توربین بادی

اگرچه طراحی های مختلفی برای توربین بادی موجود می باشد ولی به طور عمده به دو دسته کلی بر اساس جهت محور چرخش تقسیم بندی می شوند:

محور افقی:  (Horizontal Axis Wind Turbines(HAWTS که نوع رایج آن می باشد.

محور عمودی: (Vertical Axis Wind Turbines(VAWTS

جریان هوا بر روی هر سطحی دو نوع نیروی ایرودینامیکی با نام های درگ و لیفت به وجود می آورد که نیروی درگ در جهت جریان باد است و نیروی لیفت عمود بر جریان باد می باشد. یکی از این نیروها یا هر دو می توانند نیروی مورد نیاز برای چرخش پره های توربینهای بادی را تامین نمایند.

توربینهای محور افقی  

ویژگی روتورهای توربینهای محور افقی جدید بسیار شبیه ملخ هواپیما می باشد. جریان هوا روی مقطع ایرودینامیکی شکل پره هاحرکت می کند و نیروی لیفت را به وجود آورده که باعث چرخش روتور می گردد. ناسل توربینهای محور افقی محلی برای گیربکس و ژنراتور می باشد. مساحتی که هر کدام از پره ها جاروب می کنند از این فرمول بدست می آید:

که در آن D قطر روتور می باشد. این مساحت جاروب شده باید مستقیما روبروی وزش باد باشد تا ماکزیمم برق تولیدی را داشته باشیم. پس توربینهای محور افقی باید سیستمی برای تنظیم در مقابل باد قرار گرفتن داشته باشند که به آن مکانیزم yawing می گویند. به طوری که کل ناسل می تواند به سمت باد بچرخد.  در توربینهای کوچک دنباله بادنما این کنترل را بر عهده دارد. ولی در سیستمهای متصل به شبکه سیستم کنترل یاو فعال می باشد که به وسیله سنسورهای تعیین کننده جهت باد و موتورها، ناسل به سمت باد می چرخد.

توربینهای محور عمودی

این توربینها به دو نوع اصلی تقسیم بندی می شوند: Savnoius و Darrieus.

Savnoius مانند یک چرخ آب با نیروی درگ کار می کند در حالی که Darrieus از تیغه هایی مشابه توربینهای محور افقی استفاده می کند. توربینهای محور عمودی بسیار نزدیک به زمین قرار می گیرند که از مزیتهای آن قرار دادن تجهیزات سنگین آن از جمله گیربکس و ژنراتور نزدیک به سطح زمین می باشد، هرچند که شدت باد در سطح زمین کمتر است و در نتیجه برق کمتری تولید خواهد نمود. از دیگر مزایای این نوع توربینها می توان به نیاز نداشتن سیستم یاو اشاره کرد چراکه این نوع توربینها، باد را از هر جهت مهار می کنند و این مزیت برتری بسیاری نسبت به کمبودهای آن دارد. از کمبودهای آن می توان به این مورد اشاره نمود که این نوع توربینها به طور خودکار مانند توربینهای محور افقی شروع به کار نمی کنند.

توربین کلاسیک Darrieus از نوع تخم مرغی شکل

توربین 5 پره ای از نوع H-type از انواع توربینهای Darrieus

انواع روتورهای Darrieus

توربین از نوع Savnoius

این نوع توربین در سال 1922 میلادی توسط مهندسی فنلاندی اختراع گردید و در سال 1929 این اختراع به ثبت رسید. این توربین از حداقل 2 نیم استوانه تشکیل شده است.

چرخش توربینهای بادی برپایه نیروی درگ

توربینهای بادی برپایه نیروی درگ مانند یک بادبان باز عمل می کنند و نیروی باد سطح مورد نظر را جلو می برد. اولین توربینهای بادی که در ایران باستان مورد استفاده قرار می گرفت با این رویکرد کار می کردند. روتور Savonius یک نمونه بسیار ساده از آسیابهای بادی بر پایه نیروی درگ می باشد. این توربینها به چرخش در می آیند چراکه نیروی درگ در ناحیه باز و مقعر این روتورها بسیار بزرگتر و بیشتر از قسمت بسته و محدب آنها می باشد.

چرخش توربینهای بادی بر پایه نیروی لیفت

با استفاده از نیروی لیفت انرژی بیشتری نسبت به نیروی درگ بدست می آید. ولی تنها نیاز آن سطحی ایرودینامیکی شکل می باشد شبیه چیزی که در بالهای هواپیما استفاده می شود. این مقطع ایرودینامیکی برای ایجاد اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین و ایجاد یک نیروی خالص عمود بر جهت باد می باشد.

اجزاء اصلی توربینهای بادی محور افقی

• روتور: روتور توربین باد شامل پره، هاب، دماغه و یاتاقانهای پره می باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند.معمولا روتور توسط بک برج در ارتفاع مناسبی نسبت به زمین قرار می گیرد و البته پیش بینی های لازم برای هم جهت شدن امتداد شفت با جهات مختلف باد و همچنین برای کنترل سرعت آن صورت می گیرد و قدرت جذب شده توسط این روتور مستقیما و یا توسط یک سیستم مکانیکی به ماشینی که قرار است رانده شود منتقل می گردد. تعداد پره ها معمولا متغیر بوده و پهنای پره (کورد) ممکن است در تمام طول پره ها ثابت و یا آنکه متغیر باشد و پره از هاب به سمت نوک باریک شود.ضمنا پره ممکن است در امتداد محور طولی تاب داشته باشد یا اصطلاحا پیچیده باشد و بالاخره گام پره ممکن است ثابت و یا متغیر باشد.

• پره: یکی از مهمترین بخشهای توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد.

• برج: سازه های مشبک فولادی- برجهای استوانه ای فولادی یا بتنی و همچنین ستونهای مهار شده توسط کابل از رایج ترین برجهای نگهدارنده محسوب می شوند. ارتفاع برج معمولا بین یک تا یک ونیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین سفتی برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می گردد وجود دارد.

• ناسل: شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد.بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن باستند.

• سیستم انتقال قدرت: سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گردنده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، گیربکس و محور سرعت بالا ( در سمت ژنراتور) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقانها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، می‌باشد. عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرارمی‌گیرد: گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای. برای توربین‌های سایز متوسط به بالا (بزرگتر از KW 500) مزیت وزن و سایز در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتراست. بعضی از توربین‌های باد از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می کند (ژنراتور با تعداد قطب بالا ) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد.

• ژنراتور:  پره های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی درسیستم انتقال تبدیل می کنند و در قدم بعدی ژنراتور، انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربینهای بادی استفاده می شود. – ژنراتور جریان مستقیم – آلترناتور یا ژنراتور سنکرون – ژنراتور القایی یا آسنکرون

• گیربکس(جعبه دنده) : از آنجائی که محور توربین دارای دور کم و گشتاور بالا و بر عکس آن محور ژنراتور دارای دور بالا و گشتاور کم است، سیستم انتقال قدرت باید به نحوی این دو محور را به یکدیگر متصل نماید.

• ترمز:  در توربینهای بادی با ظرفیت بسیار پایین ( 1 الی 5 کیلووات) معمولا از سیستم های ترمز کفشکی استفاده می شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. در توربینهای بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می شود.

• سیستم کنترل:  برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی، باید بتوان همواره صفحه دوران توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار داد. برای این منظور از سیستم هایی برای تغیر جهت توربین بادی و قرار دادن سیستم در مسیر باد استفاده می شود. این سیستم (yaw system) یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام میشود. در توربین های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف (yaw system) از بالچه استفاده می کنند. همچنین سیستم هایی جهت کنترل و تنظیم سرعت دورانی در توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرند. چنین سیستمهایی علاوه بر کنترل دور روتور، مقدار قدرت تولیدی و نیروهای وارده بر روتور در بادهای شدید را نیز محدود می کنند.

• سیستم هیدرولیک:  سیستم های هیدرولیک به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می کند. یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگهای انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جنبی تشکیل شده است. پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد. محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است. وظیفه این محور انتقال حرکت جک هیدرولیکی و در واقع فرمان کنترلر به مکانیزم مثلثی است که باعث چرخش پره ها می گردد. مکانیزم مثلثی درون هاب باعث تبدیل حرکت انتقالی محور تراورس به حرکت چرخشی و نتیجتا چرخش پره ها به دور محورشان می گردد.