توربین بادی چیست؟ روش کار و تولید برق در توربین بادی

معرفی انواع توربین بادی + مزایا و معایب توربین بادی

همه چیز درباره تورببن بادی

توربین بادی به طور کلی وسیله ای است که انرژی حبس شده در باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند و در انواع مختلفی ساخته می شود. در ادامه جهت آشنایی کامل با توربین های بادی همراه ما باشید.

توربین بادی چیست؟

توربین بادی یکی از وسیله های پرکاربردی است که توسط آن انرژی موجود در باد با کمک یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. علاوه بر این توربین بادی با اهداف مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد که نام های دیگری دارد. برای مثال پمپ بادی وسیله ای مشابه توربین است که برای آسیاب گندم به کار می رود.

توربین بادی از سه قسمت اصلی یعنی برج (بخشی مستحکم و سازه ای بلند که سایر اجزا روی آن نصب می شوند)، تیغه ها و روتر (جزء دواری که تیغه ها به آن متصل شده و زمان روشن بودن توربین با نیرو باد می چرخد) و پوشش محافظ (شامل سیستم کنترل، گیربکس، ژنراتور و شفت ها) تشکیل می شود. 

توربین بادی وسیله ای برای تبدیل انرژی جنبشی به الکتریکی

توربین بادی در دو نوع با محور افقی و محور عمودی ساخته می شود و با توجه به سایز آن کاربرد های متفاوتی دارد. برای مثال توربین بادی کوچک برای شارژ کردن باتری ها یا توان کمکی در قایق های بادبانی مورد استفاده قرار می گیرد.

اما توربین های بادی بزرگی که با چرخاندن ژنراتور برق تولید می کنند یک منبع تولید انرژی الکتریکی به شمار می روند و در بسیاری کشورها مورد استفاده قرار می گیرند. برای مثال یک مزرعه بادی در کشور آمریکا وجود دارد که توربین های بادی متوسطی دارد که هرکدام حدود ۷۰۰ کیلو وات توان تولید می کنند. این مقدار انرژی برای مصرف ۴۰۰ خانوار کافی‌ست و از یک راه سالم و کم هزینه ایجاد شده است.

انواع توربین های بادی

پیش تر نیز اشاره شد که توربین ها به دو شکل مختلف ساخته می شوند. دسته اول آنهایی هستند که به دور محور افقی می چرخند و توربین های دیگری نیز وجود دارند با محور افقی چرخیده و سابقه طولانی تری دارند. همچنین این مدل امروزه نیز کاربرد بیشتری دارد اما توربین های که محور عمودی دارند نسبت به جهش باد حساس نبوده و به پایه های مرتفعی نیاز ندارند اگرچه در عمل کارایی کمتری دارند.

توربین های بادی با محور افقی یک روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای برج دارند که باید هم راستا با باد قرار بگیرد و کاربرد زیادی در نیروگاه های بادی دارند. توربین های امروزی معمولا از سه پره تشکیل شده اند اما ممکن است با دو یا حتی یک پره نیز ساخته شوند.

- معرفی میکروتوربین ها

میکروتوربین ها معمولا در حد ۵۰ وات توان دارند

نوعی از توربین های بادی هم وجود دارد که بسیار کوچک هستند و می توان از آنها بر روی سقف ساختمان، قایق های کوچک یا چراغ های راهنمایی و... استفاده کرد. این توربین ها می توانند حدود ۵۰ الی ۱۵۵۰ وات توان تولید کنند و در سطح گسترده ای به کار گرفته شوند.

سازندگان این مدل تبلیغات زیادی در رابطه با تاثیر استفاده از میکروتوربین ها در کاهش هزینه ها و کمک به محیط زیست می کنند اما واقعیت این است که استفاده از میکروتوربین ها تنها در مواردی که جایگاه مناسبی داشته باشند منفعت اقتصادی دارد و نصب آنها در بالای ساختمان های شهری که جریان وزش باد به دلیل تراکم سازه ها آشفته است چندان منطقی به نظر نمی رسد.

اجزاء تشکیل دهنده توربین بادی

به طور کلی توربین های بادی با محور افقی که استفاده از آنها رایج است از سه بخش اصلی روتور، ژنراتور و برج تشکیل شده است که در ابتدای مقاله نیز با آن آشنا شدیم. اجزای تشکیل دهنده توربین به صورت جزئی تر نیز عبارتند از:

• بادسنج یا Anemometer

• پره های توربین یا Blades

• ترمز که می تواند به صورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی باشد.

کنترلر یا Controller

• گیربکس یا Gear box که یکی از اصلی ترین بخش های توربین بادی به شمار می رود

• ژنراتور یا Generator که وظیفه تولید برق را دارد

• شفت های پرسرعت یا High-speed shaft

• شفت های کم سرعت یا Low-speed shaft

• روتور یا Rotor

• برج یا Tower

• Wind direction که یک فناوری برای چرخش توربین در خلاف جهت باد به کار می رود

• بادنما یا Wind vane برای اندازه گیری جهت وزش باد و قرار دادن جهت توربین در وضعیتی مناسب

• درایو انحراف یا Yaw drive

• موتور انحراف یا Yaw motor

روش کار و تولید برق در توربین بادی

توربین بادی با چرخش پره ها برق تولید می کند

پره های بزرگی که در توربین های بادی وجود دارد منحنی شکل هستند و در زمان عبور باد، شروع به حرکت می کنند. هرچقدر طول پره ها بیشتر باشد، انرژی بیشتری نیز تولید می شود و سرعت باد هم تاثیر زیادی در میزان انرژی دارد. 

بدین ترتیب می توان گفت میزان انرژی تولید شده توسط هر توربین بادی متغیر است و اتصال تعدادی زیادی از آنها و ساخت یک مزرعه بادی برای تشکیل شبکه انرژی ملی است که باعث ایجاد یک منبع پایدار و قابل اعتماد تر می شود. 

به طور ساده توربین های بادی انرژی جنبشی موجود در باد را گرفته و به توان مکانیکی تبدیل می کنند. این توان به ژنراتور منتقل شده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می کند و بر اساس یک اصل ساده استوار است.

معمولا توربین های بادی روی برج بلندی در ارتفاع نصب می شوند که بیشترین انرژی ممکن را دریافت کنند و پره های بزرگی که روی آنها وجود دارد باعث می شود یک نسیم ملایم هم باعث چرخش پره ها شود. با این حال توربین های بادی در ۱۴ درصد مواقع کار نمی کنند و در بقیه زمان ها نیز حداکثر توان را تولید نمی کنند. این موضوع شاید در نگاه اول ضعف به نظر برسد اما باعث شده است که توربین ها برای فعالیت با بهینه ترین سرعت در شرایط مختلف مناسب باشند.

علاوه بر این روش کار توربین های بادی به سبکی است که انرژی را از باد دریافت کرده و مقداری از سرعت آن را کاهش می دهد. انرژی بادی به وفور یافت می شود و به طور رایگان در دسترس عموم قرار دارد اما این موضوع ساخت مزرعه بادی را با مشکل مواجه می کند مگر اینکه در یک منطقه به شدت باد خیز قرار داشته باشد. البته برای حل این مشکل می توان فاصله لازم میان توربین ها ایجاد کرد که انرژی باد به اندازه کافی به همه توربین ها رسیده و تولید انرژی به درستی و با صرفه انجام شود.

مزایای استفاده از توربین بادی

استفاده از توربین های بادی مزایای بسیاری دارد چرا که بر خلاف انرژی های تولید شده از سوخت های فسیلی همچون زغال سنگ پاک و طبیعی به شمار می رود. همچنین توربین های بادی باعث آلودگی از طریق گاز کربن دی اکسید و گرمایش زمین و تولید باران های اسیدی هم نمی شود.

انرژی بادی به صرفه است به طوری که یک بار در ابتدا هزینه تامین تجهیزات و نصب و... وجود دارد و پس از آن برای دوره ای حدودا بیست و پنج ساله جزء موارد نادری در تعمیر و تعویض قطعات نیازی به هزینه خاصی ندارند که یک امتیاز بزرگ می باشد. 

همانطور که مطلع هستید  مواد اولیه مورد استفاده در ساخت توربین های بادی شامل فلز و بتن می شود که اثرات زیست محیطی ناچیزی دارد چرا که طول عمر کاری توربین های بادی طولانی است و یکی از کمترین تولیدات کربن دی اکسید در میان روش های تولید برق می باشد. کربن دی اکسید تولید شده برای ساخت یک مزرعه بادی به مراتب کمتر از نیروگاه های فسیلی یا نیروگاه های خورشیدی و زیست توده می باشد.

توربین های بادی سازگاری بیشتری با طبیعت دارند

در این میان نیروگاه های هسته ای کربن دی اکسید کمتری نسبت به مزرعه بادی تولید می کنند اما استفاده از انرژی هسته ای مشکلاتی مربوط به امنیت، آلودگی و امحای پسماند دارد که در صورت استفاده از توربین بادی وجود نخواهند داشت. همچنین توربین ها با سرعت و سهولت بیشتری نسبت به نیروگاه های هسته ای ساخته می شوند و طبق گزارشی در سال ۲۰۰۹ برق تولیدی به ازای هر کیلووات ساعت در نیروگاه های بادی ارزان تر است و نصف قیمت برق اتمی و دو سوم قیمت نیروگاه زغال سنگ می باشد.

گزارشی توسط شورای جهانی انرژی بادی نشان داد یک توربین بادی در متوسط زمانی سه الی شش ماهه کل انرژی صرف شده برای طول عمرش (از زمان ساخت و بهره برداری تا بازیابی) را تولید و جایگزین می کند. به طور کلی مزایای توربین بادی عبارتند از:

• انتشار مقدار کمی از کربن دی اکسید

• عدم آلودگی برای آب و هوا

• کم بودن اثرات زیست محیطی نامطلوب

• عدم نیاز به پرداخت بابت تهیه هرگونه سوخت

• کاملا پایدار بر خلاف سوخت های فسیلی

• کارکرد در مناطق بسیاری از کره زمین (هرجایی که بادخیز باشد)

• قابل پیشبینی بودن هزینه بهره برداری از انرژی بادی برای مدتی طولانی

• عدم وابستگی به نوسانات بازار

معایب استفاده از توربین بادی

در نگاه اول شاید توربین های بادی بدون ایراد به نظر برسند اما معایب و انتقادهایی نیز به این روش وارد است که ممکن است در آینده حل شوند. از جمله معایب استفاده از توربین های بادی کم بودن میزان انرژی تولید شده می باشد که در مقایسه با روش هایی همچون نیروگاه های هسته ای و فسیلی ناچیز می باشد.

اگرچه می توان از تعداد توربین های بیشتری استفاده کرد اما معمولا فاصله زیادی میان توربین ها نیاز است تا به درستی کار کنند؛ این بدین معنی است که مزرعه بادی فضای زیادی را اشغال می کند اما می توان از فضای میان آنها برای کشاورزی استفاده کرد که حدودا پنج درصد از فضای یک مزرعه را به خود اختصاص می دهد.

نصب توربین در سطح دریا کارکردی بهتر اما روند دشواری دارد

همچنین نصب توربین ها در سطح دریا (که کارکرد خیلی بهتری دارد) پر هزینه است و مشکلات به خصوصی ایجاد می کند. حتی نصب توربین در خشکی و ایجاد مزرعه بادی نیز هزینه های بالایی دارد. 

همچنین نیروی باد متغیر است و یک شبکه برق کارمد به منابع قابل پیشبینی انرژی نیاز دارد. قدرت پیشبینی حدودی از انرژی بادی وجود دارد اما عوامل مختلفی هستند که باعث می شوند نیروگاه بادی به عنوان تنها منبع انرژی مناسب نباشد. در این زمان ها باید از نیروگاه برق آبی یا انرژی خورشیدی و هسته ای و... هم استفاده کرد.

همچنین با وجود عدم آلایندگی توربین های بادی برای آب و هوا و محیط زیست، ممکن است احداث یک مزرعه بادی آسیب های شدیدی به بافت محیط زیست منطقه وارد کند. برای مثال عملیات پی ریزی و نصب برجک ها و پایه توربین ها گاها نیاز به گودال هایی تا عمق پنجاه متر دارد که در شرایطی اکو سیستم منطقه را تحت تاثیر قرار می دهد. گونه های گیاهی یک منطقه پس از احداث نیروگاه بادی به شکل متفاوتی از قبل رشد می کنند و ممکن است جاده ها و فضای مورد نیاز برای دسترسی به نیروگاه بادی به نابودی زیستگاه گونه های به خصوصی از جانداران ختم شود.

استفاده از توربین های بادی ممکن است باعث ایجاد آلودگی های صوتی شود که ساکنین منطقه را اذیت می کند؛ البته توربین های جدیدی که ساخته می شوند بسیار کم سر و صدا تر هستند و تنها تا منطقه دویست متری را تحت تاثیر قرار می دهند. به طور کلی معایب توربین های بادی عبارتند از:

• هزینه بالا در ابتدای مسیر

• خروجی متغیر با توجه به شرایط و نیاز به احداث مزرعه بادی

• تحت تاثیر قرار گرفتن برخی از موارد در اکوسیستم منطقه در صورت تاسیس نیروگاه بادی

• اشتغال گسترده زمین (اگرچه امکان استفاده از ۹۵ درصد زمین با هدف کشاورزی وجود دارد)

• عدم توانایی تامین تقاضای یک کشور در تمامی اوقات و فصل های سال

گردآوری:بخش علمی