نحوه کار توربین بادی و اجزای آن

در این برگه قصد داریم به بررسی نحوه کار توربین بادی و اجزای آن بپردازیم. پس با ما همراه باشید.

فهرست مطالب

1- توربین بادی چگونه کار می‌کند؟

2- نیروگاه بادی چگونه کار می‌کند؟

3- برج توربین بادی

4- توربین بادی زمینی

5- توربین بادی فراساحلی

 

باد یک منبع انرژی تجدیدپذیر، تمیز، رایگان و به طور گسترده در دسترس است که برای تولید برق استفاده می‌شود. باتوجه به اهمیت این منبع انرژی، قصد داریم به بررسی نحوه کار توربین بادی بپردازیم.

——————————

1- توربین بادی چگونه کار می‌کند؟

یک توربین بادی انرژی باد را با استفاده از نیروی آیرودینامیکی پره‌های روتور که مانند بال هواپیما یا تیغه روتور هلیکوپتر عمل می‌کنند، به الکتریسیته تبدیل می‌کند. هنگامی که باد در سراسر تیغه جریان دارد، فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می‌یابد. اختلاف فشار هوا در دو طرف تیغه باعث بالا رفتن و کشش می‌شود. و از آنجاییکه نیروی بالابر قوی تر از کشش است، باعث چرخش روتور می‌شود.
روتور یا مستقیماً (اگر یک توربین درایو مستقیم باشد) یا از طریق یک شفت و یک سری چرخ دنده (گیربکس) به ژنراتور متصل می‌شود که چرخش را سرعت می‌بخشد . این تبدیل نیروی آیرودینامیکی به چرخش ژنراتور باعث ایجاد الکتریسیته می‌شود.

——————————

2- نیروگاه بادی چگونه کار می‌کند؟

نیروگاه‌های بادی با داشتن مجموعه‌ای از توربین‌های بادی در یک مکان، برق تولید می‌کنند. محل قرارگیری نیروگاه بادی تحت تأثیر عواملی مانند شرایط باد، زمین اطراف، دسترسی به سیستم انتقال برق و سایر ملاحظات مکان است. در یک نیروگاه بادی، هر توربین الکتریسیته تولید می‌کند که به یک ایستگاه فرعی، و پس از آن به شبکه منتقل می‌شود.

• انتقال

خطوط انتقال برق را در ولتاژهای بالا در فواصل طولانی از توربین‌های بادی و سایر مولدهای انرژی به مناطقی که انرژی مورد نیاز است حمل می‌کنند.

• مبدل‌ها

ترانسفورماتورها، برق AC (جریان متناوب) را با یک ولتاژ دریافت می‌کنند و ولتاژ را افزایش یا کاهش می‌دهند تا برق را در صورت نیاز تحویل دهند. یک نیروگاه بادی از یک ترانسفورماتور افزایش دهنده برای افزایش ولتاژ (در نتیجه کاهش جریان مورد نیاز) استفاده می‌کند. این امر باعث کاهش تلفات برقی که در هنگام انتقال مقادیر زیاد جریان در فواصل طولانی با خطوط انتقال اتفاق می‌افتد، می‌شود. هنگامی‌که برق به یک منطقه می‌رسد، ترانسفورماتورها ولتاژ را کاهش می دهند تا آن را ایمن و برای ساختمان‌ها و خانه ها قابل استفاده کنند.

• پست

پست، سیستم انتقال را به سیستم توزیع که برق را به مناطق می‌رساند، متصل می‌کند. در داخل پست، ترانسفورماتورها برق را از ولتاژ بالا به ولتاژ پایین تبدیل می‌کنند که می‌تواند با خیال راحت به مصرف کنندگان برق تحویل داده‌شود.

——————————

3- برج توربین بادی

 برج توربین بادی از فولاد لوله‌ای ساخته‌شده و ساختار توربین را پشتیبانی می‌کند. برج ها معمولاً دارای سه بخش هستند و در محل مونتاژ می‌شوند. از آنجایی که سرعت باد با افزایش ارتفاع افزایش می‌یابد، برج‌های بلندتر، توربین‌ها را قادر می‌سازند تا انرژی بیشتری جذب، و برق بیشتری تولید کنند. در ارتفاع 30 متری (تقریباً 100 فوت) یا بالاتر، باد نیز کمتر متلاطم است.

• جهت باد

جهت باد طراحی توربین را تعیین می‌کند. توربین‌هایی که رو به باد نصب می‌شوند، مانند آنچه در تصویر نشان داده شده‌است، دقیقا رو به رو و خلاف جهت باد قرار دارند، درحالیکه توربین‌های پشت به باد در جهت باد قرار دارند. بیشتر توربین‌های بادی زمینی در مقیاس کاربردی، رو به باد نصب می‌شوند.

• بادگیر

بادگیر جهت باد را اندازه گیری می‌کند و با Yaw drive ارتباط برقرار می‌کند تا توربین را به درستی نسبت به باد جهت دهی کند.

• بادسنج

بادسنج سرعت باد را اندازه گیری می‌کند و داده‌های سرعت باد را به کنترل کننده منتقل می‌کند.

• پره ها

بیشتر توربین‌ها دارای سه پره هستند که عموما از فایبرگلاس ساخته شده‌اند. پره‌های توربین از نظر اندازه متفاوت هستند، اما یک توربین بادی معمولی مدرن مستقر در زمین دارای پره‌هایی با طول بیش از 170 فوت (52 متر) است. بزرگترین توربین، توربین بادی دریایی Haliade-X جنرال الکتریک، با پره‌هایی به طول 351 فوت (107 متر)، تقریباً به اندازه طول یک زمین فوتبال، است. هنگامی که باد در سراسر تیغه جریان دارد، فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می‌یابد. اختلاف فشار هوا در دو طرف تیغه باعث بالا رفتن و کشش می شود. با توجه به آنکه نیروی بالابر قوی‌تر از کشش است منجر به چرخش روتور می‌شود.

——————————

4- توربین بادی زمینی

در این بخش قصد داریم با اجزای یک توربین بادی زمینی و نحوه کار توربین بادی آشنا شویم.

پیشرانه

پیشرانه‌در یک توربین با گیربکس، از روتور، یاتاقان اصلی، شفت اصلی، گیربکس و ژنراتور تشکیل شده‌است. پیشرانه، سرعت پایین و گشتاور بالای روتور توربین (پره ها و مجموعه هاب) را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

ناسل

ناسل در بالای برج قرار دارد و شامل گیربکس، شفت های کم سرعت و پرسرعت، ژنراتور و ترمز است. برخی از ناسل ها بزرگتر از یک خانه هستند و برای یک توربین 1.5 مگاواتی، می‌توانند بیش از 4.5 تن وزن داشته باشند.

سیستم Yaw

Yaw drive، ناسل را روی توربین‌های رو به باد می‌چرخاند تا در صورت تغییر جهت باد، آن‌ها را رو به باد نگه دارد. در این فرآیند موتورهای Yaw به Yaw drive نیرو می‌دهند تا این اتفاق بیفتد. توربین‌های پشت به باد نیازی به Yaw drive ندارند؛ زیرا باد به صورت دستی روتور را از آن دور می‌کند.

سیستم Pitch

سیستم Pitch، زاویه پره‌های توربین بادی را نسبت به باد تنظیم، و سرعت روتور را کنترل می‌کند. با تنظیم زاویه پره‌های توربین، سیستم Pitch انرژی که پره‌ها می‌توانند استخراج کنند را کنترل می‌کند. همچنین، سیستم Pitch می‌تواند تیغه ها را ” feather “، و زاویه آنها را تنظیم کند تا نیرویی که باعث چرخش روتور می‌شود، ایجاد نشود. علاوه براین، اینکار روتور توربین را کند می‌کند تا از آسیب دیدن تجهیز در زمانی که سرعت باد شدید است، جلوگیری کند.

هاب

پره‌های توربین در هابی که به ژنراتور توربین وصل است، قرار می‌گیرند.

روتور

پره ها و هاب با یکدیگر روتور توربین را تشکیل می‌دهند.

شفت کم سرعت

بخشی از پیشرانه توربین است که به روتور متصل می‌شود و بین 8 تا 20 دور در دقیقه می‌چرخد.

بلبرینگ شفت اصلی

قسمتی از پیشرانه توربین است که از محور چرخان با سرعت کم پشتیبانی می‌کند و اصطکاک بین قطعات متحرک را کاهش می‌دهد تا نیروهای وارده از روتور، به شفت آسیب نرسانند.

شفت با سرعت بالا

بخشی از پیشرانه توربین است که به گیربکس متصل می‌شود و ژنراتور را به حرکت در می‌آورد.

ژنراتور

ژنراتور توسط شفت با سرعت بالا هدایت می‌شود. سیم پیچ‌های مسی از طریق یک میدان مغناطیسی در ژنراتور می‌چرخند تا الکتریسیته تولید کنند. برخی از ژنراتورها توسط گیربکس (در اینجا نشان داده شده است) هدایت می‌شوند و برخی دیگر درایوهای مستقیم هستند که در این حالت روتور مستقیماً به ژنراتور متصل می‌شود.

کنترلر

کنترلر به ماشین اجازه می‌دهد تا با سرعت باد حدود 7 تا 11 مایل در ساعت (مایل در ساعت) شروع به کار کند و وقتی سرعت باد از 55 تا 65 مایل در ساعت فراتر رفت، دستگاه را خاموش ‌کند. کنترل کننده توربین را در سرعت های بالاتر باد خاموش می‌کند تا از آسیب به قسمت‌های مختلف توربین جلوگیری کند. کنترل کننده را به عنوان سیستم عصبی توربین در نظر می‌گیرند.

ترمز

ترمزهای توربین مانند ترمزهای خودرو نیستند. ترمز توربین از چرخش روتور پس از خاموش شدن توسط سیستم Pitch جلوگیری می‌کند. هنگامی‌که پره‌های توربین توسط کنترلر متوقف می‌شوند، ترمز از حرکت پره‌های توربین جلوگیری می‌کند که برای تعمیر و نگهداری ضروری است.

——————————

5- توربین بادی فراساحلی

در این بخش قصد داریم با اجزای یک توربین بادی فراساحلی و نحوه کار توربین بادی آشنا شویم.

توربین‌های درایو مستقیم، سیستم‌های ناسل را ساده می‌کنند و می‌توانند با اجتناب از مشکلات گیربکس، کارایی و قابلیت اطمینان را افزایش دهند. این مدل‌ها با اتصال مستقیم روتور به ژنراتور برای تولید برق کار می‌کنند.

بادگیر و بادسنج

بادگیر جهت باد را اندازه گیری می‌کند و با Yaw drive ارتباط برقرار می‌کند تا توربین را به درستی نسبت به باد جهت دهی کند. بادسنج سرعت باد را اندازه‌گیری می‌کند و داده‌های سرعت باد را به کنترل‌کننده منتقل می‌کند.

سیستم Yaw

موتورهای Yaw نیروی Yaw drive را تامین می‌کنند، که ناسل را روی توربین‌های رو به باد می‌چرخاند تا در هنگام تغییر جهت باد، آنها را رو به باد نگه دارد.

پره‌ها

بیشتر توربین‌ها دارای سه پره هستند که از فایبرگلاس ساخته شده اند. هنگامی که باد در سراسر تیغه جریان دارد، فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می‌یابد. اختلاف فشار هوا در دو طرف تیغه باعث بالا رفتن و کشش می شود. نیروی بالابر قوی تر از کشش است و این باعث چرخش روتور می‌شود. تیغه‌های توربین Haliade X جنرال الکتریک 351 فوت (107 متر) طول دارند.

سیستم Pitch

سیستم Pitch، زاویه پره‌های توربین بادی را نسبت به باد تنظیم، و سرعت روتور را کنترل می‌کند. با تنظیم زاویه پره‌های توربین، سیستم Pitch انرژی که پره‌ها می‌توانند استخراج کنند را کنترل می‌کند. همچنین، سیستم Pitch می‌تواند تیغه ها را ” feather “، و زاویه آنها را تنظیم کند تا نیرویی که باعث چرخش روتور می‌شود، ایجاد نشود. علاوه براین، اینکار روتور توربین را کند می کند تا از آسیب دیدن تجهیز در زمانی که سرعت باد برای کار ایمن بیش از حد است، جلوگیری کند.

هاب

پره‌های توربین در هابی که به ژنراتور توربین وصل است قرار می‌گیرند.

روتور

پره ها و هاب با یکدیگر روتور توربین را تشکیل می‌دهند.

ژنراتور

ژنراتورهای درایو مستقیم برای تولید برق به گیربکس متکی نیستند. آنها با استفاده از یک حلقه غول پیکر از آهنرباهای دائمی انرژی تولید می‌کنند که با روتور می‌چرخد تا جریان الکتریکی را هنگام عبور از سیم پیچ‌های مسی ثابت، تولید کند. قطر زیاد حلقه به ژنراتور اجازه می‌دهد تا هنگام چرخش با همان سرعت پره‌ها (8 تا 20 چرخش در دقیقه) قدرت زیادی ایجاد کند، بنابراین برای سرعت بخشیدن به هزاران چرخش در دقیقه که سایر ژنراتورها نیاز دارند، نیازی به گیربکس ندارد.

کنترلر

کنترلر به ماشین اجازه می‌دهد تا با سرعت باد حدود 7 تا 11 مایل در ساعت (مایل در ساعت) شروع به کار کند و وقتی سرعت باد از 55 تا 65 مایل در ساعت فراتر رفت، دستگاه را خاموش ‌کند. کنترل کننده توربین را در سرعت های بالاتر باد خاموش می‌کند تا از آسیب به قسمت‌های مختلف توربین جلوگیری کند. کنترل کننده را به عنوان سیستم عصبی توربین در نظر میگیرند.

ترمز

ترمزهای توربین مانند ترمزهای خودرو نیستند. ترمز توربین از چرخش روتور پس از خاموش شدن توسط سیستم Pitch جلوگیری می‌کند. هنگامی‌که پره‌های توربین توسط کنترلر متوقف می‌شوند، ترمز از حرکت پره‌های توربین جلوگیری می‌کند که برای تعمیر و نگهداری ضروری است.

بلبرینگ

بلبرینگ روتور از شفت اصلی پشتیبانی می کند و اصطکاک بین قطعات متحرک را کاهش می دهد تا نیروهای وارده از روتور به شفت آسیب نرسانند.

 

مرجع

?How a Wind Turbine Works