امروزه شرکت های رده بالای تولید انرژی تمایل بسیار زیادی به احداث نیروگاه های بادی از خود نشان می دهند و مسلما علت آن مزایای اقتصادی خوب این نوع نیروگاه نسبت به سایر روش های تولید انرژی پاک می باشد.

یکی از مشکلات انرژی های پاک مدت زمان در مدار و یا نسبت پاسخگویی می باشد؛ به طور مثال استفاده از نیروی خورشید تنها در طول روز و حتی در مواردی روزهای کامل امکان پذیر است بدین صورت که ابری مانع از تابش مستقیم خورشید نشود در این میان باد دارای راندمان بالاتری بوده و نسبت به سایر موارد تقریبا در صدر جدول بازدهی قرار می گیرد و البته اگر در کنار این مورد هزینه های نگه داری و راه اندازی را در نظر بگیریم اینبار با اختلاف بیشتری نسبت به رقبا در جایگاه نخست جدول جای میگیرد که در نهایت باعث شده جهان کنونی روی خوش به آن نشان دهد.

در این میان اروپا به دلیل مشکلات منابع فسیلی در این زمینه بسیار درخشان عمل کرده و بر اساس گزارشات جهانی در سال ۲۰۰۶ میلادی(۱۳۸۵) تولید انرژی پاک از انرژی حاصله از منابع فسیلی پیشی گرفته است. کشورهای ایالات متحده آمریکا، آلمان و چین بیشترین مگاوات تولیدی در جهان به وسیله ی نیروگاه بادی را در اختیار دارند.

نیروگاه بادی کشور چین به نام نیروگاه “گانسو – Gansu” در حال حاضر ۸۰۰۰ مگاوات برق تولید میکند( این درحالیست که بزرگترین نیروگاه سیکل ترکیبی خاورمیانه به نام دماوند که در کشورمان واقع شده است با ۱۲ واحد دارای توان تولیدی ۲۵۰۰مگاوات می باشد!) نیروگاه گانسو در سال ۲۰۱۲ تاسیس گردیده و قرار است تا سال ۲۰۲۰ توان تولیدی خود را به ۲۰۰۰۰ مگاوات برساند.

همانگونه که از نام این نیروگاه بر می آید بر اساس وزش باد کار می کند به گونه ای که انرژی جنبشی باد را گرفته و تبدیل به نیروی اکتریکی می کند.

در این میان مکان یا به اصلاح “مزرعه بادی” یکی از مهمترین مسائل ساخت نیروگاه می باشد چرا که در نهایت توان تولید شده از طریق توربین بادی به شدت به میزان باد وزیده شونده بستگی دارد. و به همین دلیل باید در بادگیرترین منطقه و ارتفاع مناسب نصب گرددد تا بتوانیم ضریب کاری نسبت به بی کاری نیروگاه را که در ابتدا بیان نمودم را افزایش دهیم و در کلام ساده تر در ساعات بیشتر باد برای چرخاندن توربین بادی موردنظرمان داشته باشیم.

البته نباید فراموش کرد که در مراحل پروسه ساخت و نصب نیروگاه بادی مشکل ترین و چالشی ترین مسئله نصب توربین و بال های آن می باشد چرا که در منطقه ای قرار گرفته که بشدت وزش باد داریم و از طرفی خود توربین در ارتفاع بالایی از سطح زمین قرار میگیرد.

عمده نیروگاه ای بادی از نوع افقی بوده و شما به ندرت مدل عمودی آن را در سطح ی خارج از شهرها مشاهده خواهید کرد و دلیل آن بالا تر بودن راندمان نیروگاه های افقی می باشد و ممکن است در مناطق خاصی به دلیل محدود بودن فضا و یا مشکل بودن مراحل نصب از پایین بودن راندمان صرف نظر کرده و مبادرت به نصب مدل عمودی نمایند.

محاسباتی که توسط دو دانشمند درآمریکا صورت گرفته ناشی از آن است که انرژی که می توان در ارتفاع ۸۰ متری از سطح زمین بدست اورد حدود ۷۲ تریلیون وات در سطح جهان است. درارتفاع های بالاتر سرعت وزش باد بیشتر است بنابراین انرژی بدست امده در مناطق کم ارتفاع کره زمین کمتر است.

انواع توربین های بادی از لحاظ اندازه

الف-توربین های کوچک:

توربین های کوچک قادرند ۵۰ تا ۷۰ کیلو وات انرژی تولید کنند اندازه هر پره از ۰.۵ متر تا۷.۵ متر می باشد

و روی دایره ای به قطر۱ تا ۱۵ متر می چرخند توربین های بادی کوچک اصولا در جاهای پرت وجاهای که برق رسانی به انها به صرفه نیست به کار می رود.

ب-توربین های متوسط:

قطر دایره چرخش ۱۵ تا ۶۰ متراست توان تولیدی ۵۰ تا ۱۵۰۰ می باشد انواع متداول انها بین ۵۰۰ تا ۷۵۰ کیلووات برق تولید می کند و کاربرد انها در ژنراتورهای بادی تجاری می باشد.

ج-توربین های بزرگ

قطر دایره چرخش پره ها ۶۰ تا ۱۰۰ متر است. توان تولیدی بین ۲ تا ۳ مگا وات است صرفه اقتصادی توربین های بزرگ وقابلیت اطمینان انها در مقابل توربین های متوسط به مراتب کمتر است.

انواع توربین های بادی :

توربین های بادی در دو نوع با محور عمودی و محور افقی ساخته می شوند.

توربین بادی با محور افقی

در توربین های بادی با محور افقی که (HAWT(Horizontal Axis Wind Turbines هم نامیده می شوند روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای یک برج قرار گرفته و باید در راستای باد قرار گیرند. توربین های بادی کوچک برای تعیین جهت وزش باد از یک بادنمای ساده استفاده می کنند ولی توربین های بزرگ از یک سنسورباد که با سرووموتور در ارتباط است, استفاده می کنند.

این توربین ها نسبت به مدل محور عمودی رایج تر بوده همچنین از لحاظ تکنولوژی پیچیده تر وگرانتر می باشند ساخت انها مشکلتر از نوع محور عمودی بوده ولی راندمان بسیار بالای دارند درسرعت های پایین نیز توان تولید انرژی الکتریکی را دارند وتوانای تنظیم جهت در مسیر وزش باد را نیز دارند این توربین ها ۲ یا ۳ پره ای می باشند که روی یک برج بلند نصب میشوند این پره ها همواره درجهت وزش باد قرار می گیرند.

توربین های افقی از نظر سرعت

الف-کم سرعت  ب-پرسرعت

مهمترین عامل در تعیین سرعت توربین های بادی با محور افقی تعداد پره ها می باشد هر چه تعراد پره ها بیشتر باشد سرعت کمتر است وگشتاور بیشتر است پرطرفدارترین این توربین ها سه پره ای می باشد چرا که درنوع با پره بیشتر به دلیل پیچیدگی شکل ها صرفه اقتصادی ندارد

مزایای توربین های بادی با محور افقی

تیغه ها برای قرار گیری در بهترین زاویه قابلیت پیچ و تاب دارند .

با پیچ کردن تیغه ها به روتور , آسیب ها در طوفان به حداقل میرسد .

بلندی برج این امکان را میدهد تا دسترسی به باد های شدید و قوی تر بیشتر شود .

قابل استفاده در زمین های نا هموار

معایب توربین های بادی با محور افقی

کارکرد سخت در نزدیک سطح زمین

سختی در حمل و نقل

مشکل در نصب و راه اندازی ان

در مجاورت رادار تحت تاثیر قرار میگیرند .

تعمیر و نگهداری آن سخت است .

توربین بادی با محور عمودی

در توربین های بادی با محور عمودی که (VAWT(Vertical Axis Wind Turbines نامیده میشوند , روتور اصلی به صورت عمودی قرار میگیرد . مهمترین برتری این نوع از توربین های بادی آن است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت باد ندارند .

این توربین ها از دو بخش اساسی تشکیل شده اند،یک میله ای اصلی که رو به باد قرار می گیرد ومیله های عمودی دیگر که عمود بر جهت باد گذاشته می شوند ساخت این توربین ها بسیار ساده بوده وهمچنین بازده پایینی دارند در این نوع،در یک طرف باد بیشتر جذب می شود که باعث میشود سیستم یک حالت لنگری پیدا کرده و بچرخد یکی از مزایای این سیستم وابسته نبودن آن به جهت وزش باد است.

انواع توربین های محورعمودی

داریوس(Darrieus)

ساوانیوس(Savonius)

جیرومیل(giromil)

مزایای توربین بادی با محور عمودی

عدم حساسیت به جهت باد و آشفتگی آن می باشد .

عملکرد مناسب هنگام وزش باد های مغشوش و گردابه ای

توربین بادی با محور عمودی می تواند در فاصله ای نزدیک تر نسبت به زمین نصب گردد که این موضوع سبب امنیت و ارزانی بیشتر در ساخت و نگهداری آن میشود. از انجا که نوک پره ها در این نوع توربین های بادی به محور دوران نزدیک تر است سر و صدای کمتری نسبت به توربین بادی با محور افقی تولید میکند.

معایب توربین های بادی با محور عمودی

نصب توربین های محور عمودی روی برج ها سخت است. به دلیل کم بودن سرعت دورانی پره ها گشتاور زیاد است. هزینه ی بالای طراحی و تحلیل ایرفویل پره ها از دیگر مسائل است. در ارتباط با مسائل چرخش ما دو نوع نیروی وارده بر توربین داریم که با نام های لیفت(اصلی) و درگ مشخص می شوند؛

نیروی لیفت:

در واقع نیرویی است که باعث بالا رفتن پره های توربین می گردد این نیرو کار بیشتری نسبت به درگ انجام داده و اگر به تصویر به خوبی دقت کنید نحوه ایجاد نیرو بر پره ها را به درستی تشخیص خواهید داد به عنوان مثال ساده تصور کنید بادبادک کاغذی را جلوی دهان خود گرفته اید و به سمت آن فوت می کنید باد خارج شده از دهان شما در دالان های کاغذی بادبادک گیر کرده و سبب چرخش آن می شود این نیرو را به عنوان “لیفت” در نظر می گیریم، حال بادبادک ۹۰ درجه بچرخوانید و این بار به سمت آن باد را پرتاب کنید باز خواهید دید که بادبادک خواهد چرخید این نیرو را نیز “درگ” می نامیم.

چرخش توربینهای محورافقی با نیروی لیفت

با استفاده از نیروی لیفت انرژی بیشتری نسبت به نیروی درگ بدست می آید.

ولی تنها نیاز آن سطحی ایرودینامیکی شکل می باشد شبیه چیزی که در بالهای هواپیما استفاده می شود. این مقطع ایرودینامیکی برای ایجاد اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین و ایجاد یک نیروی خالص عمود بر جهت باد می باشد.

چرخش توربین محورعمودی با نیروی درگ

توربینهای بادی محورعمودی برپایه نیروی درگ مانند یک بادبان باز عمل می کنند و نیروی باد سطح مورد نظر را جلو می برد. اولین توربینهای بادی که در ایران باستان مورد استفاده قرار می گرفت با این رویکرد کار می کردند.

ساختمان پره های توربین های بادی:

جنس پره های توربین ممکن است از چوب یاچوب های باشد که بهم چسبانده شده و روی آن روکشی از فایبر گلاس قرار میگیرد یکی از خواص خوب چوب این است که در اثر کار زیاد ترک نمی خورد تنها عیب آن کمی مقاومت آن است هرگاه پره فاقد فایبر گلاس باشد برای جلوگیری از عوامل جوی از قبیل شن ریزه،باران و غیره در لبه ی آن روکشی از مس یا سایر فلزات قرار می دهند

هرچند با افزایش سرعت افزایش انرژی داریم اما توربین های بادی برای تولید انرژی یک حد اشباع دارند بدین معنی که بادهای که بیشتر از این حد اشباع سرعت داشته باشند انرژی بیشتری تولید نمی کنند و کما اینکه ممکن است صدمات بسیار شدیدی به توربین و ژنراتور وارد نمایند. در ادامه ویدیوی از سوختن یک توربین بادی را مشاهده خواهید کرد که به علت کار نکردن ترمز های آن با سرعتی بیش از سرعت نامی در حال چرخیدن می باشد که سرانجام بدلیل ولتاژ بیش از حد(Over Voltage) و استحکاک شدید آتش گرفته و در کنار آن بدلیل وزش شدید باد آتش به سرعت کل توربین را در بر می گیرد.

همچنین بررسی میزان پراکندگی سرعت باد درطی سال نشان می دهد که باد های کم سرعت فراوانی بیشتری دارند و با توجه به این موضوع هر چند باد ۱۵ متربرثانیه بیشترین انرژی را در توربین تولید می کند اما میزان فراوانی باد ۱۰ متر بر ثانیه باعث می شود بیشترین میزان تولید انرژی در سال متعلق این باد باشد.

امکان سنجی احداث نیروگاه

به معنی ارزیابی امکان پذیر بودن تاسیس یک نیروگاه بادی به لحاظ  فنی، اقتصادی، زیرساخت های مورد نیاز وغیره در یک مزرعه بادی می باشد.

به موارد زیر باید دقت کرد

الف- برآورد انرژی تولید سالانه نیروگاه:

برای بدست آوردن آن نیاز به محاسبات پیچیده وخاص خود است از نرم افزار استفاده می شود اما در نیروگاه های بادی کوچک می توان بدون نرم افزارها محاسبات را انجام داد.

ب- بررسی اقتصادی

که شامل مطالعه هزینه های احداث که شامل هزینه های عمرانی، هزینه های عملیات برقی، هزینه ی حمل ونقل، خدمات مهندسی، تعمیرات و نگهداری و غیره می شود.

ج- روند مطالعات امکان سنجی مزارع بادی که شامل دو موضوع اصلی است

انتخاب سایت مناسب برای مزارعه:

برای اطمینان از اینکه احداث مزارع مناسب است یا خیر بایستی به پرسشهای زیر پاسخ داد

وضعیت باد مناسب است؟، توان خروجی پیش بینی شده توربین کافی است؟،زیر ساخت های موجود در سایت  کفایت می کند؟، شبکه در دسترس است؟، زمین وشرایط زیست محیطی مناسب است؟، باد از قدرت کافی برخوردار است؟، جاده وپل های لازم موجود است؟، شیب زمین بیش از حد تند نیست؟، خطر زلزله تا چه حد است؟، میزان ذرات معلق در هوا نظیر ماسه و نمک در چه حد است؟ و سوالات دیگر

انتخاب مدل مناسب توربین:

نکات مهم در بررسی ومقایسه مدل های مختلف به شرح زیر است؛

آیا توان بادی توربین های بادی انتخابی مناسب است، تولید صدای توربین در حد قابل قبول است، قیمت مدل انتخابی مناسب است و عوامل دیگری که در روند مطالعات امکان سنجی مزارع بادی باید به آن توجه داشت وضعیت موضعی باد است.

ارزیابی سایت: شرایط محیطی از طریق سه عامل روی شرایط باد در سایت تاثیر می گذارد

موانع: موانعی مثل وجود یک تپه یا درخت در مسیر باد

از شاخص های که جریان باد دریک سایت خاص دارای اهمیت است عبارت اند از: پرفیل باد(منحنی شدت بار، پروفیل مسطح به معنای یکسان و ثابت بودن شدت وزش باد است)، سرعت متوسط باد، توزیع سرعت باد، توزیع جهت باد و غیره

زبری سطح: زبری سطح اثر خود را مستقیما روی پرفیل سرعت باد می گذارد هر چه زبری سطح بیشتر باشد تغیر سرعت مربوط به دو ارتفاع مشخص از سطح زمین بیشتر است

مزایای استفاده از انرژی بادی:

انرژی بادی نسبت به سوخت های فسیلی دارای مزایای زیر است

الف-الودگی ایجاد نمی کند

ب-تجدید پذیرند

از مزایای دیگر عدم نیاز توربین های بادی به سوخت، رایگان بودن انرژی، توانایی تامین بخشی از تقاضای انرژی برق، کمتر بودن قیمت انرژی نسبت به انرژی فسیلی، عدم نیاز به آب(دوست دار محیط زیست)، کمتر بودن هزینه جاری و سرمایه گذاری

معایب استفاده از انرژی باد:

به دلیل متفاوت بودن سرعت باد در فصول مختلف وحتی در ساعات شبانه روز ،از باد به عنوان یک منبع متناوب و نه مستمر یاد می شود به همین دلیل بعضی از بادها توانایی تولید برق را ندارند و تنها باعث چرخش رتور می شوند به همین دلیل توربین ها به طور متوسط با ۲۵%تا ۳۵% ظرفیت خود کار می کنند

نکات:

آسیب های  وارده به توربین های بادی ناشی از دو دلیل عمده است

-۱ کارکرد زیاد به طوری که ۳% از زمان کارکرد توربین های بادی تجاری صرف تعمیرات انها می شود.

-۲  ۸۰% صدمات وآرده به توربین های بادی به ویژه در کشورهای اروپایی و آمریکایی در اثر برخورد صاعقه به پره های توربین است البته کشور ما کمتر اتفاق می افتد.

با توجه به تغییر سرعت باد نمی توان با استفاده از سرعت متوسط برای یک منطقه میزان تولید توربین بادی نصب شده در آن منطقه را مشخص کرد برای نصب توربین های بادی در یک منطقه باید فراوانی سرعت دران منطقه رو مشخص کرد معمولا از یک ضریب توزیع در اطلاعات جمع آوری شده مربوط به منطقه استفاده می کنند تا سرعت توزیع باد در آن منطقه مشخص شود برای آگاهی از میزان ضریب توزیع سرعت از مدل رایلی استفاده می شود بیشترین توان تولیدی توربین ها در سرعت بالای باد می باشد و بیشترین انرژی تولیدی در بازه های زمانی کوتاه تولید می شود.

طبق الگوی رایلی نیمی از انرژی تولیدی تنها در۱۵%از زمان کارکرد تورببن تولید می شود در نتیجه نیروگاه بادی مانند نیروگاهای سوختی دارای تولید انرژی پایدار نیستند.

ضریب ظرفیت:

از انجا که سرعت باد در ساعات مختلف متفاوت است و باتوجه به اینکه تولید انرژی الکتریکی وابسته به سرعت باد است وبه همین دلیل است که نمی توان با حاصل ضرب توان تولید نامی در مجموع ساعات کار آن در یک سال انرژی تولیدی آن را بدست آورد.

کاربرد نیروگاه بادی

نیروگاه بادی منفرد جهت تامین انرژی الکتریکی واحدهای مسکونی، تجاری، صنعتی یا کشاورزی

مزارع برق بادی جهت تامین بخشی از تقاضای انرژی برق شبکه

در این قسمت وارد قسمت های درونی توربین بادی می شویم و به طور کامل به شرح آن ها خواهیم پرداخت

 

توربین های بادی چگونه کار می کنند ؟

توربین های بادی براساس یک اصل ساده کار می کنند . انرژی باد دو یا سه پره ای را که به دور روتور توربین بادی قرار گرفته اند را می چرخاند . روتور به یک شفت مرکزی متصل می باشد که با چرخش آن ژنراتور نیز به چرخش درآمده و الکتریسیته تولید می کند.

قسمت های نیروگاه بادی

1. روتور ۲. سیستم محرکه شامل؛ جعبه دنده , مولد برق(ژنراتور) و مکانیزم ترمز ۳. برج نگهدارنده ۴. سیستم های کنترل ایمنی ۵. سایر قسمت ها شامل اتصال های برقی سازه ای و خدماتی

سایر اجزا به تفصیل

باد سنج

پره‌ها

کنترولر

گیربکس

شفت با سرعت پایین

جهت باد

باد نما

درایو انحراف

موتور انحراف

ژنراتور نیروگاه بادی:

از نظر یک دانشجوی قدرتی ژنراتور نیروگاه همیشه یکی از جذاب ترین بخش های بررسی می باشد و از انجایی که بنده نیز در این دایره قرار میگیرم پس چه سخنی خوش تر از ژنراتور!. توربین های بادی به نیروگاه های ژنراتور آسنکرون(القایی) معروف اند و می توان به راحتی اظهار نمود که جزء معدود نیروگاه هایی هست که در آن ژنراتور القایی نه چندان محبوب در زمینه تولید برق را مشاهده می نماییم،همانگونه که در جریان هستید موتورهای القایی یکی از محبوبت ترین ماشین ها در صنایع سنگین و حتی لوازم خانگی می باشد اما این بخت و اقبال برای ژنراتور القایی به دلیل محودیت های ذاتی آن چندان فراهم نشد تا اینکه توربین های بادی باعث تغییر نگاه ها به سمت این نوع ژنراتور ها گردید اما چرا؟

بصورت معمول ژنراتور های سنکرون گزینه ی بسیار مطلوب برای تولید انرژی الکتریسته می باشند و دلیل آن هم نبود احتیاج به شبکه برقی می باشد! این جمله به چه معناست؛ دقت نمایید یک ژنراتور سنکرون نیاز به یک ولتاژ DC جهت تحریک رتور داشته و در کنار آن اگر رتور را نیز به چرخش در بیاوریم در نهایت به ما توان الکتریکی تحویل می دهد در این میان تنها مورد خاص احتیاج به سرعت ثابت است.

نخستین نیروگاه های بادی با ژنراتور های سنکرون شروع به کار نمودند که مشکلات زیادی را همراه داشتند چرا که باد وزیده شده سرعت ثابت نداشته و هر زمان سرعت آن در حال تغییر می باشد و اگر همین باد با سرعت متغییر رتور ژنراتور سنکرون را بچرخواند عملا برق تولیدی امکان استفاده نخواهد داشت یا هزینه بهبود سازی آن بالا می بود چرا که سرعت متغییر در این نوع ژنراتور(سنکرون) یعنی تولید ولتاژ با فرکانس های مختلف که نیاز به اینورتر و کانورتر می بود تا ولتاژ تولیدی نامطلوب را به ولتاژ مطلوب(فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز و کاملا سینوسی) تبدیل نماید و البته ژنراتور سنکرون باید در سرعت سنکرون کار کند تا بازده حداکثری را داشته باشد در این میان قطعات مکانیکی نصب کردند که سرعت چرخش پرها را تنظیم می کردند تا به سرعت سنکرون برسند و در نهایت تصیمی بر آن شد از این نوع ژنراتور استفاده نکنند. اما جایگزین چه بود؟

ژنراتور آسنکرون گزینه دوم بود اما اجازه بدهید دلیل عدم استفاده این نوع ژنراتور را توضیح بدهیم؛ اگر شما یک موتور آسنکرون را در اختیار داشته باشید برای تبدیل آن به یک ژنراتور باید آن را با سرعتی بیشتر از سنکرون(Ns=(120*fs)/P) به چرخش در بیاورید اما مشکل کجاست؟

اگر شما یک ماشین(ژنراتور یا موتور) آسنکرون را به وسیله ای گردان(توربین بادی، آسیاب آبی) وصل(کوپل) نمایید و از این اطمینان داشته باشید که سرعت چرخش نیز بالاتر از سرعت سنکرون می باشد نباید انتظار تولید توان داشته باشید! چون صرفا یک قطعه آهنی بدون میدان مغناطیسی را می چرخوانید، مشکل نه چندان جالب ژنراتور آسنکرون اینجاست که باید به شبکه برق سراسری دقیقا شبیه یک موتور برقی وصل شود به زبان ساده شما موتور آسنکرون خود را به برق شهری متصل نمایید شروع به چرخش می کند اگر در حین شرخش آن را به وسیله ای به عنوان نیروی محرکه وصل نمایید که می چرخد و سرعت آن از سرعت سنکرون بیشتر می باشد(از سرعت موتور ما بیشتر باشد) موتور شما دیگر یک موتور نیست بلکه تبدیل به یک ژنراتور شده است و به جای دریافت توان از شبکه در حال تزریق توان اکتیو به شبکه است و اگر محرک شما سرعتش کم تر از سرعت سنکرون شود ژنراتور ما به سرعت تبدیل به یک موتور مصرف کننده می گردد!.

با توجه به توضیحات بالا تا کنون دریافته اید که چرا باید از ژنراتور آسنکرون در توربین بادی استفاده کرد زیرا تنها نیاز به سرعت بالاتر از سرعتی مشخص(سنکرون)

می باشد نه یک سرعت ثابت به زبان ساده تر اگر سرعت باد تغییر کرد نیز مشکلی به وجود نمی اید به طور مثال سرعت باد بیشتر شود بهتر؛ توان اکتیو بیشتر تولید می شود در نظر داشته باشید سیم بندی و یا قطب بندی ژنراتور به صورتی شکل می گیرند که سرعت سنکرون مورد نظر عددی پایین باشد تا با کمترین میزان باد هم از سرعت سنکرون بالا زده و توان اکتیو تولید کند البته در این میان تدابیر مکانیکی نیز اندیشیده شده تا سرعت با چرخدندهایی افزایش یافته و به رتور که مقصود است برسد.

نسل جدید ژنراتورها:

در این قسمت به بیان ماشین های شار محور

می پـردازیم که نـسل بعدی ماشـین ها می باشـند، تمامی ماشین های امروزی اعم از موتور و ژنراتور در دسته ماشین های شعاعی(Radial) قرار میگیرند بدین صورت که شار در راستای شعاع در ماشین توضیع می گردد در حالی که در ماشین های شار محور(Axial Flux) شار در راستای محور توضیع می گردد. ماشین های شار محور(AFM) در حال توسعه سریع و گسترده اند و حتی در مدل های ساده خود توانستند چشم محققان را به بازده های بیش از ۹۰ درصد خود خیره کنند و این درحالیست که ماشین های(ژنراتور و موتور) امروزی در لبه ی بازده ی ۴۵ تا ۵۶ درصد قرار دارند.

این نوع ماشین ها(شار محور) جز ماشین های تحقیاتی می باشند که از دل نرم افزارهای طراحی موتور و ژنراتور نظیر Ansys Maxwell بیرون آمده اند و بدلیل انعطاف بالای طراحی این برنامه ها همچنان شاهد بهبود روز افزون این ماشین ها هستیم. هم اکنون شرکت های پیش رو در زمینه برق در حال طراحی نمونه های شگفت انگیز توربین های بادی هستند که نسل دوم می باشند و تنها تفاوت آن استفاده از همین ژنراتور های شار محور می باشد که هیچ کدام از مشکلات مدل “سنکرون” و “آسنکرون” را نداشته و در کنار این همه مزیت بازه بالای ۹۰% را نیز برای نیروگاه به ارمغان آورده است این نوع ژنراتور ها با هر سرعتی چرخیده شوند توان تولید کرده و به همین دلیل برای نیروگاه های خانگی بسیار جذاب هستند.

روتور:

به مجموعه تیغه ها و توپی وسط انها رتور می گویند بال ها و هاب به رتور متصل هستند. با به حرکت درآمدن بال ها توسط انرژی باد رتور نیز می چرخد. جنس بال ها از چوب ولی بیشتر از فایبرگلاس به خاطر سبک بودن و در عین حال مقاوم بودن استفاده می شود از آلومینیوم به دلیل کم بودن مقاومت و از فولاد به دلیل سنگینی استفاده نمی شود.

انواع ژنراتورها در نیروگاه های بادی :

-۱ توربین های بادی که از یک ژنراتور و یک جعبه دنده (سیستم انتقال) استفاده می کنند. -۲ توربین هایی که دو ژنراتور دارند یکی برای باد های ضعیف ودیگری برای بادهای قوی. -۳ توربین هایی از یک ژنراتور با دو سیم پیچ استفاده می کنند که این سیم پیچ ها کار همان دو ژنراتور را انجام می دهند. -۴ تعدادی ازت وربین های  بادی از طراحی ویژه ای استفاده می کنند که در انها ژنراتور مستقیم بوسیله روتور وبدون سیستم انتقال (جعبه دنده ) گردانده می شود(نسل دوم – شار محور)

جعبه دنده (gearbox):

وظیفه جعبه دنده تنظیم میزان چرخش ژنراتور در سرعت های مختلف باد است. گیربکس توربین های بادی می توانند سرعت کم چرخش محور پره ها را با ضریب تبدیل مثبت به سرعت بالا که در ژنراتور استفاده میشود تبدیل کند.

ضریب تبدیل به طور کلی ۴ تا ۵ و گاهی بیشتر است. به طور مثال اگر دور توربین بادی ۱۰۰ دور در دقیقه باشد بوسیله جعبه دنده به ۴۰۰ دور در دقیقه افزایش می یابد(در واقع با کاهش گشتاور سرعت را افزایش می یابد)

به طورمعمول توربین های بادی از لحاظ دور به سه دسته تقسیم می شوند:

-۱ دور ثابت

-۲ دور متغییر

-۳ دو دوره

در توربین های با دور ثابت گیر بکس طوری طراحی گردیده است که ورودی آن متغییر ولی خروجی آن ثابت باشد چرخ دنده ها به محور سرعت پایین (محورروتور توربین)متصل هستند و آن ها از طرف دیگر به محور باسرعت بالا(محور ژنراتور)متصل میباشند.

معایب گیر بکس ها:

وزن انها بسیار سنگین است,قیمت انها و نیز هزینه تعمیرات جعبه دنده نیز بالا می باشد به علت سنگین بودن وزن, نصب انها نیز مشکل است.

بااستفاده از سیستم ترمز دیسکی و هیدورلیکی می توان توربین را در مواقع عادی وحتی اضطرای متوقف کرد برای توقف وترمز واحد ها دو روش وجود دارد:

الف-ترمز دینامیکی: در نوک پره ها پره ای دیگر موجود است که از نوک پره ی اصلی فاصله داردوتغییر حالت آن موجب توقف پره اصلی میگردد.

ب-پیچ کنترل: دراین سیستم تمام پره تغییروضعیت میدهد ونسبت به روش قبلی مدرن تر است در مواقعی که طوفان است و یا به خاطر سرویس نباید واحد به کار خود ادامه دهد پره ها طوری قرار میگیرند که کم ترین سطح تماس را با باد داشته باشند.

ناسل(nacelle):

قسمت اصلی توربین بادی که روتور به آن متصل است را ناسل میگویند. ناسل در بالای برج قرار دارد شامل جعبه دنده, شافت اصلی ژنراتور, بخش کنترل و ترمز است. بعضی از ناسل ها انقدر بزرگند که تکنیسین ها میتوانند داخل آن بایستند.

 بخش کنترل(controller):

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 به بالا تر از ۲۵متر بر ثانیه میرسد انها را متوقف میکند.توربین ها نمیتوانند در سرعت های بیشتر از ۲۵متر بر ثانیه به کار خود ادامه دهند.در سرعت بالای ۳۰متر بر ثانیه خطر سقوط برج ها نیز وجود دارد.

سنسورهای اندازه گیری(measure sensors):

توربین های بادی شامل دو سنسور سرعت سنج وجهت نما میباشند که اولین سرعت باد و دومی جهت باد را به دقت مشخص میکند واطلاعات حاصل را به بخش کنترل میدهد. بر اساس این اطلاعات زمان کار توربین وزاویه انحراف توربین مشخص میشود.

درایو انحراف(yaw drive):

وسیله ای است که وضعیت توربین را هنگامی که باد در خلاف جهت می وزد کنترل میکند و زمانی استفاده میشود که قرار است بالها در مقابل وزش باد از روبه رو قرار بگیرند اما زمانی که باد در جهت توربین می وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمیباشد.

موتور انحراف(yaw motor):

هدایت این موتور توسط واحد کنترل انجام میشود. بر اساس اطلاعات رسیده از قسمت اندازه گیری,واحد کنترل جهت باد غالب را تعیین کرده و به موتور انحراف فرمان میدهد که توربین را در راستای مناسب بچرخاند.

توضیح در مورد نوع ژنراتور های مورد استفاده در توربین های بادی:

جریان برق توسط ژنراتورهای AC تولید میشود از انجایی که فرکانس این جریان برق متناوب متناسب با دور محور گردان است و از انجایی که برای فرکانس ثابت احتیاج به دور توربین ثابت است پس باید دور توربین ثابت باشد و از طرفی هزینه ی تهیه و تدارک مکانیسمی که دور را ثابت نگه دارد گران تمام میشود.

برای برطرف کردن این مشکل دو راه حل وجود دارد:

-۱ ژنراتور های جریان متناوبی ساخته شده است که با استفاده از دستگاهای الکترونیکی میتوانند با متغیر بودن دور,جریان با فرکانس ثابت تولید کنند.

-۲ روش دیگر برای تهیه جریان با فرکانس ثابت این است که ابتدا جریان مستقیم تولید کنند سپس این جریان را با استفاده از دستگاه اینورتر(Inverter)به جریان متناوب تبدیل نمایند.

بادسنج (Anemometer)

این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به کنترل کننده ها انتقال میدهد.

عوامل مهم در استقرار توربین های بادی

استقرار توربین های بادی در مکان هایی که مقدار انرژی تولید شده جوابگوی مصرف باشد .

پرهیز از مکان هایی که سبب مخاطره ی توربین های بادی میشود

اقتصادی بودن انرژی تولیدی در مقایسه با انرژی های دیگر

آلودگی صوتی توربین های بادی

کسانی که در محل های نزدیک به توربین های بادی سکونت دارند , همیشه از صدای مخصوص چرخش پره ها و صدای آزار دهنده چرخ دنده توربین ها و ژنراتور ها که آرامش انها را بر هم می زنند , گلایه می کنند . توربین های بادی در سال های اخیر بسیار کم سر و صداتر از نمونه های قدیمی تر هستند . اکنون صدای پره توربین های بادی از فاصله ی بیش از ۲۰۰ متری قابل شنیدن نیست .

بادها در ایران

ایران از نظر وضع کوهستانی،وجود دریا در شمال وجنوب، دوری نواحی مرکزی آن از دریا، وجود کوه های مرتفع در گرداگرد و داخل آن یکی از کشورهای نادر جهان به شمار می رود

ایران در مسیر جریان های مهم هوای است که این بادها شامل

جریان مرکز فشار آسیای مرکزی در زمستان

جریان مرکز فشار اقیانوسی هند در تابستان

جریان غربی از اقیانوس اطلس و دریای مدیترانه

بخصوص در زمستان

جریان شمال غربی در تابستان

نیروگاه های بادی در ایران

در ایران با توجه به مناطق باد خیز آسیاب های بادی از ۲۰۰۰ سال پیش رایج بوده و هم اکنون نیز بستر مناسبی جهت بهره برداری از توربین های بادی است مطالعات نشان می دهد که در ایران در ۲۶ منطقه شامل بیش از ۴۵ سایت میزان ظرفیت سایت ها با درنظر گرفتن راندمان کلی ۳۳% در حدود ۶۵۰۰ مگاوات است این درحالی است که ظرفیت اسمی نیروگاه های برق کشور در حدود ۳۴۰۰۰ مگاوات است.