طراحی توربین بادی
طراحی توربین بادی
طراحی توربین بادی
در قلب هر سیستم تولید انرژی تجدیدپذیر بادی توربین بادی قرار دارد. طراحی توربین بادی برای بهینه کردن توان خروجی با تغییر سرعت باد، جهت باد، ارتفاع و غیره صورت می گیرد. اجزای توربین بادی معمولاً از یک روتور(rotor)، یک ژنراتور(generator) جریان مستقیم (DC) یا یک ژنراتور جریان متناوب (AC) تشکیل شده است که بر روی یک برج(tower) بالاتر از سطح زمین نصب شده است.
بنابراین چگونه توربین های بادی برای تولید برق طراحی شده اند؟
در ساده ترین اصطلاحات، توربین بادی مخالف پنکه رومیزی است. فن با استفاده از برق شبکه اصلی برای چرخش و گردش هوا باعث ایجاد باد می شود. از طرف دیگر طراحی توربین های بادی از نیروی باد برای تولید برق استفاده می کند.
حرکت بادها باعث چرخش پره توربین بادی (wind turbines blades) می شود که این امر انرژی جنبشی باد را گرفته و از طریق شافت این انرژی را به یک حرکت چرخشی تبدیل می کند تا یک ژنراتور را به حرکت در آورد و برق را همانطور که نشان داده شده تولید کند. برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله اجزای توربین بادی را مطالعه بفرمایید.
طراحی توربین بادی -اجزا
یک توربین بادی با کاهش سرعت باد، انرژی جنبشی را از باد استخراج می کند و این انرژی را به شافت چرخان منتقل می کند، بنابراین داشتن یک طراحی خوب مهم است. توان موجود(available power) در بادی که برای برداشت در دسترس است هم به سرعت باد(wind speed) و هم به ناحیه ای که توسط پره های توربین چرخان جاروب(swept) می شود بستگی دارد. بنابراین هرچه سرعت باد بیشتر باشد یا طول پره های روتور بیشتر باشد، می توان انرژی بیشتری از باد گرفت.
بنابراین می توان گفت که تولید برق توربین بادی به تعامل(interaction) بین پره های روتور و باد بستگی دارد و این تعامل است که برای طراحی توربین بادی مهم است. برای کمک به بهبود این تعامل و در نتیجه افزایش کارایی(efficiency)، دو نوع طراحی توربین بادی در دسترس است.
طراحی محور افقی(horizontal axis) و محور عمودی(vertical axis)
طراحی توربین بادی محور افقی بیشتری باد را به خود جذب می کند بنابراین توان خروجی آن بیشتر از طراحی توربین بادی محور عمودی است. عیب طراحی محور افقی این است که برج مورد نیاز برای پشتیبانی از توربین بادی بسیار بالاتر است و طراحی پره های روتور باید بسیار بهتر باشد.
Vertical Axis Turbine یا VAWT آسان تر طراحی و نگهداری(maintain) می شود اما به دلیل نیروی کشش یا درگ (drag) زیاد در طراحی، عملکرد کمتری نسبت به انواع محور افقی دارد.
بیشتر توربین های بادی تولید کننده برق امروزه یا از نظر تجاری(commercially) و یا خانگی(domestically) ماشین های محور افقی هستند. بنابراین در این مقاله این نوع طراحی توربین های بادی است بررسی خواهد شد.
روتور توربین بادی
این قسمت اصلی طراحی توربین بادی است که انرژی باد را جمع می کند و آن را به شکل چرخش به قدرت مکانیکی تبدیل می کند. روتور از دو یا چند “پره (blades)” از چوب روکش شده(laminated-wood)، فایبرگلاس(fibreglass) یا فلز و یک توپی(hub) محافظ که به دور محور مرکزی می چرخد تشکیل شده است.
دقیقاً مانند یک بال هواپیما(aeroplane wing)، پره توربین بادی به دلیل شکل منحنی خود با ایجاد نیروی بالابرنده یا لیفت (lift) کار می کنند. پره های روتور طبق اصل بالابرندگی(lift principle) بخشی از انرژی جنبشی را از توده های هوا(air masses) در حال حرکت با نرخ تعیین شده توسط سرعت باد و شکل پره ها استخراج می کنند. برآیند(net) یک نیروی بالابرنده، عمود بر جهت جریان هوا(direction of flow of the air) است.
سپس ترفند طراحی پره روتور برای ایجاد مقدار مناسب لیفت و رانش پره روتور است که باعث کاهش سرعت مطلوب هوا می شود و نه بیشتر. متأسفانه پره های روتور توربین ۱۰۰٪ کل نیروی باد را حذب نمی کنند زیرا این امر باعث می شود که هوای پشت پره های توربین کاملاً ساکن باشد و بنابراین اجازه عبور باد از پره ها را نمی دهد.
حداکثر بازده تئوریکی که پره های روتور توربین ها می توانند از انرژی باد استخراج کنند بین ۳۰ تا ۴۵ درصد است و این به متغیرهای پره روتور زیر بستگی دارد:
طراحی پره، تعداد پره، طول پره، پیتچ یا گام(Pitch) / زاویه پره، شکل پره و مواد و وزن پره
طراحی پره توربین بادی
طراحی پره توربین بادی بر اساس نیروی لیفت یا کشش برای استخراج انرژی از توده های هوا در حال جریان است. در طراحی پره بالابرنده، همان اصولی وجود دارد که هواپیماها، کایت ها و پرندگان را قادر می سازد تا پرواز کنند و یک نیروی بالابرنده عمود بر جهت حرکت را ایجاد می کنند. پره روتور اساساً یک ایروفویل یا بال شبیه به بال هواپیماست.
وقتی پره هوا را می برد، سرعت باد و اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین پره ایجاد می شود. فشار در سطح پایین بیشتر است و بنابراین نیروی”لیفت” پره به سمت بالا عمل می کند، بنابراین ما می خواهیم این نیرو را تا حد ممکن بزرگ کنیم. وقتی پره ها مانند روتور توربین بادی به یک محور چرخشی مرکزی متصل می شوند، این لیفت به یک حرکت چرخشی تبدیل می شود.
طراحی توربین بادی
در مقابل این نیروی بالابرنده نیرویی کشش وجود دارد که به موازات جهت حرکت است و هنگام برش هوا باعث آشفتگی (turbulence) در اطراف لبه انتهایی(trailing edge) پره می شود. این تلاطم اثر ترمز روی پره دارد بنابراین ما می خواهیم این نیروی کشش را تا حد ممکن کم کنیم. ترکیب لیفت و درگ باعث چرخش روتور مانند پروانه می شود.
از طرح های کشش(Drag designs) بیشتر برای طراحی توربین های بادی عمودی استفاده می شود که دارای پره های بزرگ فنجانی یا منحنی(cup or curved shaped) هستند.
از مزایای پره های روتور طراحی شده با نیروی کشش سرعت چرخش پایین تر(slower rotational speeds) و قابلیت های گشتاور بالا است که آنها را برای پمپاژ آب و توان ماشین آلات کشاورزی مفید می کند. توربین های بادی با نیروی لیفت دارای سرعت چرخش بسیار بالاتری نسبت به انواع درگ هستند و بنابراین برای تولید برق مناسب هستند.
تعداد پره توربین بادی
تعداد پره توربین بادی به طور کلی توسط بازده آیرودینامیکی و هزینه تعیین می شود. توربین بادی ایده آل دارای بسیاری پره ی نازک است اما اکثر ژنراتورهای توربین بادی محور افقی فقط یک، دو یا سه پره دارند. افزایش تعداد پره های روتور به بیش از سه، فقط اندکی افزایش در کارایی روتور دارد اما هزینه آن را افزایش می دهد، بنابراین معمولاً بیش از سه پره مورد نیاز نیست اما توربینی چند پره با ژنراتور دور بالا برای استفاده خانگی موجود است. به طور کلی، هرچه تعداد پره ها کمتر باشد، مواد کمتری در طول ساخت مورد نیاز است تا هزینه و پیچیدگی کلی آنها کاهش یابد.
طراحی توربین بادی تعداد پره
روتورهای تک پره در طرف مقابل روتور دارای یک وزنه تعادل مقابل هستند اما به دلیل حرکت غیر یکنواخت(unsmooth) چرخشی تک پره که باید سریعتر حرکت کند تا همان مقدار انرژی باد را جذب کند، ارتعاش زیادی دارد و تنش مواد بالا ست. همچنین با روتورهای تک یا حتی دو پره، بیشترین هوا و در نتیجه توان باد از سطح مقطع جاروب نشده توربین عبور می کند بدون اینکه با روتور تعامل داشته باشد و باعث کاهش کارایی آنها شود.
از طرف دیگر روتورهای چند پره عملکرد چرخشی نرم تری دارند و سطح صدای پایین تری دارند. سرعت چرخش و گشتاور آهسته تر با طراحی های چند پره ای امکان پذیر است که باعث کاهش فشارهای موجود در قطار محرک(drive train) و در نتیجه کاهش هزینه های گیربکس و ژنراتور می شود.
با این وجود، در توربین های بادی با پره های بسیار زیاد یا پره های بسیار پهن(wide)، در باد های بسیار شدید، در معرض نیروهای بسیار زیادی قرار می گیرند به همین دلیل در بیشتر طرح های توربین بادی از سه پره در روتور استفاده می شود.
تعداد پره های روتور فرد یا زوج؟
یک طراحی توربین بادی که دارای تعداد پره های روتور زوج است، ۲، ۴ یا ۶ و غیره، می تواند هنگام چرخش مشکلات پایداری (stability) داشته باشد. زیرا هر پره روتور دارای یک پره دقیق و مخالف است که در جهت مخالف ۱۸۰ درجه قرار دارد.
همانطور که روتور می چرخد، همان لحظه که بالاترین پره به صورت عمودی به سمت بالا قرار دارد (موقعیت ساعت ۱۲)، پایین ترین پره مستقیماً در مقابل برج توربین قرار دارد. نتیجه این است که بالاترین(uppermost) پره به سمت عقب خم می شود، زیرا حداکثر نیرو را “بارگذاری رانش” (thrust loading) از باد دریافت می کند، نامیده می شود، در حالی که پره پایین در قسمت بدون باد، در مقابل برج حرکت می کند.
این خم شدن ناهموار پره های روتور توربین ها در هر تراز عمودی باعث ایجاد نیروهای ناخواسته روی پره های روتور و شافت روتور می شود زیرا دو پره هنگام چرخش به جلو و عقب خم می شوند. برای یک توربین کوچک پره ای آلومینیومی یا فولادی، ممکن است بر خلاف پره های پلاستیکی تقویت شده با فایبرگلاس، مشکلی ایجاد نکند.
یک طراحی توربین بادی که دارای تعداد فرد پره های روتور است (حداقل سه پره) روانتر می چرخد زیرا نیروهای ژیروسکوپی(gyroscopic) و انعطاف پذیر در بین پره ها به طور یکنواخت متعادل می شوند و باعث افزایش پایداری توربین می شوند. متداول ترین طراحی توربین بادی طراحی سه پره ای است.
بازده توان یک روتور سه پره کمی بالاتر از روتور دو پره مشابه است و به دلیل پره اضافی آنها می توانند با کاهش سایش(wear) و سر و صدا چرخش کنند.
همچنین، برای جلوگیری از آشفتگی و تعامل بین پره های مجاور، فاصله بین هر پره از دیگری باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا یک پره با جریان آشفته و ضعیف هوا ناشی از عبور پره قبلی مواجه نشود. به همین دلیل، بیشتر توربین های بادی نوع فرد حداکثر سه پره روی روتورهای خود دارند و به طور کلی با سرعت کمتری می چرخند.
به طور کلی، روتور با سه پره از نظر زیبایی جذابیتر اند و از نظر آیرودینامیکی کارآمدتر از دو پره ای هستند که به این واقعیت کمک می کند که توربین بادی سه پره ای در بازار تولید انرژی باد، نفوذ بیشتری داشته باشد.
اگرچه تولیدکنندگان خاصی توربین های دو و شش پره (برای قایق های بادبانی(sail boats)) تولید می کنند. از دیگر مزایای روتورهای سه پره می توان به عملکرد نرمتر، سر و صدای کمتر و ضربات پرنده کمتر اشاره کرد که ضرر هزینه بالاتر مواد را جبران می کند.
طول پره توربین بادی
سه عامل تعیین می کند که چه مقدار انرژی جنبشی می تواند توسط یک توربین بادی از باد استخراج شود:
“تراکم هوا(air density)” ، “سرعت باد(wind speed)” و “مساحت روتور”( rotor area).
تراکم هوا بستگی به میزان ارتفاع شما از سطح دریا دارد در حالی که سرعت باد توسط آب و هوا(weather) کنترل می شود. با این حال می توان مساحت جاروب شده روتور را با افزایش طول پره کنترل کرد تا توان خروجی توربین بادی تنظیم شود.
پره های روتور در حین چرخش در اطراف یاتاقان مرکزی می چرخند و در حین چرخش یک دایره کامل ۳۶۰ درجه تشکیل می دهند که مساحت یک دایره به این صورت πr2 است. بنابراین هرچه ناحیه جارو شده روتور افزایش یابد، مساحت تحت پوشش آن نیز با مربع شعاع افزایش می یابد. بنابراین، دو برابر شدن طول پره های توربین منجر به افزایش چهار برابر مساحت آن می شود که به آن اجازه می دهد چهار برابر انرژی باد را جذب کند.
با این حال، این اندازه، وزن و در نهایت هزینه طراحی توربین بادی را بسیار افزایش می دهد. یکی از جنبه های مهم طول پره، سرعت نوک چرخشی(rotational tip-speed) روتور ناشی از سرعت زاویه ای است. برای یک سرعت باد معین، هرچه طول پره توربین بیشتر باشد، چرخش نوک سریعتر است. به همین ترتیب، برای یک طول پره روتور داده شده هرچه سرعت باد بیشتر باشد، چرخش سریعتر است.
پس چرا نمی توان یک توربین بادی با پره های روتور بسیار طولانی تر داشت که در یک محیط بادگیر مقدار زیادی برق رایگان تولید کند؟؟
پاسخ این است که به نقطه ای تبدیل می شود که طول پره های روتور و سرعت باد در واقع بازده خروجی توربین را کاهش می دهد. به همین دلیل است که بسیاری از طرح های بزرگتر توربین بادی با سرعت بسیار کندتری می چرخند. بازده تابعی از سرعت چرخش نوک روتور برای یک سرعت باد معین است که نسبت سرعت نوک به سرعت باد” (tip-speed ratio)(λ) می نامند که یک واحد بدون بعد برای به حداکثر رساندن بازده روتور است.
هرچه لاندا بیشتر باشد، چرخش روتور توربین بادی در سرعت باد معین سریعتر است. سرعت شافتی به صورت چرخش در دقیقه (دور در دقیقه) داده می شود و به سرعت نوک و قطر پره های توربین بستگی دارد.
طراحی توربین بادی- فرمول لاندا
اگر روتور خیلی آهسته بچرخد، اجازه می دهد باد زیادی بدون استفاده عبور کند و بنابراین تا آنجا که می تواند انرژی خارج نمی شود. از سوی دیگر، اگر پره روتور خیلی سریع بچرخد، به نظر می رسد که باد به عنوان یک دیسک مدور دایره ای چرخان بزرگ است که مقادیر زیادی از تلفات و درگ ایجاد می کند و باعث کند شدن روتور می شود. بنابراین مهم است که سرعت چرخش روتور توربین را با یک سرعت باد خاص مطابقت دهیم تا بازده بهینه حاصل شود.
روتورهای توربین با پره های کمتر در نسبت های بالاتر از سرعت نوک به حداکثر بازده خود می رسند و به طور کلی، سه طراحی توربین بادی برای تولید برق دارای نسبت سرعت نوک بین ۶ تا ۸ هستند، اما به دلیل داشتن سه پره، روانتر کار خواهند کرد.
از طرف دیگر، توربین های مورد استفاده برای کاربردهای پمپاژ آب نسبت سرعت نوک کمتری بین ۱٫۵ و ۲ دارند زیرا به طور خاص برای تولید گشتاور بالا در سرعت های پایین طراحی شده اند.
زاویه یا گام پره توربین بادی
پره توربین بادی با طراحی ثابت معمولاً مانند بال های آئروفویل(aerofoil) هواپیما صاف یا مسطح نیستند، اما در عوض دارای پیچ خوردگی(twist) کوچک و مخروطی(taper) در طول خود از نوک تا ریشه(root) هستند تا سرعت چرخش های مختلف را در امتداد پره فراهم کند. این پیچ و تاب باعث می شود که پره انرژی باد را هنگام جذب باد از زوایای مماسی(tangential) مختلف و نه فقط مستقیم(straight-on)، به خود جذب کند.
اگر پره روتور مستقیم یا مسطح(flat) باشد و باد در زاویه های مختلف به آن برخورد کند، نیروی لیفت ازدست می رود و حتی ممکن است متوقف شود (استال) ، خصوصاً اگر این زاویه حمله(angle of attack) بیش از حد تند(steep) باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله پره توربین بادی و مقاله توربین بادی استال را مطالعه بفرمایید.
بنابراین، برای اینکه پره روتور زاویه بهینه حمله را نگه دارد، باعث افزایش لیفت و کارایی شود، پره های توربین بادی به طور کلی در طول پره پیچ خورده اند. علاوه بر این، این پیچ و تاب در طراحی توربین بادی باعث می شود که پره های روتور در سرعت زیاد باد خیلی سریع نچرخند.
با این حال، برای طراحی توربین های بادی در مقیاس بسیار بزرگ(large-scale) که برای تولید برق استفاده می شود، این چرخش پره ها می تواند ساخت آنها را بسیار پیچیده و گران کند، بنابراین از شکل دیگری از کنترل آیرودینامیکی استفاده می شود تا زاویه حمله پره ها کاملا مطابق با جهت باد باشد.
توان آیرودینامیکی تولید شده توسط توربین بادی را می توان با تنظیم زاویه گام(pitch angle) توربین بادی در ارتباط با زاویه حمله باد کنترل کرد زیرا هر پره به پیرامون محور طولی خود می چرخد. سپس پره های روتور با کنترل گام می توانند مستقیم و صاف تر باشند اما به طور کلی این پره های بزرگ در هندسه خود پیچشی مشابه دارند اما برای بهینه سازی بار مماسی روی پره روتور بسیار کوچکتر هستند.
هر پره روتور چه منفعل(passive) یا دینامیکی(dynamic)، دارای مکانیزم پیچش چرخشی(rotational twist mechanism) است که در ریشه پره تعبیه شده است و یک کنترل گام افزایشی یکنواخت را در طول آن ایجاد می کند (پیچش ثابت(constant twist)). مقدار گام مورد نیاز فقط چند درجه است زیرا تغییرات کوچک در زاویه گام می تواند تأثیر چشمگیری بر توان خروجی بگذارد زیرا انرژی موجود در باد متناسب با مکعب سرعت باد است.
یکی از مهمترین مزایای کنترل پیچ پره روتور افزایش پنجره سرعت باد(wind speed window) است. هنگامی که روتور شروع به چرخش می کند تا مقدار سرعت باد شروع به کار(cut-in wind speed) را کاهش دهد، یک زاویه گام مثبت، مقدار زیادی گشتاور راه اندازی تولید می کند.
به همین ترتیب، در سرعت های زیاد باد هنگام رسیدن به حداکثر سرعت روتور، می توان زاویه گام را کنترل کرد تا با کاهش بازدهی و زاویه حمله دور دور روتور از حد مجاز بیشتر نشود. تنظیم توان توربین بادی را می توان با استفاده از کنترل زاویه گام بر روی پره های روتور انجام داد تا با کنترل زاویه حمله، نیروی لیفت روی پره ها را کاهش یا افزایش داد.
پره های کوچکتر روتور با در نظر گرفتن پیچ کوچک در طراحی خود به این مهم دست می یابند. توربین های بادی تجاری بزرگتر از کنترل گام به صورت غیرفعال، با کمک فنرهای گریز از مرکز و اهرم ها (شبیه روتورهای هلیکوپتر) یا با استفاده فعال از موتورهای الکتریکی کوچک تعبیه شده در ناسل یا هاب استفاده می کنند تا چند درجه چرخش پره را تامین کنند. مهمترین چالش کنترل زاویه گام قابلیت اطمینان و هزینه هستند.
توربین بادی استال
ساخت پره توربین بادی
انرژی جنبشی استخراج شده از باد تحت تأثیر هندسه پره های روتور قرار می گیرد و شکل پره بهینه آیرودینامیکی را تعیین می کند. همچنین طراحی سازه پره روتور به همان اندازه طراحی آیرودینامیکی مهم است. طراحی سازه شامل انتخاب استحکام و ماده پره هنگام انعطاف و خم شدن آن توسط انرژی باد حین چرخش است.
بدیهی است که مواد ساختاری ایده آل برای پره روتور می تواند ویژگی های ساختاری لازم از نسبت مقاومت به وزن بالا عمر خستگی(fatigue) زیاد، سفتی(stiffness)، فرکانس ارتعاش طبیعی آن و همراه با هزینه کم و توانایی ایجاد آسان در شکل ایروفیل دلخواه را داشته باشد.
پره های روتور توربین های کوچکتر مورد استفاده در کاربردهای مسکونی که اندازه آنها از ۱۰۰ وات به بالا است، به طور کلی از چوب تراشیده جامد، ورقه های چوب یا کامپوزیت های روکش چوب و همچنین آلومینیوم یا فولاد ساخته شده اند. پره های روتور چوبی محکم، سبک وزن، ارزان، انعطاف پذیر و محبوب در اکثر طرح های توربین بادی هستند زیرا به راحتی ساخته می شوند.
با این حال، استحکام کم ورقه های(laminates) چوبی در مقایسه با سایر مواد چوبی، آن را برای پره هایی با طرح های باریک که با سرعت نوک زیاد کار می کنند، نامناسب می کند.
پره های آلومینیوم نیز سبک وزن، محکم و کار با آنها آسان است، اما گران ترند، به راحتی خم می شوند و از چالش خستگی دارند. به همین ترتیب پره های فولادی از ارزانترین مواد استفاده می کنند و می توانند و برای آیروفیل مورد نیاز، به شکل منحنی به خود می گیرند. با این حال، ایجاد پیچ و تاب در پانل های فولادی بسیار دشوارتر است و همراه با خواص ضعیف خستگی و زنگ زدگی، به این معنی است که از فولاد به ندرت استفاده می شود.
پره های روتور مورد استفاده برای طراحی توربین بادی بسیار بزرگ محور افقی از کامپوزیت های پلاستیکی تقویت شده(reinforced plastic composites) با متداول ترین کامپوزیت ها متشکل از کامپوزیت های فایبرگلاس/ پلی استر، فایبرگلاس/ اپوکسی، فایبرگلاس/ پلی استر و الیاف کربن ساخته شده اند. نسبت استحکام فشاری به وزن کامپوزیت های الیاف شیشه و فیبر کربن نسبتا بالاتر از مواد دیگر است. همچنین، فایبرگلاس سبک، قوی، ارزان قیمت است، از ویژگی های خستگی خوبی برخوردار است و می تواند در مراحل مختلف تولید مورد استفاده قرار گیرد.
اندازه، نوع و ساخت توربین بادی مورد نیاز شما به کاربرد و توان بستگی دارد. اندازه توربین های کوچک بادی از ۲۰ وات تا ۵۰ کیلووات در مکان های مسکونی برای کاربردهای مختلف از جمله تولید برق برای شارژ باتری و چراغ ها استفاده می شود. انرژی باد یکی از سریعترین منابع در حال رشد انرژی تجدیدپذیر در جهان است زیرا یک منبع انرژی پاک و گسترده توزیع شده است که به وفور یافت می شود، دارای هزینه سوخت صفر و فناوری تولید برق بدون انتشار گاز های گلخانه ای است.
ساخت پره توربین بادی
بیشتر ژنراتورهای توربین بادی مدرن موجود امروزه برای نصب و استفاده در تاسیسات از نوع مسکونی طراحی شده اند. در نتیجه، آنها کوچکتر و سبک تر ساخته شده اند تا آنها را به سرعت و به راحتی بر روی یک سقف یا بر روی یک تیر کوتاه یا برج نصب کنند. نصب ژنراتور توربین جدیدتر به عنوان بخشی از سیستم انرژی باد خانگی به شما این امکان را می دهد که بیشتر هزینه های نگهداری و نصب توربین بلندتر و گران تر مانند گذشته کاهش یابد. برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله توربین بادی خانگی را مطالعه بفرمایید.
برگرفته از مقاله طراحی توربین بادی
