تحت تأثیر قرار دهند. پرندگان با پرواز در پره های توربین در حال چرخش کشته می شوند. بیشتر این مشکلات با توسعه فناوری نیروگاه های بادی حل و فصل شده یا تا حد زیادی کاهش یافته است. خفاش ها نیز در پره های توربین گیر می کنند و تحقیقات در مورد توسعه و بهبود راه حل هایی برای کاهش تأثیر توربین های بادی بر روی این گونه ها ادامه دارد. مانند همه منابع انرژی ، پروژه های بادی می توانند زیستگاهی را که در آن ساخته شده تغییر دهند ، که ممکن است مناسب بودن آن زیستگاه را برای گونه های خاص تغییر دهد.
توربین بادی در ایران
ایران نیز مانند سایر کشورها از انرژی باد استفاده می کند. در سال ۲۰۰۴ میلادی ۲۵ مگاوات از ۳۳٫۰۰۰ مگاوات برق تولید شده در ایران با استفاده از این انرژی تولید شده بود. در سال ۲۰۰۶ سهم برق تولید شده از انرژی بادی به ۴۵ مگاوات رسید. در سال ۲۰۰۸با راه اندازی و توسعه نیروگاه بادی منجیل و بینالود ظرفیت تولید برق به ۸۲ مگاوات رسید.
طی سالهای بعد نیز ظرفیت تولید برق از انرژی بادی در ایران افزایش یافت و اکنون با راه اندازی مزرعه بادی با ظرفیت ۲۰ مگاوات ، بهره برداری از این انرژی افزایش یافته است. باد خیز بودن برخی مناطق در ایران مثلا شمال زابل، خواف و دوروح در شرق کشورمان ظرفیت تولید حدود ۳۰۰۰ مگاوات برق را دارند.
تحقیقات مختلف نشان می دهد که خواف دارای یکی از بی نظیرترین بادهای جهان است و می توان بیش از ۱۰۰۰ مگاوات برق از این بادها تولید کرد.
آینده انرژی باد
آینده انرژی باد درخشان است. طبق گفته آژانس بین المللی انرژی های تجدیدپذیر (IRENA) استفاده از انرژی باد در سراسر جهان سرعت می گیرد و تا سال ۲۰۵۰ ، انرژی باد می تواند ۳۵٪ از نیازهای جهانی انرژی را تشکیل دهد. با این حال ، برای این اتفاق ، ظرفیت فعلی انرژی بادی باید ۱۰ برابر افزایش یابد و به ۶۰۰۰ گیگاوات ، از جمله ۵۰۰۰ GW در خشکی و ۱۰۰۰ GW دریایی برسد.
انرژی باد ، همراه با انرژی خورشیدی ، راه را برای تحول در بخش برق جهانی هدایت می کند. باد خشکی و دریایی بیش از یک سوم (۳۵٪) کل انرژی الکتریکی تولیدی را به خود اختصاص می دهد و تا سال ۲۰۵۰ به یک منبع تولید برجسته تبدیل خواهد شد.
به لطف انرژی باد می توانیم کل انتشار گازهای گلخانه ای را تا سال ۲۰۵۰ به یک چهارم یا تقریباً ۶.۳ گیگا تن دی اکسید کربن در هر سال کاهش دهیم. چنین کاهش شدیدی در انتشار CO2 در جهان ، لزوم افزایش استفاده از ظرفیت انرژی باد را در سراسر جهان در دهه های آینده نشان می دهد.
توربین بادی چگونه برق تولید میکند
تولید انرژی از باد از طریق توربین به انرژی جنبشی یا همان انرژی حرکتی مربوط می شود. تولید انرژی از باد به انرژی جنبشی یا همان انرژی حرکتی مربوط می شود. یک توربین بادی انرژی جنبشی باد را می گیرد و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. هر توربین بادی شامل مجموعه ای از پره های پروانه است که به یک روتور در بالای برج توربین متصل شده اند. به روتور یک ناسل متصل است – یک پوشش جعبه مانند که حاوی یک شفت و یک ژنراتور است. انرژی جنبشی با زنجیره ای از چرخش به الکتریسیته تبدیل می شود: باد پره ها را می چرخاند و روتور را نیز می چرخاند و سپس شفت را می چرخاند که ژنراتور را می چرخاند. الکتریسیته تولید شده توسط ژنراتور به سمت پایین برج توربین جریان می یابد و از طریق یک ترانسفورماتور به ولتاژ مناسب تبدیل می شود تا به شبکه برق ما منتقل شود. کل این فرآیند هیچ آلودگی در هوا تولید نمی کند، برخلاف نیروگاه های سوخت فسیلی، که باید زغال سنگ، نفت یا گاز را بسوزانند تا بخار ایجاد کنند که چرخ دنده ها را برای تولید برق می چرخاند.
هر چه توربین بادی بزرگتر باشد، انرژی بیشتری می تواند تولید کند. توربین ها همچنین بلند هستند زیرا باد به طور مداوم می وزد و با مقاومت کمتری در بالاتر از هوا روبرو می شود. تیغه های بلندتر می توانند باد در دسترس بیشتری را بگیرند، حتی در مکان هایی که باد نسبتاً کمتری دارند. طیف گسترده‌ای در اندازه‌های توربین وجود دارد، اما میانگین توربین زمینی نصب شده در سال ۲۰۲۲ حدود ۳۲۱ فوت ارتفاع داشت و پره‌های پروانه آن ۴۲۹ فوت قطر داشت.
