توربينات باد هم‌محور و عمودی محور: مقایسه

بیش‌از‌مقدار انرژی بادی منبع قابل تجدید و پاکی از انرژی است که می‌تواند باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و وابستگی به سوخت‌های فسیلی شود. توربین‌های بادی دستگاه‌هایی هستند که انرژی جنبشی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. دو نوع اصلی توربین بادی بر اساس جهت محور آنها وجود دارد: محوری افقی و محوری عمودی.

توربین بادی محوری افقی چیست؟

توربین بادی محوری افقی (HAWT) به عنوان یک توربین بادی تعریف می‌شود که محور چرخش آن موازی با زمین است. HAWTs نوع رایج‌ترین توربین‌های بادی برای تولید برق در مقیاس بزرگ هستند. معمولاً سه بال دارند که شبیه پروپلاهای هواپیما هستند، اگرچه بعضی از آنها ممکن است دو یا یک بال داشته باشند.

اجزای اصلی یک HAWT عبارتند از:

• روتور، که شامل بال‌ها و هاب است که آنها را به محور متصل می‌کند.

• ناسل که نیروگاه، گیربکس، ترمز، سیستم یاو و سایر اجزای مکانیکی و الکتریکی را در خود جای داده است.

• برج که ناسل و روتور را حمایت می‌کند و آنها را از زمین بلند می‌کند تا بتوانند بیشتر باد را جذب کنند.

• پایه که برج را به زمین متصل می‌کند و بارهای ناشی از توربین بادی را منتقل می‌کند.

اصطلاح کاری یک HAWT بر اساس لیفت که نیرویی است که یک شیء را به بالا می‌برد وقتی هوایی روی سطح آن حرکت می‌کند. بال‌های یک HAWT شکلی مشابه با بال‌های هواپیما دارند که وقتی باد می‌وزد فشار متفاوتی بین سطح بالایی و پایینی آنها ایجاد می‌کنند. این تفاوت فشار باعث می‌شود بال‌ها حول محور افقی چرخانده شوند که در نتیجه محور و نیروگاه را به حرکت در می‌آورد تا برق تولید کند.

صفحه روتور یک HAWT باید با جهت باد همسو باشد تا کارایی آن به حداکثر برسد. بنابراین، یک HAWT دارای سنسور باد و سیستم یاو است که جهت ناسل را بر اساس جهت باد تنظیم می‌کنند. یک HAWT همچنین دارای سیستم پیچشی است که زاویه حمله بال‌ها را تغییر می‌دهد تا سرعت چرخش و خروجی قدرت آنها را کنترل کند.

مزایای HAWTs عبارتند از:

• آنها کارایی بیشتری نسبت به توربین‌های بادی محوری عمودی (VAWTs) دارند زیرا می‌توانند با کمترین مقاومت بیشتر انرژی باد را جذب کنند.

• آنها نوسان گشتاور و تنش مکانیکی کمتری نسبت به VAWTs دارند زیرا در هر دور چرخش تغییرات کمتری در نیروهای آئرودینامیکی دارند.

• آنها می‌توانند در دریا روی پلتفرم‌های شناور یا مبنای ثابت نصب شوند، جایی که سرعت باد بیشتر و مطمئن‌تر است.

معایب HAWTs عبارتند از:

• آنها به برج بلند و مساحت زمین زیادی نیاز دارند تا از توربولانس و تداخل ناشی از ساختارهای یا زمین‌های نزدیک جلوگیری کنند.

• آنها نصب و نگهداری پرهزینه‌تر و پیچیده‌تری نسبت به VAWTs دارند زیرا اجزای متحرک و الکتریکی بیشتری دارند.

• آنها در مقابل بادهای قوی، طوفان‌ها، صاعقه‌ها، پرندگان یا یخ آسیب‌پذیرتر هستند.

توربین بادی محوری عمودی چیست؟

توربین بادی محوری عمودی (VAWT) به عنوان یک توربین بادی تعریف می‌شود که محور چرخش آن عمودی یا عمود بر زمین است. VAWTs کمتر رایج از HAWTs هستند، اما برای کاربردهای کوچک‌مقیاس و شهری مزایایی دارند. معمولاً دو یا سه بال دارند که مستقیم یا منحنی هستند.

اجزای اصلی یک VAWT عبارتند از:

• روتور، که شامل بال‌ها و محور عمودی است که آنها را به نیروگاه متصل می‌کند.

• نیروگاه که انرژی مکانیکی روتر را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

• پایه که روتر و نیروگاه را حمایت می‌کند و آنها را به زمین متصل می‌کند.

اصطلاح کاری یک VAWT بر اساس مقاومت است که نیرویی است که حرکت یک شیء را وقتی هوایی روی سطح آن حرکت می‌کند مخالفت می‌کند. بال‌های یک VAWT متقارن یا نامتقارن هستند که مقدار متفاوتی از مقاومت را وقتی با جهت باد مواجه می‌شوند یا در مقابل آن قرار می‌گیرند ایجاد می‌کنند. این تفاوت مقاومت باعث می‌شود بال‌ها حول محور عمودی چرخانده شوند که در نتیجه نیروگاه را به حرکت در می‌آورد تا برق تولید کند.

صفحه روتور یک VAWT نیازی به همسویی با جهت باد ندارد زیرا می‌تواند باد را از هر جهتی جذب کند. بنابراین، یک VAWT سیستم یاو یا سنسور باد ندارد. با این حال، یک VAWT ممکن است دارای سیستم پیچشی باشد که زاویه حمله بال‌ها را تغییر می‌دهد تا سرعت چرخش و خروجی قدرت آنها را کنترل کند.

مزایای VAWTs عبارتند از:

• آنها هزینه‌های نصب و نگهداری کمتری نسبت به HAWTs دارند زیرا اجزای متحرک و الکتریکی کمتری دارند.

• آنها سطح نویز کمتری نسبت به HAWTs دارند زیرا با سرعت کمتری چرخ می‌کنند.

• آنها می‌توانند روی سقف‌ها یا نزدیک ساختمان‌ها نصب شوند زیرا ارتفاع و مساحت کمتری نسبت به HAWTs دارند.

معایب VAWTs عبارتند از:

• آنها کارایی کمتری نسبت به HAWTs دارند زیرا مقاومت بیشتری و لیفت کمتری دارند.

• آنها نوسان گشتاور و تنش مکانیکی بیشتری نسبت به HAWTs دارند زیرا در هر دور چرخش تغییرات بیشتری در نیروهای آئرودینامیکی دارند.

• آنها نمی‌توانند در دریا نصب شوند زیرا کمتر پایدار و دوام‌دار از HAWTs هستند.

نوع‌های توربین بادی محوری عمودی

دو نوع اصلی VAWTs بر اساس طراحی بال‌ها وجود دارد: Darrieus و Savonius.

توربین‌های Darrieus

توربین‌های Darrieus یک نوع VAWT هستند که بال‌های منحنی دارند که شبیه یک تخم‌باز یا تروکوئید هستند. این توربین‌ها توسط مهندس فرانسوی ژرژ داریوس در سال ۱۹۳۱ اختراع شدند. توربین‌های Darrieus از لیفت و مقاومت برای چرخش بال‌های خ