توربین های بادی
پيشگفتار
توربین های بادی : امروزه به دلیل رو به زوال بودن انرژیهای تجدیدناپذیر
استفاده از انرژی تجدید پذیر از جمله باد بسیار مهم است.
برای استفاده از این انرژی میتوان از توربینهای بادی استفاده کرد.
توربینهای بادی بسته به اندازهشان میتوانند توانهای مختلفی را تامین کنند.
از جمله مزایای توربین بادی میتوان به پاک بودن آن اشاره کرد که این
یکی از دلایل محبوبیت توربینهای بادی است. از معایب آن هم
میتوان به خراب کردن چهره طبیعت به دلیل بزرگ بودن ابعادش اشاره کرد
که با توجه این موضوع تغییرات زیادی در ساختار فیزیکی توربین
بادی انجام شده است که به زیبایی آن کمک میکند.
تعریف توربین بادی
توربین بادی به توربینی گفته می‌شود که برای تبدیل انرژی
جنبشی باد به انرژی مکانیکی به کار می‌رود که توان بادی نام دارد.
توربینهای بادی در دو نوع با محور افقی و با محور عمودی ساخته می‌شوند.
توربینهای بادی کوچک برای کاربردهایی مانند شارژکردن باتری‌ها
و یا توان کمکی در قایق‌های بادبانی مورد استفاده قرار می‌گیرند،
در حالی که توربینهای بادی بزرگ‌تر با چرخاندن ژنراتور، به عنوان
یک منبع تولید انرژی الکتریکی به‌شمار می‌روند. انواع دیگری از
توربینهای بادی وجود دارد که برای پمپ کردن آب استفاده می‌شود
که به آن پمپ بادی می‌گویند یا برای آسیاب گندم به کار می‌رود
که آسیاب بادی نام دارد و موارد دیگر به کار می‌رود.
تاریخچه
اولین استفاده‌ها از انرژی باد به استفاده جهت در توربینهای
چرخان به آسیاب‌های بادی برمی‌گردد. نخستین آسیاب‌های بادی،
کاملاً از آسیاب‌های بادی معروف هلندی، که تصویر آنها در ذهن بسیاری
از ما ثبت شده است، متفاوت بود. تعداد پره‌های این آسیاب‌ها
به ۱۲ عدد می‌رسید و پره‌ها از بالای یک دیرک عمودی، همانند
بادبان‌های یک کشتی که از فراز دکل و بازوی افقی دکل آویزانند،
آویخته شده بود. شاید بتوان شکل کلی این آسیاب‌ها را با چرخ و فلک‌های
شهربازی‌های امروزی مقایسه کرد که محور اصلی آنها در مرکز یک دایره
روی زمین نصب شده است و اتاقک‌های چرخ و فلک همیشه فاصله
ثابتی از سطح زمین دارند. این نوع طراحی برای آسیاب‌های بادی،
توربین بادی
شاید از بادبان‌های یک کشتی، یا از چرخ‌های دعای بودایی‌های آسیایی،
که با نیروی باد می‌چرخید، الهام گرفته شده باشد. استفاده از انرژی باد
پیشینه دراز مدتی داشته و به حدود سدهی ۲ پیش از میلاد در ایران
باستان بازمی‌گردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده
از نیروی باد، دلو (دولاب) یا چرخ چاه را به گردش
درآورده و آب را از چاه‌ها به سطح مزارع برسانند.
نخستین ماشینی که با استفاده از نیروی باد به حرکت درآمد،
چرخ بادی هرون بود؛ ولی نخستین آسیاب بادی عملی،
در سده ۷ میلادی در سیستان ساخته شد. پیدایش
آسیاب‌های بادی در اروپا مربوط به سده‌های میانه است.
نخستین مورد ثبت‌شده در مورد استفاده از آسیاب‌هاب
بادی در انگلستان مربوط به سده‌های ۱۱ و ۱۲ میلادی است.
نخستین توربین بادی
نخستین توربین بادی با کاربرد تولید برق، یک ماشین شارژ باتری بود
که در ژوئیه ۱۸۸۷ توسط یک مهندس اسکاتلندی به نام جیمز بلایث
ساخته شد. چند ماه بعد، مخترع آمریکایی چارلز فرانسیس براش
نخستین توربین باد خودکار را برای تولید برق در کلیولند در اوهایو ساخت.
در سال ۱۹۰۸، ۷۲ توربین بادی با کاربرد تولید برق (بین ۵ تا ۲۵ کیلووات)
در آمریکا فعال بودند. در دهه ۱۹۳۰، توربینهای بادی کوچک برای
تولید برق مورد نیاز مزارع در آمریکا، که هنوز سامانه سراسری
توزیع برق راه‌اندازی نشده بود، بسیار متداول بودند.
در پاییز سال ۱۹۴۱، نخستین توربین بادی در کلاس مگاوات
در ورمونت راه‌اندازی شد. نخستین توربین بادی متصل
به شبکه برق در بریتانیا در سال ۱۹۵۱ در جزایر اورکنی ساخته شد.
در سال ۲۰۰۶ برای اولین بار در اتحادیه اروپا رشد تولید
برق از انرژیهای نو بیش از رشد تولید برق از منابع
فسیلی بود. از سال ۱۳۷۹ تا ۱۳۸۶ شمسی، ظرفیت تولید
برق بادی جهان از ۱۸۰۰۰ مگاوات به ۹۲۰۰۰ مگاوات افزایش
یافته است. از سال ۲۰۰۰ تاکنون این صنعت سالانه ۲۵٪ رشد
کرده و هر سه سال دو برابر شده است و این در شرایطی است
که رشد اقتصاد جهانی از یک تا دو درصد در سال بیشتر نیست
ظهور آسیاب بادی در اروپا
آسیاب بادی پس از گذشت پانصد سال از اختراع آن در خاورمیانه،
تا قرن دوازدهم میلادی در اروپا ناشناخته بود. سربازانی که از
جنگ‌های صلیبی به کشورشان بازمی‌گشتند، داستان‌هایی
را درباره آسیاب‌های بادی نقل می‌کردند. اروپاییان با الهام
از ایده استفاده از نیروی باد به عنوان نیروی محرکه، سرانجام نوع
جدیدی از آسیاب بادی را اختراع کردند. در این نوع آسیاب بادی،
همه مجموعه آسیاب بادی می‌توانست حول محور یک دیرک
مرکزی بچرخد تا پره‌های آسیاب در جهت وزش باد قرار بگیرند.
مدتی بعد، آسیاب‌های بادی ساده‌تری که به شکل یک برج پره دار بود،
ساخته شد؛ در این نوع آسیاب بادی، فقط پره‌ها همراه جریان باد
می‌چرخیدند. با گذشت زمان آسیاب‌های بادی به چشم‌اندازهای
طبیعی حومه شهرهای اروپا تبدیل شد. در قرن دوازدهم میلادی
هلندی‌ها از تلمبه‌های آب که به وسیله آسیاب‌های بادی کار می‌کرد،
برای احیای بخش‌هایی از خشکی که زیر آب دریای شمال قرار گرفته بود،
استفاده می‌کردند. یک قرن بعد، در بعضی از شهرهای فرانسه
بیش از ۱۲۰ آسیاب بادی نصب شده بود. در هلند، در قرن هجدهم،
بیش از ۷۰۰ آسیاب بادی در امتداد رودخانه زان احداث شده بود.
مقایسه نیروی باد و نیروی آب
آسیاب‌های بادی مقایسه با آسیاب‌های آبی از امتیازهای بسیاری
برخوردار بودند. اول آن که نیازی نبود که آسیاب‌های بادی نزدیک
جریان آب احداث شوند. به علاوه اگر آب در زمستان یخ می‌زد،
آسیاب‌های آبی از کار می‌افتادند در حالی که آسیاب‌های بادی
به کار خود ادامه می‌دادند. امتیاز دیگر آسیاب‌های بادی این بود
که رودخانه‌هایی که در کنار آنها آسیاب‌های آبی ساخته می‌شد،
معمولاً تخت نظارت مالکین و زمین داران قدرتمند قرار داشت
و آنها بودند که اجازه می‌دادند چه کسی حق احداث آسیاب آبی
و آرد کردن گندم را داشته باشد. رواج آسیاب‌های بادی
موجب رهایی مردم عادی از قید و بند مالکین شد.
انواع توربین های بادی
پرهی توربینهای بادی می‌تواند به دور محور افقی
و یا عمودی دوران کند. توربین بادی با محور افقی،
پیشینه بیشتری داشته و امروزه هم بیشتر مورد
استفاده قرار می‌گیرد. در مقابل، مزیت توربین بادی
با محور عمودی، عدم حساسیت نسبت به جهت
وزش باد و عدم نیاز به یک پایه مرتفع است.
توربین بادی با محور افقی
در توربینهای بادی با محور افقی (Horizontal Axis Wind Turbine)
که به اختصار HAWT هم نامیده می‌شوند، روتور و ژنراتور الکتریکی
در بالای یک برج بلند قرار گرفته و باید در راستای باد قرار گیرند.
توربینهای بادی کوچک برای تعیین جهت وزش باد از یک بادنمای
ساده استفاده می‌کنند، ولی توربینهای بزرگ‌تر معمولاً از یک
سنسور باد که با یک سرووموتور در ارتباط است، استفاده می‌کنند.
بیشتر این توربینهای بادی، با استفاده از یک جعبه‌دنده، سرعت
چرخش کُند پره‌ها را به سرعت بیشتری برای ژنراتور تبدیل می‌کنند.
در این پایان نامه به بررسی و کنترل این نوع از توربین ها میپردازیم.
توربین بادی با محور عمودی
در توربینهای بادی با محور عمودی (به انگلیسی: Vertical Axis Wind Turbine)
که به اختصار VAWT نامیده می‌شود، روتور اصلی به‌صورت عمودی قرار می‌گیرد.
مهم‌ترین برتری این نوع از توربینهای بادی آن است که نیازی به تنظیم جهت
قرارگیری نسبت به جهت وزش باد ندارند. این نکته در مکان‌هایی که جهت
وزش باد خیلی متغیر است، مثلاً در بالای ساختمان‌های مسکونی،
یک امتیاز به‌شمار می‌رود. مهم‌ترین عیب این نوع توربین‌ها، کم‌بودن
سرعت دورانی آنها و درنتیجه زیادبودن گشتاور و هزینه بیشتر سیستم
انتقال قدرت، بارگذاری دینامیکی زیاد پره‌ها و همچنین پیچیدگی زیاد
طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها پیش از ساخت پیش‌نمونه است.
با توجه به عمودی بودن محور، جعبه‌دنده و ژنراتور میتوانند
در نزدیکی زمین قرار گیرند که این موضوع دسترسی
به این تجهیزات را برای نگهداری و تعمیر آسان‌تر میکند.
توربینهای بادی با محور عمودی به شکل‌های مختلفی
ساخته می‌شوند. دو نوع عمده آنها، توربینهای داریوس و ساوونیوس هستند.
طراحی و ساخت توربینهای بادی
برای تعیین ارتفاع بهینهی برج، سیستم کنترلی،
تعداد و شکل پره‌ها از شبیه‌سازی‌های آیرودینامیکی استفاده می‌شود.
توربینهای با محور افقی متداول، به سه بخش اصلی تقسیم می‌شوند:
- بخش روتور، که تقریباً ۲۰٪ قیمت توربین باد را به خود اختصاص داده و شامل پره‌های تبدیل‌کننده انرژی باد به انرژی جنبشی دورانی با سرعت کم می‌شود.
- بخش ژنراتور که حدوداً ۳۴٪ هزینه توربین باد بوده و شامل مولد الکتریکی، تجهیزات کنترلی و جعبه‌دنده برای افزایش سرعت دورانی محور توربین می‌شود.
- بخش تکیه‌گاهی که در بر گیرنده ۱۵٪ قیمت توربین بوده و شامل برج و مکانیزم جهت‌دهی روتور نسبت به جهت وزش باد می‌شود.
اجزای تشکیل دهنده توربین بادی
باد سنج :
این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته
و اطلاعات حاصل از آنرا به کنترل کننده‌ها انتقال می‌دهد.
پره‌ها :
بیشتر توربین‌ها دارای دو یا سه پره می‌باشند.
وزش باد بر روی پره‌ها باعث بلند کردن و چرخش پره‌ها می‌شود.
ترمز :
از این وسیله برای توقف روتور در مواقع اضطراری استفاده می‌شود.
عمل ترمز کردن می‌تواند بصورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی انجام گیرد.
کنترلر :
کنترلرها وقتی که سرعت باد به ۸ تا mph 16 می‌رسد
ماشین را، راه‌اندازی می‌کنند و وقتی سرعت از mph 65 بیشتر می‌شود
دستور خاموش شدن ماشین را می‌دهند. این عمل از آن جهت صورت می‌گیرد
که توربین‌ها قادر نیستند زمانی که سرعت باد به mph 65 می‌رسد
حرکت کنند زیرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسیار بالایی خواهد رسید.
گیربکس :
چرخ دنده‌ها به شفت سرعت پایین متصل هستند
و آنها از طرف دیگر همان‌طور که در شکل مشخص شده به شفت
با سرعت بالا متصل می‌باشند و افزایش سرعت چرخش از ۳۰ تا 60 rpm
به سرعتی حدود rpm ۱۲۰۰ تا 1500 را ایجاد می‌کنند.
این افزایش سرعت برای تولید برق توسط ژنراتور الزامیست.
هزینه ساخت گیربکس‌ها بالاست درضمن گیر بکس‌ها بسیار سنگین هستند.
مهندسان در حال انجام تحقیقات گسترده‌ای می‌باشند تا درایوهای
مستقیمی کشف نماید و ژنراتورها را با سرعت کمتری
به چرخش درآورند تا نیازی به گیربکس نداشته باشند.
ژنراتور :
که وظیفه آن تولید برق متناوب می باشد و بیشتر
از نوع ژنراتور‌های القایی می‌باشد. انتخاب ژنراتور مناسب براي
تـوربين هـاي بـادي بـر اسـاس شرايط فني و اولويتهاي پروژه صورت ميگيرد.
ژنراتورهایی که معمولا انتخاب می‌شوند . ژنراتور آسنكرون قفس سنجابي
كـه از طريـق گيـربكس بـه توربين كوپل شده و خروجي سه فاز ژنراتور
به صـورت مسـتقيم به شبكه متصل مي شود. ديگـري ژنراتـورPMكه
به صورت مستقيم به توربين كوپل شد و از طريق اينورتر به شبكه متصل مي شود.
نتايج تحقيق نشان مي دهد با توجه به هزينه ها وانرژي توليدي در طي
يـك سـال، ژنراتـور (10kw) PMداراي مزيت بيشتري مي باشد. انتخاب
نوع ژنراتور براي يك نيروگاه بادي به پارامترهاي زيادي مثل دسترسي
به شبكه برق، توان ژنراتور، محدوديتهزينه، نوع توربين، كيفيت و كميت
باد منطقه و اولويتهايي مثل بازده، قابليت اطمينان و اخذ انرژي حداكثر
بستگي دارد. شايد بتوان گفت در اكثر مواقع تمام موارد فوق
در انتخاب ژنراتور مؤثر مي باشند. البته معمولاً با توجه به اولويتهاي
هر پروژه تعدادي از اين عوامل اهميت بيشتري پيدا مي كنند.
انتخاب ژنراتور
مثلاً در انتخاب ژنراتور و توربين بر اساس جنبه اقتصاديٍ پايداري
ژنراتور مورد بررسي قرار گرفته و تابع هدفي بر مبناي متوسط
زمان تا وقوع اولين خطا و متوسط زمان بين دو خطا انتخاب شده است.
در هزينه هاي يك توربين بادي به تفكيك ارائه شده است.
قيمت قسمتهاي مختلف واحد (مثل پره ها، گيربكس، ژنراتور و …)
براساس تابعي از قطر توربين محاسبه شده است و به اين ترتيب
تابع هزينه اي بدست آمده كه با توجه به انرژي اخذ شده سعي
در حداقل كردن آن شده است. با استفاده از روش
مونت كارلو نوع واحد توليد توان انتخاب مي شود كه ضريب ظرفيت
توليد توان و هزينه توليد به عنوان اهداف بهينه سازي در نظر گرفته شده است.
VSC
با استفاده از VSCتوان توليدي ژنراتورهاي يك مزرعه بادي به باس DC
منتقل شده و سپس از يك مبدل ديگر براي انتقال اين توان به شبكه سه
فاز acاستفاده مي شود. توربينها هميشه در سرعتي كار مي كنند
كه بيشترين توان را به شبكه بدهند. بنابراين نيازي به گاورنر سرعت ندارند.
اين سرعت متغير به علت استفاده از اينورتر مشكلي ايجاد نمي كند.
در بهينه سازي آرايش توربينها در يك مزرعه بادي انجام شده است.
با آرايش و جايابي مناسب توربينها بازده كلي در حدود %3
افزايش پيدا كرده است. دربهينه سازي براي ژنراتورهاي سنكرون
PMبا كوپل مستقيم براي اخذ حداكثر توان از سرعتهاي متغير
باد انجام شده است. با استفاده از كنترل گام پره ها
سعي شده است انرژي حداكثر در سرعتهاي پايين
باد از آن اخذ شود. با كنترل گام در سرعتهاي بالاي باد توان خروجي
ژنراتور در حد نامي محدود مي شود.
توربین های مناسب برای روستا
درتوربين مناسب براي روستايي
با مصرف انرژي ساليانه 36500kWh ازبين توربينها و سازنده هاي
متفاوت انتخاب شده است. مبناي انتخاب اين توربين 30كيلووات
تامين برق مورد نياز منطقه، بازده حداكثر در طي سال )
بيشترين فاكتور ظرفيت( و شرايط آب و هوايي منطقه بوده است.
شفت با سرعت بالا:
که وظیفه آن به حرکت درآوردن ژنراتور می‌باشد.
شفت با سرعت پایین :
رتور حول این محور چرخیده و
سرعت چرخش آن ۳۰ تا ۶۰ دور در دقیقه می‌باشد.
روتور:
بال‌ها و هاب به روتور متصل هستند.
برج :
برج‌ها از فولادهایی که به شکل لوله درآمده‌اند ساخته می‌شوند.
توربین‌هایی که بر روی برج‌هایی با ارتفاع بیشتر نصب شده‌اند انرژی بیشتری دریافت می‌کنند
جهت باد :
توربین‌هایی که از این فناوری استفاده می‌کنند
در خلاف جهت باد نیز کار می‌کنند در حالی که توربینهای
معمولی فقط جهت وزش باد به پره‌های آن باید از روبرو باشد.
باد نما:
وسیله‌ای است که جهت وزش باد را اندازه‌گیری میکند
و کمک میکند تا جهت توربین نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد.
درایو انحراف:
وسیله ایست که وضعیت توربین را هنگامیکه باد
در خلاف جهت می‌وزد کنترول میکند و زمانی استفاده می‌شود
که قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گیرد اما زمانی
که باد در جهت توربین می‌وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمی‌باشد.
موتور انحراف :
برای به حرکت درآوردن درایو انحراف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مزایا و معایب توربین بادی
استفاده از هر سیستمی برای هر کاری از جمله تولید انرژی
مسلما دارای یک سری مزایا و معایب است. در این جا میخواهیم
به مزایا و معایب دو نوع محور افقی و محور عمودی توربین بادی بپردازیم.
توربین محور عمودی
مزایا
- از مزایای این نوع توربین عمودی نسبت به توربینهای بادی محور افقی،
عدم حساسیت به جهت باد و آشفتگی آن می‌باشد
(این نکته در مکان‌هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است،
مثلاً در بالای ساختمان‌های مسکونی، یک امتیاز به شمار می‌رود).
- عملکرد مناسب و کارا هنگام وزش بادهای مغشوش و گردابه‌ای
- توربین بادی محور عمودی می‌تواند در فاصله‌ای نزدیکتر به زمین نصب گردد
و جعبه‌دنده و ژنراتور در نزدیکی زمین قرار می‌گیرند که این موضوع سبب
امنیت و ارزانی بیشتر در ساخت و نگهداری و تعمیر آسان‌تر
آن می‌شود و همچنین برج یا دکل نیاز به پشتیبانی آن ندارد.
- از آنجا که نوک پره‌ها در این نوع توربین‌ها به محور دوران نزدیکتر است،
سر و صدای کمتری نسبت به توربین محور افقی تولید می‌کنند
و حجم واندازه کمتر آنها، برخوردهای محیطی را نیز کاهش می‌دهد.
معایب
- مشکل اصلی این نوع توربین‌ها، ایجاد نیروی مخالف نسبت
به بادی که به پره دیگر می‌وزد، است پس بازدهی انفرادی
کمتر آنها در مقایسه با توربینهای افقی و گشتاور تکانی
(لنگر) که در طول هر دوره تناوب تولید می‌شود؛ کمتر است.
- نصب توربینهای محور عمودی روی برج‌ها سخت است؛
بدین معنی که آنها باید در جریان‌های هوایی آهسته‌تر
با اغتشاش بیشتر و نزدیک زمین با بازده استخراج انرژی پایین‌تر عمل کنند.
- به دلیل کم بودن سرعت دورانی پره‌ها، گشتاور زیاد است.
- هزینهی بالای طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها از دیگر مسایل است.
جبران بازده کمتر توربینهای محور عمود از طریق چیدمان فشرده‌تر
آنها و طراحی جدید امکان‌پذیر است. مسئله خستگی سازه نیز
با قابلیت پیش‌بینی دقیق‌تر بارهای آیرودینامیکی تا حد زیادی قابل بر طرف شدن است.
توربین محور افقی
- مزایا
- تیغه‌ها به سمت مرکز گرانش توربین اند که به ثبات آن کمک میکند.
- تیغه‌ها برای قرار گیری در بهترین زاویه قابلیت پیچ و تاب دارند
- با پیچ کردن تیغه‌ها به روتور آسیب‌ها در طوفان به حداقل می‌رسد.
- بلندی برج این امکان را می‌دهد تا دسترسی به بادهای شدید و قوی بیشتر شود.
- قابل استفاده در زمین‌های ناهموار و دور از ساحل بیشتر آنها شروع خودکار دارند.
- معایب
- کارکرد سخت در نزدیک سطح زمین
- سختی درحمل و نقل
- مشکل در نصب و راه‌اندازی
- در مجاورت رادار تحت تأثیر قرار می‌گیرد
- تعمیر و نگه داری آن سخت است