ساختار پایه‌ای توربین بادی

پارچه‌های اصلی توربین بادی

برج توربین بادی

برج بخش بسیار مهم توربین بادی است که تمامی بخش‌های دیگر را پشتیبانی می‌کند. این برج نه تنها توربین را پشتیبانی می‌کند بلکه آن را به ارتفاع کافی بالا می‌برد تا در حین چرخش، انتهای شمش‌های آن در ارتفاع ایمن قرار گیرد. علاوه بر این، ما باید ارتفاع برج را حفظ کنیم تا بتواند باد قوی کافی را دریافت کند. ارتفاع برج به طور نهایی به ظرفیت توان توربین‌های بادی بستگی دارد. ارتفاع برج‌ها در نیروگاه‌های تجاری انرژی بادی معمولاً بین ۴۰ متر تا ۱۰۰ متر متغیر است. این برج‌ها ممکن است از نوع استوانه‌ای فولادی، شبکه‌ای یا بتنی باشند. ما برای توربین‌های بزرگ از برج استوانه‌ای فولادی استفاده می‌کنیم. این برج‌ها معمولاً به طول ۳۰ تا ۴۰ متر ساخته می‌شوند.هر بخش شامل فلانژ‌هایی با سوراخ‌ها است. این بخش‌ها در محل ساخت با پیچ و مهره به هم متصل می‌شوند تا یک برج کامل تشکیل دهند. برج کامل به صورت کمی مخروطی است تا پایداری مکانیکی بهتری فراهم کند. ما یک برج شبکه‌ای را با اجزای مختلف فولادی یا زاویه‌های فولادی یا لوله‌های فولادی می‌سازیم. تمامی اجزا با پیچ و مهره یا جوش به هم متصل می‌شوند تا یک برج کامل با ارتفاع مورد نظر تشکیل شود. هزینه این برج‌ها بسیار کمتر از برج‌های استوانه‌ای فولادی است، اما از نظر ظاهری خوب نیست. اگرچه حمل و نقل، مونتاژ و نگهداری آسان است، اما استفاده از برج‌های شبکه‌ای در نیروگاه‌های توربین بادی مدرن به دلیل ظاهر آنها پرهیز می‌شود. نوع دیگری از برج که برای توربین‌های بادی کوچک استفاده می‌شود، برج ستونی با کابل‌های حامی است. برج ستونی با کابل‌های حامی یک ستون عمودی است که با کابل‌های حامی از سمت‌های مختلف پشتیبانی می‌شود. به دلیل تعداد زیاد کابل‌های حامی، دسترسی به منطقه پایه برج دشوار است. به همین دلیل، از این نوع برج در زمین‌های کشاورزی پرهیز می‌شود.

نوع دیگری از برج توربین بادی که برای نیروگاه‌های کوچک استفاده می‌شود، برج ترکیبی است. برج ترکیبی نیز یک برج ستونی با کابل‌های حامی است، اما تنها تفاوت آن این است که به جای استفاده از یک ستون در وسط، از یک برج شبکه‌ای بلند و نازک استفاده می‌شود. برج ترکیبی ترکیبی از برج‌های شبکه‌ای و ستونی با کابل‌های حامی است.

ناسل توربین بادی

ناسل یک جعبه یا کیوسک بزرگ است که روی برج قرار می‌گیرد و تمامی اجزای توربین بادی را در خود جای می‌دهد. این جعبه شامل ژنراتور الکتریکی، تبدیل‌کننده توان، گیربکس، کنترل‌کننده توربین، کابل‌ها و محرک یاور است.

شمش‌های توربین بادی

شمش‌ها بخش‌های اصلی مکانیکی توربین بادی هستند. شمش‌ها انرژی باد را به انرژی مکانیکی قابل استفاده تبدیل می‌کنند. وقتی باد به شمش‌ها برخورد می‌کند، شمش‌ها چرخش می‌کنند. این چرخش انرژی مکانیکی خود را به محور منتقل می‌کند. شمش‌ها مانند بال‌های هواپیما طراحی می‌شوند. شمش‌های توربین بادی می‌توانند ۴۰ متر تا ۹۰ متر طول داشته باشند. شمش‌ها باید به قدر کافی مقاوم باشند تا بتوانند در طوفان نیز باد قوی را تحمل کنند. در عین حال، شمش‌های توربین بادی باید به حد امکان سبک ساخته شوند تا چرخش آنها را تسهیل کنند. برای این منظور، شمش‌ها با لایه‌های فیبرگلاس و فیبر کربن بر روی تقویت‌کننده‌های مصنوعی ساخته می‌شوند.

در یک توربین مدرن، معمولاً سه شمش یکسان به یک مرکز متصل می‌شوند. هر شمش یکسان به ۱۲۰ درجه نسبت به شمش‌های دیگر می‌باشد. این فرآیند توزیع بهتر جرم را فراهم می‌کند و به سیستم چرخش هموارتری می‌دهد.

محور توربین بادی

محور مستقیماً به مرکز متصل است که محور سرعت پایین نامیده می‌شود. وقتی شمش‌ها چرخش می‌کنند، این محور با همان دور در دقیقه (RPM) چرخش می‌کند. ما این محور را به طور مستقیم به ژنراتور الکتریکی در صورت استفاده از ژنراتور سرعت پایین متصل می‌کنیم. اما در بیشتر موارد، محور سرعت پایین اصلی از طریق گیربکس به محور سرعت بالا متصل می‌شود. به این ترتیب، شمش‌ها انرژی مکانیکی خود را به محور منتقل می‌کنند که در نهایت وارد ژنراتور الکتریکی می‌شود.

گیربکس

توربین بادی با سرعت پایین چرخش می‌کند. اما بیشتر ژنراتور‌های الکتریکی برای تولید برق در سطح ولتاژ مطلوب نیاز به چرخش با سرعت بالا دارند. بنابراین، باید یک سیستم برای افزایش سرعت وجود داشته باشد. گیربکس توربین بادی این کار را انجام می‌دهد. گیربکس سرعت را به مقدار بسیار بالاتری افزایش می‌دهد. برای مثال، اگر نسبت گیربکس ۱:۸۰ باشد و سرعت دور در دقیقه محور سرعت پایین ۱۵ باشد، گیربکس سرعت محور ژنراتور را به ۱۵ × ۸۰ = ۱۲۰۰ دور در دقیقه افزایش می‌دهد.

ژنراتور

ژنراتور دستگاه الکتریکی است که انرژی مکانیکی دریافت شده از محور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. معمولاً در توربین‌های بادی مدرن از ژنراتور‌های القایی استفاده می‌شود. قبلاً ژنراتور‌های همزمان برای این منظور محبوب بودند. ژنراتور‌های DC دائم مغناطیسی نیز در برخی توربین‌های بادی استفاده می‌شوند. سرعت محور می‌تواند با استفاده از گیربکس بالا رفته باشد، اما نمی‌توان سرعت محور را ثابت کرد. ممکن است نوسان در سرعت محور وجود داشته باشد زیرا این سرعت به سرعت باد بستگی دارد. بنابراین، سرعت روتور نیز متفاوت می‌شود. این تغییرات بر فرکانس و ولتاژ انرژی الکتریکی تولید شده تأثیر می‌گذارند. برای رفع این مشکلات، معمولاً از ژنراتور القایی برای این منظور استفاده می‌شود.

به دلیل اینکه ژنراتور القایی همیشه انرژی الکتریکی را به صورت همزمان با شبکه متصل به آن تولید می‌کند، بدون توجه به سرعت روتور. اگر از ژنراتور سه‌فاز همزمان استفاده کنیم، ابتدا توان خروجی را به DC تبدیل می‌کنیم و سپس با استفاده از مدار معکوس‌کننده آن را به AC با ولتاژ و فرکانس مورد نظر تبدیل می‌کنیم. زیرا توان متناوب تولید شده توسط ژنراتور همزمان ثابت نیست و با سرعت روتور متفاوت است. به همین دلیل، در برخی موارد از ژنراتور DC برای این منظور استفاده می‌کنیم. در این موارد، توان DC خروجی از ژنراتور قبل از ارسال به شبکه به AC با ولتاژ و فرکانس مورد نظر تبدیل می‌شود.