انواع توربین های بادی

نواع مختلفی از توربین های بادی وجود دارد ما را قادر می کنند تا بتوانیم در هر حالت و شرایطی امکان استفاده از انرژی مکانیکی بادی را برای تبدیل به انرژی الکتریکی داشته باشیم. برخی از آنها برای کاربردهای خانگی و در مقیاس کوچک و برخی در نیروگاه های بادی مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجایی که لزوم کاهش وابستگی نسبت به منابع انرژی تجدیدناپذیر و بخصوص فسیلی روز به روز اهمیت بیشتری پیدا می کند و تمرکز بر استفاده از منابع تجدید پذیر و ارایه راه کارهای جدید و نوآورانه برای بهره وری و کارایی هر چه بیشتر در این خصوص است، بنابراین، دانستن اینکه چگونه انواع توربین های بادی چگونه به نظر می رسند و کجا می توان از آنها استفاده کرد، می تواند بسیار سودمند باشد.

انرژی باد انواع آن

عوامل مختلفی برای به حرکت درآوردن جو عمل می کنند، که یکی از آن ها پدیده ای است که آن را باد می نامیم. این پدیده طبیعی دارای انرژی جنبشی است که می تواند طی یک فرآیند مکانیکی از آن بهره برداری کرد. انرژی جنبشی باد برای ما چیز جدیدی نیست؛ تقریباً از هزار سال پیش از آن برای چرخاندن آسیاب های بادی استفاده شده است. اما آیا راه های دیگری برای استفاده از انرژی باد در کاربرد ملموس تر وجود دارد؟

پاسخ البته یک بله بزرگ است. ایده اصلی این است که انرژی جنبشی باد می تواند برای چرخاندن برخی تجهیزات مورد استفاده قرار گیرد، مانند آسیاب های بادی؛ اما این بار برای تولید برق. باد بر اساس جایی که انرژی آن به باد زمینی و باد دریایی برداشت می شود، طبقه بندی می گردد؛ باد زمینی را می توان به دو نوع باد کوچک یا باد توزیعی و باد در مقیاس کاربردی طبقه بندی کرد:

– باد کوچک به استفاده از انرژی باد در مقیاس کوچک برای منازل، مزارع و مشاغل اطلاق می شود که برای تامین توان مورد نیاز از توربین های بادی کوچک با توان تا 100 کیلووات استفاده می شود. در این راه اندازی، توربین های برد به شبکه متصل نیستند و توان تولیدی آنها مستقیماً توسط کاربر نهایی مصرف می شود.

– باد در مقیاس کاربردی به استفاده از انرژی باد در کاربردهای تولید برق در مقیاس بزرگ اشاره دارد. توربین بادی مورد استفاده برای این باد دارای اندازه هایی در محدوده 100 کیلووات تا چند مگاوات است. با وجود توربین های بادی کوچک، توان تولیدی توربین های بادی در مقیاس شهری به شبکه برق تزریق می شود تا توسط کاربران نهایی توزیع و استفاده شود.

– باد فراساحلی همانطور که از نام آن پیداست با نصب توربین های بادی بزرگ در مناطق دریایی از انرژی باد استفاده می کند. توربین های بادی مستقر در دریا بزرگ تر از توربین های بادی مستقر در خشکی هستند و بنابراین، معمولاً می توانند قدرت بیشتری نسبت به همتایان خود در زمین تولید کنند.

توربین های بادی که وظیفه تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی را بر عهده دارند را نیز می توان به انواع مختلفی دسته بندی کرد. توربین های بادی بطور کلی به دو نوع توربین بادی محور افقی (HAWT) و توربین بادی محور عمودی (VAWT) طبقه بندی می شوند.

انواع توربین بادی محور افقی:

یکی از انواع مهم توربین های بادی، توربین بادی محور افقی است که پرمصرف ترین توربین بادی موجود است. این نوع توربین بادی همان ساختاری است که احتمالاً با شنیدن توربین بادی، تصور می کنیم. طراحی این توربین ها تقریباً از همان ایده ای پیروی می کند که قبلاً در آسیاب های بادی اجرا شده بود. پره های روتور که به یک شفت متصل می شوند و با برخورد باد آن را می چرخانند. با این تفاوت نسبت ساختار قدیمی که این بار شفت به ژنراتوری متصل می شود که انرژی الکتریکی را تولید می کند. آنها چیزی شبیه یک پروانه هواپیمای بزرگ هستند که در بالای دکل یا برج نصب شده است. توربین های بادی محور افقی یکی از انواع توربین های بادی هستند که نیاز به همسویی با جهت باد دارند. بنابراین، آنها به یک حسگر باد نیاز دارند که جهت باد را تشخیص می دهد و مکانیزم انحرافی که دستگاه را می چرخاند تا به درستی در برابر باد قرار گیرد. دلیل لزوم روبه رو شدن با باد هم توزیع مؤثر نیرو بر روتورها و هم جلوگیری از آسیب های ساختاری به توربین در اثر بارگذاری نامناسب بر روی سازه توربین است. ساختار توربین های بادی محور افقی باید به اندازه کافی قوی باشد تا وزن پره های روتور، گیربکس، ژنراتور و سایر اجزای توربین را تحمل کند. علاوه بر این، پایه دکل باید بتواند در برابر بادهای شدیدی که در محل نصب توربین می وزد، مقاومت کند. لازم به توضیح است که توربین بادی محور افقی، بدلیل کارایی و قابلیت تولید انرژی بالاتر، با درنظر داشتن یک فضای زمینی کم و محدود، متداول ترین نوع برای استفاده هستند. بنابراین اکثر مزارع بادی که نیروگاه ها از این نوع توربین های بادی استفاده می کنند.

توربین های بادی محور افقی اساساً شامل دو نوع توربین های بادی بالا و توربین های بادی پایین هستند. اجازه دهید در ادامه هر کدام را بیشتر مورد بحث قرار دهیم.

توربین های باد بالا (Up-wind Turbines)

این نوع توربین های بادی بیشترین استفاده را دارند. بطور کلی توربین های بادی محور افقی باید همواره رو به باد باشند؛ به این معنی که باد قبل از دکل به روتورها می رسد. بنابراین روتورها از سایه باد پشت برج، آسیب نمی بینند که به معنای عملکرد کارآمدتر و همچنین حساسیت کمتر روتورها به سایش و خرابی است. با این وجود، ضرورت مکانیسم انحراف بر وزن سازه و راه حل های مقابله با آن اهمیت ویژه ای پیدا می کند. نکته دیگر در مورد این نوع توربین بادی، روتور نباید منعطف باشد تا در زمان بالا بودن سرعت باد، خم نشوند و با دکل برخورد نکنند. برای جلوگیری بیشتر از چنین حوادثی، روتور در فاصله ای از برج قرار می گیرد. این مسئله به مشکلات ساخت این نوع توربین های بادی می افزاید.

توربین های باد پایین (Down-wind Turbines)

توربین های بادی با محور افقی پایین از انواع توربین های بادی هستند که کمتر دیده می شوند. طراحی آنها تقریباً مشابه توربین های بادی محور افقی باد بالا به نظر می رسد؛ به جز محل روتور، که در پایین برج است. باد قبل از اینکه به تیغه ها برسد به دکل برخورد می کند. این پیکربندی باعث انعطاف پذیری بیشتر پره های روتور می شود و بنابراین می توان از مواد سبک تری استفاده کرد. از این رو، این طرح به دو منظور وزن سازه ای سبک تر و دینامیک سازه ای بهتر برج با برداشتن مقداری از بار برج از روی برج به تیغه ها در حین خم شدن آنها عمل می کند. تا زمانی که روتورها و پوشش به گونه ای طراحی شده باشند که پوشش به طور غیرفعال جهت باد را دنبال کند، از نظر تئوری نیازی به مکانیزم انحراف نمی باشد. در واقع، در این نوع توربین، باد از پشت به توربین وارد می شود و با برخورد با تیغه های توربین، جهت محور روتور آن را تعیین می کند و نیاز به مکانیزم و یا ساختار هوشمند کنترلی نیست. از آنجایی که روتور این نوع توربین های بادی در پشت پایین دست دکل قرار دارند، از سایه باد رنج می برند. سایه باد نه تنها باعث ایجاد نوسانات در مقدار توان تولیدی می شود، بلکه منجر به خستگی بیشتر انواع توربین های بادی بادی در مقایسه با همتایان آن ها در جهت باد بالا می شود.

انواع توربین بادی محور عمودی

توربین های بادی محور عمودی، یکی از انواع توربین های بادی هستند که روتورها شفتی را که بصورت عمودی نصب شده است می چرخانند. چنین ساختاری، در طراحی حساسیت کمتری دارد و آنها برای مکان هایی که جهت باد به طور مکرر تغییر می کند، انتخاب برتری خواهند بود. مهم نیست باد در چه جهتی می وزد، پره ها همچنان حرکت می کنند و شفت را می چرخانند تا نیرو تولید کنند. ژنراتور این نوع توربین های بادی در نزدیکی زمین قرار دارد. به این دلیل که با توجه به طراحی روتورها و ارتفاع آنها، بردن آن به ارتفاع چندان قابل قبول نخواهد بود. این پیکربندی نگهداری توربین های بادی محور عمودی را در مقایسه با توربین های بادی محور افقی که تمام اجزای آن در ارتفاعی نصب شده اند، آسان تر می کند. با این حال، توربین های بادی محور عمودی بدلیل کشش هوای قابل توجه روی روتورها برای برخی از طراحی ها، بازدهی کمتری نسبت به توربین های بادی محور افقی دارند و همچنین بدلیل اینکه سرعت باد و جریان آن در فاصله ای از زمین بیشتر است، توان خروجی کمتری دارند.

توربین های ساوونیوس (Savonius Turbines)

نیرویی که باعث چرخش توربین های ساوونیوس می شود نیروی کشش است؛ نوع درگ توربین بادی محور عمودی. ایده طراحی آنها تقریباً شبیه بادسنج های فنجانی است. در بادسنج های فنجانی، مانند شکل زیر، همیشه یک فنجان رو به باد وجود دارد که بیشترین نیروی کشش را روی سطح خود دارد، در حالی که سایر فنجان ها دارای سطوح گردی شکل و در نتیجه کاهش کشش رو به باد هستند.

آنچه در انواع توربین های بادی ساوونیوس اتفاق می افتد از همین منطق پیروی می کند. همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود، همیشه فنجانی با بیشترین کشش وجود دارد در حالی که فنجان های دیگر نیروی پسا کمتری را بر روی خود حس می کنند.

نکته مهم در مورد این ساختار این است که بدون توجه به جهتی که باد می وزد می چرخد. این نوع توربین های بادی همچنین در کار با بادهای کم سرعت بسیار خوب هستند، ساخت و نگهداری آسانی دارند و در بادهای متلاطم به خوبی کار می کنند. با وجود این مزایا، این طراحی بسیار ناکارآمد است. به این دلیل است که نیروهای پسا مطلوب و نامطلوب آنقدر با یکدیگر متفاوت نیستند و بنابراین سرعت چرخش آنچنان زیاد نخواهد بود. این نوع توربین های بادی می توانند به دلیل گشتاور زیاد تولید شده، خود راه اندازی شوند، اما به سبب دور چرخش پایین آنها (RPM) انرژی الکتریکی زیادی در ژنراتور تولید نمی شود. بنابراین، آنها را نمی توان برای تولید برق در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار داد، و تنها می تواند برای کاربردهای مقیاس کوچک مناسب باشد، جایی که سایر انواع توربین های بادی نمی توانند به خوبی کار کنند. نمونه زیر طرح از توربین پیچ خورده ساوونیوس است که دارای اسکوپ های مارپیچ بلند می باشد و به آرامی گشتاور تولید می کنند که می تواند در پشت بام ها استفاده شود.

توربین های داریو (Darrieus Turbines)

توربین های بادی داریو بر خلاف توربین های بادی ساوونیوس از نوع بالابر هستند (lift-type VAWTs) که ایده تولید آسانسور ایرفویل (lift production of airfoils) در آنها پیاده سازی شده است. این نوع توربین های بادی پرمصرف ترین نوع توربین های بادی محور عمودی برای تولید برق با پره های منحنی C شکل هستند که از بالای برج به سمت پایین می روند و در آنجا به شفت ژنراتور متصل می شوند. آنها بازده خوبی دارند زیرا با سرعت های بالاتری می چرخند که می تواند قدرت بیشتری تولید کند. این میزان دوره چرخش (RPM) بالاتر با گشتاور کمتری همراه است تا حدی که نیاز به منبع خارجی مکانیزم راه اندازی برای این نوع توربین های بادی دارد. آنها همچنین از موج گشتاوری رنج می برند که افزایش و کاهش دوره ای گشتاور تولیدی و در نتیجه تنش دوره ای بر سازه برج بوجود می آورد. این مسئله در توربین های بادی داریو که دارای سه پره هستند تا حدودی برطرف شده است.

توربین های ژیرومیل (Giromill)

ساختار این نوع توربین بادی از ساختار توربین داریو الهام گرفته شده است. و از نوع توربین محور عمودی بالابر با پره های عمودی مستقیم (به جای پره های منحنی) هستند. توربین های ژیرومیل مانند توربین های بادی داریو، بصورت خود راه انداز نیستند و ممکن است سرعت چرخش ثابتی نداشته باشند؛ بنابراین، آنها به اندازه توربین های داریو کارآمد نیستند. با این وجود، ارزان تر، تولید آسان تر هستند و می توانند در بادهای متلاطم به خوبی کار کنند.

سیکلوتوربین ها (Cycloturbines)

سیکلوتوربین ها بسیار شبیه به توربین های بادی ژیرومیل بوده و ترکیبی از توربین های بادی محور عمودی به شمار می روند. تیغه های ایرفویل آنها از نوع گام متغیر (variable-pitch) است. هنگامی که باد به اندازه کافی سریع نیست، که بیشتر در هنگام راه اندازی توربین اتفاق می افتد، پره ها در برابر باد به روشی مشابه ایده توربین های بادی ساوونیوس قرار می گیرند تا بیشترین نیروی کشش و گشتاور را برای خود ایجاد کنند. هنگامی که توربین به یک دور در دقیقه خاص می رسد، پره ها به منظور تولید نیروی بالابر بیشتر به جای کشیدن، تغییر گام می دهند تا سرعت چرخش (RPM) را به سطوح بالاتری برسانند؛ مشابه آنچه برای توربین های بادی داریو وجود دارد. چنین توربین بادی محور عمودی، کارآمد و انعطاف پذیری جالب به نظر می رسد، واضح است که طراحی و ساخت آنها پیچیده تر از طرح های دیگر است که آنها را گران می کند و دارای اجزای بیشتری است و بنابراین با نیاز به تعمیر و نگهداری بیشتر، سنگین تر است.

طرح های دیگر

تلاش برای طراحی کارآمدتر و خلاقانه تر توربین بادی به اینجا ختم نمی شود. بسیاری از طرح های دیگر مانند روتورهای کانالی (ducted rotors)، توربین های بادی پوششی (shrouded wind turbines)، توربین های چند روتوری هم محور (co-axial multi-rotor turbines)، توربین های دوار (counter rotating turbines) و غیره برای نوع محور افقی وجود دارد. برای توربین بادی محور عمودی هم پره های محصور (enclosed blades)، روتور اچ (H-rotor)، توربین های بادی دایره ای (O-wind turbines) و غیره وجود دارد.

جدا از این طرح های جدیدتر از همان مفاهیم توربین های بادی محور افقی و عمودی، توربین های بادی بدون پره مانند ژنراتورهای باد یونی بدون پره (vaneless ion wind generators)، توربین های لایه مرزی (boundary layer turbines) و غیره وجود دارند.

برخی مفاهیم دیگر نیز در حال افزایش هستند، مانند نوع INVELOX SheerWind که ابتدا هوا را از جهات مختلف جمع آوری می کند، آن را به قسمتی هدایت می کند که به یک ونتوری (Venturi) می رسد، که در آن توربین با فرکانس بالاتر از توربین بادی محور عمودی معمولی قرار می گیرد.