ساختار پایه‌ای توربین بادی

بخش‌های اصلی توربین بادی

برج توربین بادی

برج بخش بسیار مهم توربین بادی است که تمام بخش‌های دیگر را پشتیبانی می‌کند. نه تنها توربین را پشتیبانی می‌کند، بلکه آن را به ارتفاع کافی بالا می‌برد تا لبه‌های پره‌ها در حین چرخش در ارتفاع ایمن باشند. علاوه بر این، باید ارتفاع برج را به گونه‌ای حفظ کنیم که بتواند باد قوی کافی را دریافت کند. ارتفاع برج در نهایت 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 یا برج‌های استوانه‌ای فولادی، یا برج‌های شبکه‌ای، یا برج‌های بتنی باشند. ما از برج‌های استوانه‌ای فولادی برای توربین‌های بادی بزرگ استفاده می‌کنیم. این‌ها معمولاً در بخش‌هایی به طول ۳۰ تا ۴۰ متر ساخته می‌شوند.هر بخش دارای فلانژ‌هایی با سوراخ است. چنین بخش‌هایی با مهر و موم در محل ساخته شده و به یک برج کامل تبدیل می‌شوند. برج کامل شکل مخروطی کمی دارد تا پایداری مکانیکی بهتری ارائه دهد. ما یک برج شبکه‌ای را با اعضای مختلف فولاد یا زاویه‌های فولاد یا لوله‌های GI مونتاژ می‌کنیم. تمام اعضا با مهر و موم یا جوشکاری به یکدیگر 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 به خوبی برج‌های استوانه‌ای فولادی نیست. اگرچه حمل و نقل، مونتاژ و نگهداری آن‌ها بسیار آسان است، اما استفاده از برج‌های شبکه‌ای در نیروگاه‌های توربین بادی مدرن به دلیل ظاهر آن‌ها اجتناب می‌شود. نوع دیگری از برج که برای توربین‌های بادی کوچک استفاده می‌شود، برج ستونی با سیم‌پیچ است. برج ستونی با سیم‌پیچ یک ستون عمودی واحد است که با سیم‌های پشتیبان از سوی‌های مختلف پشتیبانی می‌شود. به دلیل تعداد زیاد سیم‌های پشتیبان، دسترسی به منطقه پایه برج دشوار است. به همین دلیل، از این نوع برج در زمین‌های کشاورزی اجتناب می‌شود.

نوع دیگری از برج توربین بادی که برای نیروگاه‌های کوچک استفاده می‌شود، برج ترکیبی است. برج ترکیبی نیز یک برج با سیم‌پیچ 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 برج‌های با سیم‌پیچ است.

ناکله توربین بادی

ناکله یک جعبه یا کیوسک بزرگ است که روی برج قرار دارد و تمام اجزای توربین بادی را در خود جای داده است. در آن ژنراتور الکتریکی، تبدیل‌کننده توان، گیربکس، کنترل‌کننده توربین، کابل‌ها و محرک یو را می‌یابیم.

پره‌های توربین بادی

پره‌ها بخش‌های اصلی مکانیکی یک توربین بادی هستند. پره‌ها انرژی باد را به انرژی مکانیکی قابل استفاده تبدیل می‌کنند. وقتی باد به پره‌ها برخورد می‌کند، پره‌ها چرخیده و این چرخش انرژی مکانیکی خود را به محور منتقل می‌کند. پره‌ها مانند بال‌های هواپیما طراحی شده‌اند. طول پره‌های توربین بادی می‌تواند از ۴۰ متر تا ۹۰ متر متغیر باشد. پره‌ها باید از نظر مکانیکی به اندازه کافی مقاوم باشند تا بتوانند در برابر باد قوی حتی در طوفان مقاومت کنند. در عین حال، پره‌های توربین بادی باید به حد امکان سبک باشند تا چرخش پره‌ها را تسهیل کنند. برای این منظور، پره‌ها را با لایه‌های فیبرگلاس و فیبر کربن روی تقویت‌کننده سنتتیک ساخته می‌شوند.

در یک توربین مدرن، معمولاً سه پره یکسان به یک مرکز اصلی با مهر و موم متصل می‌شوند. هر پره یکسان در ۱۲۰° نسبت به یکدیگر هم‌خط هستند. این فرآیند توزیع بهتر جرم و چرخش صاف‌تر سیستم را فراهم می‌کند.

محور توربین بادی

محور مستقیماً به مرکز متصل است و یک محور با سرعت پایین است. وقتی پره‌ها چرخیده، این محور با همان دور در دقیقه (RPM) چرخیده. ما این محور را مستقیماً به ژنراتور الکتریکی در صورت وجود ژنراتور با سرعت پایین متصل می‌کنیم. اما در اغلب موارد، محور اصلی با سرعت پایین از طریق یک گیربکس به یک محور با سرعت بالا متصل می‌شود. به این ترتیب، پره‌های چرخان انرژی مکانیکی خود را به محور منتقل می‌کنند که در نهایت وارد ژنراتور الکتریکی می‌شود.

گیربکس

توربین بادی با سرعت پایین چرخیده و نه با سرعت بالا. اما بیشتر ژنراتورهای الکتریکی برای تولید برق در سطح ولتاژ مطلوب به چرخش با سرعت بالا نیاز دارند. بنابراین باید یک ترتیب برای چند برابر کردن سرعت وجود داشته باشد تا سرعت بالاتر محور ژنراتور به دست آید. 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 RPM محور اصلی با سرعت پایین ۱۵ باشد، گیربکس سرعت محور ژنراتور را به ۱۵ × ۸۰ = ۱۲۰۰ RPM افزایش می‌دهد.

ژنراتور

ژنراتور دستگاه الکتریکی است که انرژی مکانیکی دریافتی 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. ژنراتور DC دائمی نیز در برخی توربین‌های بادی استفاده می‌شود. سرعت محور می‌تواند با استفاده از مجموعه گیربکس بالا رفته، اما نمی‌توان سرعت محور را ثابت کرد. ممکن است در سرعت محور نوسانی باشد چون به سرعت باد بستگی دارد. بنابراین، سرعت روتور نیز متفاوت می‌شود. این تغییرات بر فرکانس و ولتاژ برق تولید شده تأثیر می‌گذارد. برای غلبه بر این مشکلات، معمولاً از ژنراتور القایی استفاده می‌کنیم.

چون ژنراتور القایی همیشه برق الکتریکی را به گرید متصل شده تولید می‌کند، صرف‌نظر از سرعت روتور. اگر از ژنراتور همزمان سه‌فاز 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. چون توان متناوب تولید شده توسط ژنراتور همزمان در ولتاژ و فرکانس ثابت نیست، بلکه 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 گرید به AC با ولتاژ و فرکانس مورد نظر معکوس می‌شود.