روش کار و تولید برق در توربین بادی

توربین بادی چیست؟

مجله خبری-سبک زندگی نگار: توربین بادی یکی از وسیله‌های پرکاربردی است که توسط آن انرژی موجود در باد با کمک یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. علاوه بر این توربین بادی با اهداف مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد که نام‌های دیگری دارد. برای مثال پمپ بادی وسیله‌ای مشابه توربین است که برای آسیاب گندم به کار می‌رود.

توربین بادی از سه قسمت اصلی یعنی برج (بخشی مستحکم و سازه‌ای بلند که سایر اجزا روی آن نصب می‌شوند)، تیغه‌ها و روتر (جزء دواری که تیغه‌ها به آن متصل شده و زمان روشن بودن توربین با نیرو باد می‌چرخد) و پوشش محافظ (شامل سیستم کنترل، گیربکس، ژنراتور و شفت ها) تشکیل می‌شود.

توربین بادی وسیله‌ای برای تبدیل انرژی جنبشی به الکتریکی

توربین بادی در دو نوع با محور افقی و محور عمودی ساخته می‌شود و با توجه به سایز آن کاربرد‌های متفاوتی دارد. برای مثال توربین بادی کوچک برای شارژ کردن باتری‌ها یا توان کمکی در قایق‌های بادبانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

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

انواع توربین‌های بادی

پیش‌تر نیز اشاره شد که توربین‌ها به دو شکل مختلف ساخته می‌شوند. دسته اول آن‌هایی هستند که به دور محور افقی می‌چرخند و توربین‌های دیگری نیز وجود دارند با محور افقی چرخیده و سابقه طولانی تری دارند. همچنین این مدل امروزه نیز کاربرد بیشتری دارد، اما توربین‌های که محور عمودی دارند نسبت به جهش باد حساس نبوده و به پایه‌های مرتفعی نیاز ندارند اگرچه در عمل کارایی کمتری دارند.

توربین‌های 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 نیروگاه‌های بادی دارند. توربین‌های امروزی معمولا از سه پره تشکیل شده اند، اما ممکن است با دو یا حتی یک پره نیز ساخته شوند.

معرفی میکروتوربین‌ها

میکروتوربین‌ها معمولا در حد ۵۰ وات توان دارند

نوعی از توربین‌های بادی هم وجود دارد که بسیار کوچک هستند و می‌توان از آن‌ها بر روی سقف ساختمان، قایق‌های کوچک یا چراغ‌های راهنمایی و... استفاده کرد. این توربین‌ها می‌توانند حدود ۵۰ الی ۱۵۵۰ وات توان تولید کنند و در سطح گسترده‌ای به کار گرفته شوند.

سازندگان این مدل تبلیغات زیادی در رابطه با تاثیر استفاده از میکروتوربین‌ها در کاهش هزینه‌ها و کمک به محیط زیست می‌کنند، اما واقعیت این است که استفاده از میکروتوربین‌ها تنها در مواردی که جایگاه مناسبی داشته باشند منفعت اقتصادی دارد و نصب آن‌ها در بالای ساختمان‌های شهری که جریان وزش باد به دلیل تراکم سازه‌ها آشفته است چندان منطقی به نظر نمی‌رسد.

اجزاء تشکیل دهنده توربین بادی

به طور کلی توربین‌های 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 جزئی‌تر نیز عبارتند از:

• بادسنج یا Anemometer

• پره‌های توربین یا Blades

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

کنترلر یا Controller

• گیربکس یا Gear box که یکی از اصلی‌ترین بخش‌های توربین بادی به شمار می‌رود

• ژنراتور یا Generator که وظیفه تولید برق را دارد

• شفت‌های پرسرعت یا High-speed shaft

• شفت‌های 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 می‌رود

• 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 پره‌ها برق تولید می‌کند

پره‌های بزرگی که در توربین‌های بادی وجود دارد منحنی شکل هستند و در زمان عبور باد، شروع به حرکت می‌کنند. هرچقدر طول پره‌ها بیشتر باشد، انرژی بیشتری نیز تولید می‌شود و سرعت باد هم تاثیر زیادی در میزان انرژی دارد.

بدین ترتیب می‌توان 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 اعتماد‌تر می‌شود.

به طور ساده توربین‌های بادی انرژی جنبشی موجود در باد را گرفته و به توان مکانیکی تبدیل می‌کنند. این توان به ژنراتور منتقل شده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می‌کند و بر اساس یک اصل ساده استوار است.

معمولا توربین‌های بادی روی برج بلندی در ارتفاع نصب می‌شوند که بیشترین انرژی ممکن را دریافت کنند و پره‌های بزرگی که روی آن‌ها وجود دارد باعث می‌شود یک نسیم ملایم هم باعث چرخش پره‌ها شود. با این حال توربین‌های بادی در ۱۴ درصد مواقع کار نمی‌کنند و در بقیه زمان‌ها نیز حداکثر توان را تولید نمی‌کنند. این موضوع شاید در نگاه اول ضعف به نظر برسد، اما باعث شده است که توربین‌ها برای فعالیت با بهینه‌ترین سرعت در شرایط مختلف مناسب باشند.

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

مزایای استفاده از توربین بادی

استفاده از توربین‌های بادی مزایای بسیاری دارد چرا که بر خلاف انرژی‌های تولید شده از سوخت‌های فسیلی همچون زغال سنگ پاک و طبیعی به شمار می‌رود. همچنین توربین‌های بادی باعث آلودگی از طریق گاز کربن دی اکسید و گرمایش زمین و تولید باران‌های اسیدی هم نمی‌شود.

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 دوره‌ای حدودا بیست و پنج ساله جزء موارد نادری در تعمیر و تعویض قطعات نیازی به هزینه خاصی ندارند که یک امتیاز بزرگ می‌باشد.

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

توربین‌های بادی سازگاری بیشتری با طبیعت دارند

در این میان نیروگاه‌های هسته‌ای کربن دی اکسید کمتری نسبت به مزرعه بادی تولید می‌کنند، اما استفاده از انرژی هسته‌ای مشکلاتی مربوط به امنیت، آلودگی و امحای پسماند دارد که در صورت استفاده از توربین بادی وجود نخواهند داشت. همچنین توربین‌ها با سرعت و سهولت بیشتری نسبت به نیروگاه‌های هسته‌ای ساخته می‌شوند و طبق گزارشی در سال ۲۰۰۹ برق تولیدی به ازای هر کیلووات ساعت در نیروگاه‌های بادی ارزان‌تر است و نصف قیمت برق اتمی و دو سوم قیمت نیروگاه زغال سنگ می‌باشد.

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 می‌کند. 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 سوخت‌های 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 توربین‌های 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 توربین‌های بادی کم بودن میزان انرژی تولید شده می‌باشد که در مقایسه با روش‌هایی همچون نیروگاه‌های هسته‌ای و فسیلی ناچیز می‌باشد.

اگرچه می‌توان از تعداد توربین‌های بیشتری استفاده کرد، اما معمولا فاصله زیادی میان توربین‌ها نیاز است تا به درستی کار کنند؛ این بدین معنی است که مزرعه بادی فضای زیادی را اشغال می‌کند، اما می‌توان از فضای میان آن‌ها برای کشاورزی استفاده کرد که حدودا پنج درصد از فضای یک مزرعه را به خود اختصاص می‌دهد.

نصب توربین در سطح دریا کارکردی بهتر، اما روند دشواری دارد

همچنین نصب توربین‌ها در سطح دریا (که کارکرد خیلی بهتری دارد) پر هزینه است و مشکلات به خصوصی ایجاد می‌کند. حتی نصب توربین در خشکی و ایجاد مزرعه بادی نیز هزینه‌های 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 می‌شوند نیروگاه بادی به عنوان تنها منبع انرژی مناسب نباشد. در این زمان‌ها باید از نیروگاه برق آبی یا انرژی خورشیدی و هسته‌ای و... هم استفاده کرد.

همچنین با وجود عدم آلایندگی توربین‌های بادی برای آب و هوا و محیط زیست، ممکن است احداث یک مزرعه بادی آسیب‌های شدیدی به بافت محیط زیست منطقه وارد کند. برای مثال عملیات پی ریزی و نصب برجک‌ها و پایه توربین‌ها گا‌ها نیاز به گودال‌هایی تا عمق پنجاه متر دارد که در شرایطی اکو سیستم منطقه را تحت تاثیر قرار می‌دهد. گونه‌های گیاهی یک منطقه پس از احداث نیروگاه بادی به شکل متفاوتی از قبل رشد می‌کنند و ممکن است جاده‌ها و فضای مورد نیاز برای دسترسی به نیروگاه بادی به نابودی زیستگاه گونه‌های به خصوصی از جانداران ختم شود.

استفاده از توربین‌های بادی ممکن است باعث ایجاد آلودگی‌های صوتی شود که ساکنین منطقه را اذیت می‌کند؛ البته توربین‌های جدیدی که ساخته می‌شوند بسیار کم سر و صدا‌تر هستند و تنها تا منطقه دویست متری را تحت تاثیر قرار می‌دهند. به طور کلی معایب توربین‌های 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 فصل‌های سال