انرژی بادی و توربین های بادی

 

انرژی بادی چیست و توربین بادی چگونه کار می کند؟

 

در بین انرژی های تجدیدپذیر، انرژی باد یکی از اقتصادی ترین روش های تولید برق است که آلودگی نداشته و پایان ناپذیر است. طبق آمار موجود تولید هر کیلووات ساعت انرژی الکتریکی از باد می تواند از انتشار حدود یک کیلو گرم CO2 در مقایسه با نیروگاه های سوخت فسیلی جلوگیری نماید. برای نمونه در منطقۀ منجیل هر توربین ۵۰۰ کیلووات، در سال حداقل ۱۵۰۰۰۰ کیلووات ساعت انرژی الکتریکی تولید می کند که باعث کاهش آلاینده های محیط زیست خواهد گردید.

از طرف دیگر می توان به جاذبه های طبیعی و چشم انداز سیستم های انرژی بادی که در معرض دید افراد قرار می گیرند اشاره کرد که نمادی از انرژی پاک برای مردم تلقی می گردد. در ضمن از سطح زمینی که برای احداث مزرعۀ برق بادی اختصاص می یابد و ۹۰ ٪ آن قابل استفاده است.

 

انرژی-بادی-و-محیط-زیست

 

در این مقاله پیش از توضیح در مورد ساختار و چگونگی عملکرد توربین های بادی و هم چنین انواع آن ها، به توضیح مختصری در مورد انرژی باد و تاریخچه استفاده از آن می پردازیم.

  • انرژی بادی

انرژی بادی مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر، از نظر جغرافیایی گسترده و در عین حال به صورت پراکنده تقریباً همیشه در دسترس می باشد. هزاران سال است که انسان ها با استفاده از آسیاب های بادی، تنها جزء بسیار کوچکی از آن را استفاده می کند.

 این انرژی تا پیش از انقلاب صنعتی به عنوان یک منبع انرژی، به طور گسترده مورد بهره برداری قرار می گرفت، ولی در دوران انقلاب صنعتی استفاده از سوخت های فسیلی به دلیل ارزانی و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرژی باد شد. تا این که در سال های ۱۹۷۳ و ۱۹۷۸ دو شوک بزرگ نفتی، ضربۀ بزرگی به اقتصاد انرژی های حاصل از نفت و گاز وارد کرد به طوری که باعث ایجاد تمایلات جدیدی در زمینۀ کاربرد تکنولوژی باد جهت تولید برق متصل به شبکه، پمپاژ آب و تأمین انرژی الکتریکی نواحی دور افتاده شد.

همچنین در سال های اخیر، مشکلات زیست محیطی و مسائل مربوط به تغییر آب و هوای کرۀ زمین به علت استفاده از منابع انرژی فسیلی بر شدت این تمایلات افزوده است. در سال ۱۹۸۰ اولین توربین برق بادی متصل به شبکۀ سراسری نصب گردید. بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعۀ برق بادی چند مگاواتی در آمریکا نصب و به بهره برداری رسید. در پایان سال ۱۹۹۰ ظرفیت توربین های برق بادی متصل به شبکه در جهان به ۲۰۰MW رسید که توانایی تولید سالانه ۳۲۰۰Gwh برق را داشته که تقریباً تمام این تولید مربوط به ایالت کالیفرنیای آمریکا و کشور دانمارک بود.

 امروزه کشورهای دیگر نظیر هلند، آلمان، بریتانیا، ایتالیا و هندوستان برنامه های ملی و ویژه ای را در این راستا آغاز کرده اند به طوری که آلمان با تولید بیش از ۱۸۰۰۰ مگاوات برق سعی دارد بیشترین استفاده را از این انرژی تجدیدپذیر ببرد.

 

انرژی-بادی-از-انواع-انرژی های-تجدید-پذیر

 

  • تاریخچۀ استفاده از انرژی بادی

منابع تاریخی نشان می دهند بشر از دیرباز به نیروی بی پایان باد پی برده بود و سال ها بود که از این انرژی برای به حرکت در آوردن کشتی ها و آسیاب های بادی بهره می گرفت. ساخت آسیاب ها در ایران، عراق، مصر و چین قدمت باستانی داشته و در این تمدن ها، از آسیاب های بادی برای خرد کردن دانه ها (ایرانیان ۲۰۰ سال قبل از میلاد) و پمپاژ آب استفاده می شده است. در قرن ۱۷ قبل از میلاد، حمورابی پادشاه بابل طرحی ارائه داده بود تا بتوان به کمک آن دشت حاصلخیز بین النهرین را توسط انرژی باد آبیاری نمود. آسیاب هایی که آن زمان ساخته می شدند از نوع ماشین های محور قائم و شبیه به آن هایی هستند که امروزه آثار آن ها در اطراف خواف، گناباد و تایباد ایران به چشم می خورد.

 

آسیاب های بادی روستای نشتیفان

 

 نمونه‌ای از آسیاب‌های بادی قدیمی روستای نشتیفان، شهرستان خواف در استان خراسان رضوی

 

 

سوال الیکا الکتریکانرژی باد چه ارتباطی با انرژی خورشید دارد ؟

تابش نامساوی خورشید به سطوح ناهموار زمین باعث تغییراتی در دما و فشار می گردد و بر این اساس باد به وجود می آید. اتمسفر کرۀ زمین هم به دلیل حرکت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد. جریانات اقیانوسی نیز به صورت مشابه عمل نموده و عامل ۳۰ ٪ انتقال حرارت کلی در جهان می باشند. دوران کرۀ زمین هم می تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره ای در اتمسفر، انرژی مضاعف ایجاد نماید.

باد یکی از صورت های مختلف انرژی حرارتی خورشید می باشد که دارای یک الگوی جهانی نیمه پیوسته می باشد. تغییرات سرعت باد، ساعتی، روزانه و فصلی بوده و از هوا و توپوگرافی سطح زمین تأثیر می پذیرد. بیشتر منابع انرژی باد در نواحی ساحلی و کوهستانی واقع شده اند.

توزیع باد به طور کلی جریان باد در جهان دو نوع توزیع دارد :

 

جریان چرخش هادلی

بین عرض های جغرافیایی ۳۰ درجه ی شمالی و ۳۰ درجه ی جنوبی هوای گرم استوایی به بالا صعود کرده و هوای سردتر که از شمال و جنوب می آید جایگزین آن می شود. این جریان را چرخش هادلی می نامند. به دلیل کم تر بودن سرعت دوران زمین در این عرض ها نسبت به استوا این جریان ها به سمت شرق حرکت می کنند. معمولاً در این عرض های جغرافیایی نواحی بیابانی مانند صحرا قرار دارند.

 

جریان چرخشی راسبی

 حد فاصل عرضه ای جغرافیایی ۳۰ درجۀ شمالی و جنوبی و ۷۰ درجۀ شمالی و جنوبی عمدتاً بادهای غربی در جریان هستند. این بادها تشکیل یک چرخش موجی را می دهند که هوای سرد را به جنوب و هوای گرم را به شمال منتقل می کنند. این الگو را جریان راسبی می نامند.

 

توزیع جهانی باد

 

 توزیع جهانی باد

  • سیستم های تولید انرژی هیبریدی  ترکیبی از منابع خورشیدی و بادی

در سیستم های تولید انرژی هیبریدی، از دو یا چند منبع متفاوت انرژی به صورت ترکیبی استفاده می شود که این موضوع سبب می شود که در مقایسه با سیستم هایی که از یک منبع انرژی تغذیه می شوند، سیستم تولید انرژی قابلیت اطمینان بالاتری داشته باشد. مزیت استفاده ترکیبی از دو سیستم خورشیدی و بادی در کنار یکدیگر، بازده بیشتر توربین های بادی در  فصول سرد و هم چنین استفاده از خروجی پیک تولید پنل های خورشیدی در فصل تابستان است.

 

سیستم های-تولید-انرژی-هیبریدی-با-منابع-خورشیدی-و-بادی-مستقل-از-شبکه

 

 

سیستم های-تولید-انرژی-هیبریدی-انرژی-خورشیدی-و-انرژی-بادی


بیشتر بخوانید:

انواع سیستم های برق خورشیدی

انرژی خورشیدی و عوامل مؤثر در راندمان سیستم خورشیدی

        بررسی محل نصب سیستم خورشیدی


مزایای بهره برداری از انرژی باد

انرژی باد نیز مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر مزایایی نسبت به انرژی های تجدیدناپذیر دارد.

۱- عدم نیاز توربین های بادی به سوخت، که در نتیجه از میزان مصرف سوخت های فسیلی می کاهد.

۲- رایگان بودن انرژی باد.

٣- کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد نسبت به انرژی های فسیلی

۴- کم تر بودن هزینه های جاری و هزینه های سرمایه گذاری انرژی باد در بلند مدت

۵- تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار.

۶- قدرت مانور زیاد، جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه.

۷- عدم نیاز به آب.

۸- عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب.

۹- نداشتن آلودگی محیط زیست

 

 

سوال الیکا الکتریکتوربین بادی چیست ؟

در توربین های بادی انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. توربین های بادی را می توان جهت استفادۀ بهینه و تولید توان بیشتر با سلول های خورشیدی (فتوولتائیک) ترکیب نمود. در حال حاضر بیشترین ظرفیت توربین های بادی نصب شده در چند دهۀ گذشته از نوع متصل به شبکه بوده است. البته گاهی اوقات در نواحی دور افتاده از توربین های بادی منفصل از شبکه استفاده می شود.

چگونگی تولید برق توسط توربین بادی

 

 چگونگی تولید برق توسط توربین بادی

 

 

سوال الیکا الکتریک

توربین های بادی چگونه کار می کند ؟

مراحل کار یک توربین کاملاً بر عکس مراحل کار یک پنکه است. در پنکه انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل شده و باعث چرخیدن پره می شود. در توربین، باد به پره ها برخورد می کند و آن ها را می چرخاند. چرخش پره ها سبب چرخش محور اصلی می شود و این محور به یک ژنراتور برق متصل است. توربین های بادی عمودی امروزه می توانند بین ۵ تا ۶۵۰۰ کیلووات برق تولید کنند.

 

روش کار توربین بادی

 

 روش کار توربین بادی

 

 

چگونگی-عملکرد-توربین های-بادی

 

  • اجزاء اصلی توربين های بادی

 به طور کلی اجزاء مختلف یک توربین بادی شامل :

۱- پره ها، بیشتر توربین ها ۲ یا ۳ پره دارند، باد به پره ها برخورد می کند و باعث چرخش آن ها می شود.

۲- ترمز، با استفاده از سیستم ترمز دیسکی می توان توربین را به طور هیدرولیکی در مواقع عادی و حتی اضطراری متوقف کرد.

٣- بخش کنترل: توربین را هنگامی که سرعت باد بین ۴ تا ۲۵ متر بر ثانیه است به کار می اندازد و هنگامی که سرعت باد بالاتر از ۲۵ متر بر ثانیه می رسد به خاطر بالا رفتن استهلاک و مشکلات دیگر آن را متوقف می کند. در سرعت های بالای ۳۰ متر بر ثانیه امکان سقوط برج ها نیز وجود دارد.

۴- جعبه دنده (گیربکس): گیربکس توربین های بادی می تواند سرعت کم چرخش محور پره ها را با ضریب تبدیل مثبت به سرعت بالا که در ژنراتور استفاده می شود، تبدیل کند.

۵- ژنراتور: در حقیقت بخش تبدیل انرژی مکانیکی باد به انرژی الکتریکی ژنراتور است. ژنراتورهای به کار برده شده، ژنراتورهای آسنکرون و سنکرون می باشند.

۶- ناسل: قسمت اصلی توربین بادی، که روتور به آن متصل است را ناسل گویند. ناسل در بالای برج قرار دارد شامل جعبه دنده، شفت اصلی ژنراتور، بخش کنترل و ترمز می باشد. بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند.

۷- روتور: به مجموعه ی تیغه ها و توپی وسط آن ها روتور می گوییم. در گذشته توربین های بادی با سرعت دورانی ثابت (دور روتور) کار می کردند، اما مدله ای امروزی تقریباً سیستم یک سرعته را کنار گذاشته اند. از میان ۵۸ مدل توربین موجود، ۲ مدل یک سرعته، ۲۲ مدل ۲ سرعته و ۳۴ مدل با سرعت متغیر وجود دارند.

۸- دکل: معمولاً از فولادی های استوانه ای و یا شبکه ای از میله های فولادی ساخته می شوند. چون سرعت باد با افزایش ارتفاع زیاد می شود، دکل های بلند باعث می شوند توربین انرژی بیشتری بگیرد و الکتریسیته ی بیشتری تولید کند.

۹- سنسورهای اندازه گیری: شامل دو سنسور سرعت سنج و جهت نما می باشند که اولی سرعت و دومی جهت باد را به دقت مشخص می کند. این سنسورها اطلاعات را به بخش کنترل می دهند و بر اساس این داده ها زمان کار توربین و زاویه ی چرخش انحراف مشخص می شود.

۱۰- موتور انحراف: یک سیستم ترکیبی الکتریکی مکانیکی است، هدایت این سیستم توسط واحد کنترل انجام می شود. این سیستم فقط در توربین های بزرگ متصل به شبکه کاربرد دارد. در توربین های بادی کوچک به جای چرخ انحراف از بالچه استفاده می کنند. این بالچه توسط جریان باد، خود به خود توربین را در راستای مناسب قرار می دهد.

 

 

اجزای اصلی توربین

 

 

 اجزای اصلی یک توربین با محور افقی

 

 

  • توربین بادی در سیستم های تولید برق متصل به شبکه

همان طور که در تصویر زیر مشاهده می شود، سیستم های تولید انرژی با استفاده از توربین بادی نیز مانند سیستم های خورشیدی می توانند به شبکه برق شهری متصل شوند.

 

سیستم های-انرژی-بادی-متصل-به-شبکه

 

سوال الیکا الکتریک

توربین بادی چه کاربردی دارد ؟

الف) پمپ های بادی آبکش.

ب) شارژ باتری.

پ) کاربرد توربین های کوچک به عنوان تولید کنندۀ برق.

ت) کاربرد توربین های بادی در مزارع بادی (برق متصل به شبکه).

مزارع بادی معمولاً از چندین توربین بادی متمرکز تشکیل می شوند که به منظور تأمین انرژی شبکه طراحی شده و این موضوع در مقابل توربین های بادی منفرد که به منظور تأمین انرژی بار محلی طراحی می گردد، مطرح است. سیاست های ملی تولید انرژی، تعیین کنندۀ بازار پراکنده توربین های متصل به شبکه است.

به عنوان مثال در آمریکا، دانمارک، هلند و آلمان به افراد اجازه داده می شود که توربین های بادی در تملک خود را به شبکه وصل نموده و تولید اضافی خود را به سازمان برق محلی بفروشند. در کشور ما دفتر باد و امواج سازمان انرژی های نوی ایران (سانا) به منظور توسعه، ترویج، برنامه ریزی، نظارت و مدیریت اجرای طرح ها و بهره برداری از انرژی بادی اقدام به ساخت، نصب و خرید توربین های برق بادی به شرح ذیل نموده است:

 ١- مدیریت طراحی، ساخت و نصب توربین های بادی ۶۰۰ کیلووات منجیل و ۱۰ کیلو وات تبریز.

 ۲- مدیریت و بهره برداری دو واحد توربین بادی ۱۳۰ کیلووات دیز آباد (استان خراسان).

٣- پروژه احداث مزرعه ی بادی ۶۰ مگاواتی منجیل با مشارکت ژاپن.

۴- پروژه احداث مزرعه ی بادی ۲۵ مگاواتی منجیل با همکاری سازمان جهانی GEF و بانک جهانی.

 

 
 
  • انواع توربین بادی

توربین های بادی با محور چرخش عمودی

 توربین های بادی با محور چرخش عمودی نظیر (ساوینوس، داریوس، صفحه ای و کاسه ای و …) از دو بخش اصلی تشکیل شده اند. یک میله اصلی که در جهت باد قرار می گیرد و میله های عمودی دیگری که عمود بر جهت باد کار گذاشته می شوند. این توربین ها قطعاتی با اشکال گوناگون دارند که باد را در خود جمع می کند و محور اصلی را می گردانند.

در این توربین ها یک طرف توربین، باد را بیشتر از طرف دیگر جذب می کند و باعث می شود سیستم لنگر پیدا کند. سرعت چرخش این سیستم دقیقاً با سرعت باد برابر بوده و در مناطقی که سرعت باد کم است، چندان کار آمد نیست. از مزایای این توربین ها وابسته نبودن سیستم به جهت وزش باد می باشد.

 

توربین بادی با محور عمودی

 

توربین بادی با محور عمودی

 

 توربین بادی با محور عمودی

 

توربین های بادی با محور چرخش افقی

این توربین ها نسبت به مدل محور عمودی رایج تر می باشند، توربین های بادی با محور افقی پیچیده تر و گران تر و ساخت آن ها هم مشکل تر است ولی راندمان بسیار بالایی دارند. در همۀ سرعت ها حتی سرعت های پایین باد هم کار می کنند. در انواع پیشرفته تر می توان جهت آن ها را با جهت وزش باد تنظیم کرد. این توربین ها اغلب ۳ و یا ۲ پره هستند که روی یک پایه نصب شده اند و این پره ها همواره در جهت وزش باد قرار می گیرند.

 

توربین بادی با محور افقی

 

توربین بادی با محور افقی

 

 توربین بادی با محور افقی

  • انواع ژنراتور در توربین بادی 

بیشترین و معمول ترین ژنراتور مورد استفاده در توربین های بادی در دسته های زیر قرار می گیرند : 

 

ژنراتور توربین بادی سرعت ثابت (مدل A)

این نوع توربین بادی با سرعت ثابت، مستقیماً از طریق ژنراتور القایی قفس سنجابی به شبکه برق وصل می شود. SCIG مخفف عبارت Squirrel Cage Induction Generator (ژنراتور القایی قفس سنجابی) است. 

توربین-بادی-با-سرعت-ثابت

 

ژنراتور توربین بادی با سرعت متغیر جزئی با مقاومت رتور متغیر (نوع B)

توربین های بادی نوع B که عبارت Partial variable speed wind turbine در مورد آن ها استفاده می شود، به طور مستقیم از طریق ژنراتور القایی حلقه لغزشی (Wound rotor induction Generator) با مقاومت رتور متغیر به شبکه برق متصل می شود.

در این حالت با تغییر مقاومت رتور، لغزش کنترل می شود و در نهایت توان خروجی سیستم کنترل می شود. در توربین نوع B محدوده سرعت صفر تا ۱۰ درصد بالای سرعت سنکرون است و انرژی ناشی از تبدیل انرژی اضافی به صورت گرما از دست می رود. WRIG مخفف عبارت Wound rotor induction Generator است.

توربین-بادی-با-سرعت-متغیر-جزئی-نوع-B

ژنراتور توربین بادی با سرعت متغیر و مبدل توان مقیاس جزئی (Partial- scale power converter) (نوع C)

این نوع توربین بادی با سرعت متغیر، به طور مستقیم از طریق یک ژنراتور القایی با تغذیه مضاعف که با مبدل توان مقیاس جزئی (partial-scale power converter)  کنترل می شود به شبکه برق متصل می شود.

در این مدل توربین بادی وظیفه سیستم مبدل قدرت، جبران توان راکتیو و اتصال نرم به شبکه است. هم چنین انرژی رتور به شبکه تزریق می شود و اتلاف نمی شود. در پیکربندی اجزاء ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه یا مضاعف (DFIG) ملاحظه می شود. DFIG مخفف عبارت doubly-fed induction Generator است. در این حالت ظرفیت مبدل حدود ۳۰ درصد توان نامی ژنراتور است. مبدل قدرت در مقیاس جزئی، فرکانس روتور و در نتیجه سرعت رتور را کنترل می کند.

ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه یا مضاعف (DFIG)

در مقایسه DFIG با WRIG باید گفت DFIG به نوعی یک WRIG است و استاتور آن از طریق یک ترانس به شبکه برق سه فاز فرکانس ثابت متصل می شود. هم چنین به منظور هم سطح نمودن ولتاژ روتور و استاتور، سیم پیچی رتور به وسیله ترانسفورماتور دیگری به مبدل منبع ولتاژ با کلیدهای IGBT با طبقات پشت به پشت (back-to-back) و از دو جهت تغذیه می شوند.

مبدل توان در توربین بادی نوع C شامل دو مبدل است. یکی مبدل در طرف رتور که با کنترل اجزاء جریان رتور، توان های اکتیو و راکتیو را کنترل می کند و مبدل دیگر سمت شبکه که ولتاژ DC را کنترل می کند.  ایراد اصلی در این حالت استفاده از حلقه های لغزش است که به جاروبک و نگه داری نیاز دارد و در برابر خطاهای شبکه، برنامه حفاظت از آن پیچیده است.

توربین-بادی-نوع-C-با-سرعت-متغیر-و-مبدل-توان-مقیاس-جزئی

 

 

مزایای توربین های بادی با سرعت متغیر 

از مزایای سیستم های سرعت متغیر، کاهش تلفات مکانیکی و توان خروجی قابل کنترل تر است (به عبارتی کمتر به تغییرات باد وابسته است). مقرون به صرفه بودن، کنترل سرعت ساده، بهبود کیفیت انرژی و بهره وری سیستم، کاهش صدای صوتی و … از دیگر مزایای این سیستم هاست.

 

ژنراتور توربین بادی با سرعت متغیر با مبدل قدرت در مقیاس کامل (نوع D)

اتصال به شبکه در این روش به وسیله مبدل فرکانسی با ظرفیت کامل صورت می گیرد. این مبدل جبران سازی توان راکتیو را بر عهده دارد و تحریک این ژنراتور یا مانند WRSG و WRIG به صورت الکتریکی و یا به صورت مغناطیس دائم (PMSG) است. PMSG مخفف عبارت Permanent Magnet Synchronous Generator و WRSG مخفف عبارت Wound Rotor Synchronous Generator است.

برخی از توربین های بادی سرعت متغیر با ظرفیت کامل (نوع D)، فاقد جعبه دنده هستند که این امر موجب قابلیت اطمینان بالاتر است. در این حالت ژنراتور به صورت مستقیم به توپی رتور توربین وصل می شود و بنابراین در سرعت پایین می چرخند.

به منظور تولید توان در سرعت پایین تر، گشتاور بیشتر و ژنراتور بزرگ تری نیاز است. تعداد قطب زیاد و در نتیجه آن قطر بزرگ ماشین در ژنراتورهای درایو مستقیم، لازمه دستیابی به سرعت پایین و گشتاور بالاست. استفاده از ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم باعث می شود سیستم تحریک DC از بین رود و هم چنین کاهش وزن، کاهش تلفات و کاهش هزینه های نگه داری می شود (نیازی به حلقه های لغزان نیست).

توربین-بادی-نوع-D-با-سرعت-متغیر-و-مبدل-قدرت-در-مقیاس-کامل

تفاوت روش سرعت متغیر با مبدل ظرفیت کامل و روش مبدل توان با ظرفیت جزئی در این است که مبدل قدرت با ظرفیت کامل دارای قابلیت اتصال نرم به شبکه در سراسر محدوده سرعت است، که البته قیمت بیشتر و تلفات توان بیشتر در قسمت الکترونیک قدرت را به دنبال دارد (در این حالت تمام توان تولید شده از مبدل قدرت عبور می کند).

 

در صورتی که سؤالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید. 

مقالات مرتبط

2 نظرات

  1. مهدی پورراهدار

    پاسخ دادن

    باسلام
    .ممنون بابت اطلاعاتی که در مورد توربین ها ی بادی در اختیار ما گذاشتین
    .خیلی عالی بود.واقعا دستتون درد نکنه.

    ۱۵ خرداد ۱۳۹۹

نظرات