سیستم‌های بادی

نرژی باد یکی از انواع اصلی انرژی های تجدید پذیر می باشد که از دیر باز ذهن بشر را به خود معطوف کرده است، به طوری که وی همواره به فکر کاربرد این انرژی در صنعت بوده است. بشر از انرژی باد برای به حرکت در آوردن قایقها، کشتیهای بادبانی و آسیابهای بادی استفاده می کرده است. در کشور ما قابلیتها و پتانسیل های مناسبی جهت نصب و راه اندازی توربین های برق بادی وجود دارد که با توجه به توجیه پذیری آن و تحقیقات، مطالعات و سرمایه گذاری­های صورت گرفته، چشم انداز روشنی را فراروی سیاست گذاران بخش انرژی کشور قرار داده است.

یکی از مهمترین پروژه های انجام شده در زمینه انرژی باد، تهیه اطلس بادی کشور بوده است که پروژه مذکور در سازمان انرژیهای تجدیدپذیر و بهره­وری برق ایران انجام شده و به عنوان یکی از پروژه های ملی در صنعت انرژی باد محسوب می گردد.

توربین‌های بادی، انرژی جنبشی باد را به توان مکانیکی تبدیل می‌نمایند، این توان مکانیکی از طریق شفت به ژنراتور انتقال پیدا کرده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می‌شود. توربین‌های بادی بر اساس یک اصل ساده کار می‌کنند. انرژی باد، دو یا سه پره‌ای را که به دور روتور توربین بادی قرار گرفته‌اند را بچرخش درمی‌آورد. روتور به یک شفت مرکزی متصل می‌باشد که با چرخش آن ژنراتور نیز به چرخش درآمده و الکتریسیته تولید می‌شود. توربین‌های بادی بر روی برج‌های بلندی نصب شده‌اند تا بیشترین انرژی ممکن را دریافت کنند. بلندی این برج‌ها به ۳۰ تا ۴۰ متر بالاتر از سطح زمین می‌رسند.

پس از شروع انقلاب صنعتی و اختراع ماشین آلات صنعتی، فعالیت‌های کشاورزی و صنعتی رواج بیشتری پیدا کرد و در نتیجه سوخت‌های فسیلی بیش از اندازه مورد استفاده قرار گرفتند. این امر سبب افزایش گازهای گلخانه‌ای نظیر کربن دی اکسید در جو و گرمایش جهانی شد که در حال حاضر این پدیده به یکی از مشکلات حائز اهمیت جامعه بشری تبدیل شده است.

امروزه برای کاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی به استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر روی آورده شده است. یکی از منابع تجدیدپذیر که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است، منبع باد است.

از انرژی باد به وسیله توربین بادی می‌توان برق تولید نمود. با به چرخش در آمدن توربین بادی، انرژی توسط توربین به ژنراتور انتقال یافته و باعث به چرخش درآمدن آن و در نتیجه تولید برق AC می شود. برق تولیدی حاصل از توربین بادی معروف به AC کثیف می‌باشد. زیرا، با توجه به نوسان در وزش باد، برق تولید شده در توربین بادی از نظر فرکانس و ولتاژ برای استفاده نامناسب است. برای حل این مشکل، برق تولیدی توربین بادی به برق DC  تبدیل می‌شود. این عمل توسط کنترلر بادی انجام می‌پذیرد.

از طرفی برق مورد نیاز مصرف در ایران معمولاً به صورت برق AC، (230)220ولت و 50 هرتز تک فاز یا (400) 380 ولت 50 هرتز سه فاز می‌باشد. بنابراین، برای استفاده از انرژی بادی به صورت برق مصرفی مناسب، باید از تجهیزاتی از جمله توربین بادی، کنترلر بادی و … استفاده شود که به مجموعه این تجهیزات سیستم بادی گفته می‌شود.

سیستم‌های بادی به دو صورت مستقل از شبکه (Off-Grid) و یا متصل به شبکه (On-Grid) نصب می‌شوند.

سیستم‌های تولید برق مستقل از شبکه (Off-Grid)، به منظور استفاده در مناطق بدون دسترسی به شبکه برق رسانی طراحی شده‌اند. سیستم‌های بادی مستقل از شبکه به وسیله توربین باد، انرژی بادی را به برق تبدیل می‌کند. از طرفی شدت وزش باد و در نتیجه انرژی ورودی به سیستم بادی نیز ثابت نیست. به همین علت، انرژی بادی را برای مواقع کمبود انرژی باد، به صورت DC در باتری ذخیره می‌گردد.

اگرچه ولتاژ DC برای مصرف کننده‌های DC قابل استفاده است؛ اما، مصرف کننده‌ها عمدتاً با ولتاژ 220 ولت 50 هرتز تک فاز کار می‌کنند. تبدیل برق DC به برق AC، توسط اینورتر انجام می‌گیرد اینورتر مورد استفاده در سیستم‌های Off-Grid، باید از نوع مستقل از شبکه باشند.

در صورت بروز هر گونه مشکل در نحوه اتصال کابل‌ها، امکان اتصال کوتاه، عبور جریان زیاد، سوختن کابل‌ها و… وجود دارد که منجر به آتش سوزی یا آسیب رسیدن به قطعات خواهد شد. برای جلوگیری از این حوادث، سر راه کابل‌های اصلی فیوز قرار داده می‌شود. هنگام عبور جریان بیش از اندازه از کابل، فیوز مدار را قطع کرده و مانع از آسیب دیدگی قطعات و کابل‌ها خواهد شد.

انواع توربینهای بادی:

اگرچه طراحی های مختلفی برای توربین بادی موجود می باشد ولی به طور عمده به دو دسته کلی بر اساس جهت محور چرخش تقسیم بندی می شوند:

الف- توربینهای بادی با محور چرخش عمودی

توربینهای بادی با محور عمودی نظیر (ساوینوس ، داریوس ، صفحه ای، کاسه ای… ) از 2 بخش اصلی تشکیل شده اند. یک میله اصلی که رو به باد قرار می گیرد و میله های عمودی دیگری که عمود بر جهت باد کار گذاشته می شوند. این توربین شامل قطعاتی با اشکال گوناگون بوده که باد را در خود جمع کرده و باعث چرخش محور اصلی می گردد. ساخت این نوع توربین بسیار ساده است، ولی بازده پایینی دارد. در این نوع توربینها یک طرف توربین، باد را بیشتر از طرف دیگر جذب می کند و باعث می شود سیستم لنگر پیدا کرده و بچرخد. نتیجه این نوع طراحی این است که سرعت چرخش سیستم دقیقاً با سرعت باد برابر بوده و در مناطقی که سرعت باد کم است، چندان کار آمد نیست. یکی از مزایای آن وابسته نبودن سیستم به جهت وزش باد می باشد.

ب- توربینهای بادی با محور چرخش افقی

این نوع توربین ها نسبت به مدل با محور عمودی رایج تر می باشند، توربینهای بادی با محور افقی پیچیده­تر و گران تر از نوع قبلی هستند و ساخت آنها هم مشکل­تر است ولی راندمان بسیار بالایی دارند. در همه سرعتها حتی سرعتهای پایین باد کار می کنند و در انواع پیشرفته تر میتوان جهت آنها را با جهت وزش باد تنظیم کرد. نمای ظاهری این توربینها 3 یا در مواردی 2 پره است که روی یک پایه بلند نصب شده اند. این پره ها همواره درجهت وزش باد قرار میگیرند.

اجزاء اصلی توربینهای بادی محور افقی 

• روتور: روتور توربین بادی شامل پرّه، هاب، دماغه و یاتاقانهای پره می باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند. تعداد پره ها معمولا متغیر بوده و پهنای پره (کورد) ممکن است در تمام طول پره ها ثابت و یا آنکه متغیر باشد و پره از هاب به سمت نوک باریک شود.
• برج: سازه های مشبک فولادی، برجهای استوانه ای فولادی یا بتنی و همچنین ستونهای مهار شده توسط کابل از رایج ترین برجهای نگهدارنده محسوب می شوند. ارتفاع برج معمولا بین یک تا یک ونیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می شود.
• ناسل: شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد.
• سیستم انتقال قدرت: سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گردنده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، گیربکس و محور سرعت بالا ( در سمت ژنراتور) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقانها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، می‌باشد. عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرارمی‌گیرد: گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای.
• ژنراتور: پره های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی در سیستم انتقال تبدیل می کنند و ژنراتور، انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربینهای بادی استفاده می شود: ژنراتور جریان مستقیم، ژنراتور سنکرون و  ژنراتور القایی یا آسنکرون.
• ترمز:  در توربینهای بادی با ظرفیت بسیار پایین ( 1 الی 5 کیلووات) معمولا از سیستم های ترمز کفشکی استفاده می شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. در توربینهای بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می شود.
• سیستم کنترل: برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی، باید بتوان همواره صفحه دوران توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار داد. برای این منظور از سیستم هایی برای تغیر جهت توربین بادی و قرار دادن سیستم در مسیر باد استفاده می شود. این سیستم یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام میشود. در توربین های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف از بالچه استفاده می کنند. همچنین سیستم هایی جهت کنترل و تنظیم سرعت دورانی در توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرند. چنین سیستمهایی علاوه بر کنترل دور روتور، مقدار قدرت تولیدی و نیروهای وارده بر روتور در بادهای شدید را نیز محدود می کنند.
• سیستم هیدرولیک: سیستم های هیدرولیک به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می کند. یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگهای انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جنبی تشکیل شده است. پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز، محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد. محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است.