آشنای با نیروگاههای بادی
- با گسترش روز افزون صنعت و جوامع بشری نیاز به انرژی الکتریکی بیش از پیش احساس می‌شود. در این بین از یک سو کاهش سوخت‌های فسیلی و لزوم تامین انرژی الکتریکی پایدار، و از سوی دیگر محدودیت‌های زیست محیطی ناشی از تغییرات شرایط جوی محققان و کارشناسان را بر آن داشته است که به شکل ویژه‌ای به تولید انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر روی بیاورند. بدون شک یکی از منابع انرژی‌های نو که به صورت گسترده‌ای توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است، انرژی باد و استخراج الکتریسته از آن است. این امر موجب شکل‌گیری نسل جدیدی از واحدی‌های تولید انرژی الکتریکی به نام نیروگاههای بادی یا مزارع بادی شده است که در این مقاله به آنها پرداخته می‌شود
نیروگاههای بادی (Wind Farms or Wind Parks or Wind Power Plants) که از آنها به عنوان مزارع بادی هم یاد می‌شود با داشتن مجموعه‌ای از توربین‌های بادی در یک مکان، برق تولید می‌کنند. محل قرارگیری نیروگاه بادی تحت تاثیر عواملی مانند شرایط باد، زمین اطراف، دسترسی به خطوط انتقال نیرو و سایر ملاحظات مکانی است. در یک نیروگاه بادی که در مقیاس بهره‌برداری قرار دارد، هر توربین بادی الکتریسیته تولید می‌کند که به یک پست برق می‌رود و سپس به شبکه سراسری منتقل می‌شود. به طور کلی، برای استخراج انرژی الکتریکی یک واحد بادی متشکل از چهار جز اصلی به شکل زیر است که در ادامه به بررسی، تجزیه و تحلیل هر بخش پرداخته می‌شود.
- مجموعه توربین‌های بادی
- ترانسفورماتورهای افزاینده
- پست افزاینده
- خطوط انتقال نیرو
مجموعه توریبن‌های بادی
شاید یکی از مهمترین بخش‌های هر نیروگاه بادی، توربین‌های باشند که بواسطه آنها انرژی باد به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. لذا آشنایی با توربین‌های بادی و رفتار باد، اولین گام در درک عمیق‌تر و بهتر عملکرد واحدهای بادی است که در این بخش به آنها اشاره می‌شود.
به طور کلی دو نوع اصلی توربین بادی وجود دارد:
-
- توربین بادی با محور افقی: توربین‌های بادی با محور افقی رایج‌ترین و کارآمدترین نوع توربین‌های بادی هستند. آنها به طور معمول از سه تیغه ساخته می‌شوند. اجزای اصلی (مانند ژنراتور) در بالای توربین قرار دارند.
- توربین بادی با محور عمودی: توربین‌های بادی با محور عمودی همانطور که از نام آنها پیداست، دارای شفت روتور عمودی هستند و ظاهر آنها با توربین‌های بادی با محور افقی بسیار متفاوت است. توربین‌های بادی با محور عمودی همه‌جانبه هستند، و بنابراین برای مواجهه با باد نیازی به تنظیم ندارند که این نکته می‌تواند در مکان‌هایی با جهت باد بسیار متغیر، مفید باشد. با این حال، استفاده از این نوع توربین بسیار محدود است زیرا از نظر مقاومت هوا کارایی کمتری دارند. در این نوع توربین‌ها، اجزای اصلی در پایه قرار دارند.
باید توجه داشت که شکل بالا یک توربین بادی با محور افقی را نشان می‌دهد. هر یک از اجزای اصلی یک توربین بادی با محور افقی در زیر به اختصار توضیح داده شده است.
- تیغه‌ها: تیغه‌های روتور از فایبرگلاس ساخته شده‌اند و یک توربین بادی معمولی دارای سه تیغه است. یک تیغه توربین بادی معمولاً بیش از ۱۷۰ فوت طول دارد. عملکرد تیغه‌ها شبیه به ایرفویل است زیرا باد در سراسر تیغه‌های روتور جریان می‌یابد، فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش پیدا می‌کند و اختلاف فشار هوا در سراسر تیغه باعث افزایش و کشش می‌شود. نیروی بالابر بیشتر از نیروی کشش است که، در نهایت، تیغه را به حرکت در می‌آورد.
- ناسل: ناسل بخشی از یک توربین بادی است که بر روی برج قرار می‌گیرد و، اجزای الکتریکی و مکانیکی توربین را در خود جای می‌دهد. همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، در داخل ناسل، ترمزها، شفت‌های سرعت پایین و سرعت بالا، گیربکس و ژنراتور قرار دارند. تجهیزات توزیع برق، سیستم انحراف (که در بعضی از توربین‌ها به کار می‌رود) و کنترلر در این شکل نشان داده نشده‌اند. به علاوه، بادگیر و بادسنج هم به ناسل متصل شده‌اند. وظیفه بادگیر این است که با اندازه‌گیری جهت باد و برقراری ارتباط با سایر قسمت‌های توربین، بر اساس جهت باد توربین را تنظیم کند. بادسنج سرعت باد را اندازه‌گیری می‌کند و داده ها را به کنترل کننده انتقال می‌دهد.
- روتور هاب: روتور هاب یا توپی روتور در واقع رابط مکانیکی بین تیغه‌های روتور و یاتاقان محور اصلی است.
- برج: برج تکیه‌گاه ناسل را فراهم و سازه را از طریق فونداسیون به زمین متصل می‌کند. برج معمولاً از فولاد لوله‌ای ساخته شده است و، از طریق آن می‌توان به ناسل و همچنین کابل‌های الکتریکی بین ناسل و ترانسفورماتور دسترسی یافت.
- ترانسفورماتور: ترانسفورماتور که در پایه برج (یا درون برج) قرار می‌گیرد، انرژی الکتریکی تولید شده توسط مجموعه توربین – ژنراتور را که در ولتاژ پایین قرار دارد به برق با ولتاژ بالاتر برای انتقال تبدیل می‌کند.
- فونداسیون: فونداسیون یک جزء کلیدی برای توربین‌های بادی به شمار می‌آید و ساختاری بتنی است که برج را به زمین متصل می‌کند. اندازه فونداسیون بر اساس ابعاد و وزن تمامی اجزای توربین بادی و همچنین نیروهای فشاری و بالابرنده ناشی از باد و چرخش تیغه‌های روتور تعیین می‌شود. بسته به اندازه توربین و یا شرایط ژئوتکنیکی، فونداسیون ممکن است شامل شمع‌ها یا پایه‌های حفاری شده باشد.
جمع بندی
با توجه به گسترش روزافزون صنعت و نیاز به تامین انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر، نیروگاههای بادی به شکل ویژه مورد توجه سیاست‌گذاران و مدیران بخش انرژی قرار گرفته‌اند. در این مقاله، به بررسی ساختمان و اجزای اصلی تشکیل‌دهنده یک نیروگاه بادی پرداخته شد. همچنین با معرفی انواع نیروگاههای بادی متداول، به مزایا و معایب کلی واحدهای بادی اشاره شد. در نهایت، می‌توان نتیجه گرفت که نیروگاههای بادی در آینده‌ای نه چندان دور به عنوان یکی از مهمترین منابع تولید انرژی الکتریکی توسعه خواهند یافت.
