آشنایی با انرژی بادی

توربین بادی با محور افقی

روتور

روتور توربین بادی شامل پره، هاب، دماغه و یاتاقان‌های پره می‌باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می‌باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می‌گیرد نصب شده‌اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می‌دهند که عمود بر جهت باد دوران می‌کند. معمولا روتور توسط بک برج در ارتفاع مناسبی نسبت به زمین قرار می‌گیرد و البته پیش بینی‌های لازم برای هم جهت شدن امتداد شفت با جهات مختلف باد و همچنین برای کنترل سرعت آن صورت می‌گیرد و قدرت جذب شده توسط این روتور مستقیما و یا توسط یک سیستم مکانیکی به ماشینی که قرار است رانده شود منتقل می‌گردد.

پره‌های روتور معمولا مطابق یکی از آئروفویل‌های استاندارد انتخاب می‌شوند که مشخصه‌های آئرودینامیکی پروفیل آن‌ها شناخته شده است. تعداد پره‌ها معمولا متغیر بوده و پهنای پره (کورد) ممکن است در تمام طول پره‌ها ثابت و یا آنکه متغیر باشد و پره از هاب به سمت نوک باریک شود. ضمنا پره ممکن است در امتداد محور طولی تاب داشته باشد یا اصطلاحا پیچیده باشد و بالاخره گام پره ممکن است ثابت و یا متغیر باشد.

مطابق با شکل زیر روتور را می‌توان پائین دست برج (پشت به باد) و یا بالا دست برج (رو به باد) نسبت به جریان تعبیه نمود.

یکی از مزایای تعبیه روتور پشت به باد جلوگیری از برخورد پره‌ها بخصوص پره‌های قابل ارتجاع به پایه برج می‌باشد و همچنین می‌توان طول شفت روتور را حتی المقدور کوتاه انتخاب نمود.

مهمترین مزیت این عمل این است که می‌توان برای کاهش تنش در ریشه پره‌ها آن‌ها را به سمت پائین دست جریان متمایل ساخت که در آن صورت روتور به شکل مخروط درآمده و اصطلاحاً کونیک می شود.

به این ترتیب ممان نیروی باد حول ریشه پره با ممان ناشی از نیروی گریز از مرکز تقریبا متعادل می‌شود. البته پره بعضی از توربین‌های بزرگ بگونه‌ای روی هاب تعبیه می‌شوند که قابلیت جابجایی داشته باشند بطوریکه بسته به شدت باد و یا سرعت دورانی بهترین مخروط ممکن را بوجود بیاورند. روتور توربین بادی شامل پره- هاب- دماغه و یاتاقان‌های پره می‌باشد.

پره

یکی از مهمترین بخش‌های توربین بادی بوده و وظیفه‌ی آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره به گونه‌ای ساخته می‌شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد. پره‌های توربین بادی، انرژی باد را به واسطه‌ی کم کردن سرعت باد از آن می‌گیرند و می‌چرخند. کاهش سرعت باد و ازدیاد سرعت پره‌های روتور با اعمال نیرو بر روی باد از طریق پره و بالعکس از طریق باد برروی پره صورت می‌گیرد.

 امروزه بیشتر، توربین‌ها با دو یا سه پره متداول می‌باشند. با افزایش تعداد پره‌ها شدت ارتعاشات کاهش می‌یابد و در توربین‌های با سه پره در مقایسه با توربین‌های دو پره میزان سر و صدا و استحلاک کمتر می‌باشد.

هنگامی که جسمی در مقابل حرکت سیال قرار می‌گیرد نیرویی از طرف سیال به آن وارد می‌شود که می‌توان آن‌ را به دو نیرو تجزیه کرد. یک نیرو در جهت سرعت سیال و دیگری در جهت عمود بر آن خواهد بود. نیروی اعمالی در جهت سیال به نیروی درگ یا پسا و نیروی عمود بر آن به نیروی لیفت یا برا معروف است. درگ نیرویی بازدارنده است که در اثر حرکت سیال حول جسم به وجود می‌آید و نیروی لیفت ماهیت بالابرندگی دارد. نیروی درگ عامل چرخش پره در توربین‌های بادی محور قائم می‌باشد.

بر خلاف توربین‌های محور قائم عامل اصلی ایجاد گشتاور لازم برای چرخش پره در توربین‌های محور افقی نیروی لیفت می‌باشد. برای درک بهتر علت چرخش پره توربین، به عنوان مثال بال یک هواپیما را در نظر می‌گیریم. باد با سرعت نسبی v و زاویه حمله ۵ درجه حدودا به بال هواپیما برخورد می‌کند. مقطع (آیرودینامیکی) بال باعث می‌شود که باد در قسمت فوقانی آن با سرعت بیشتری نسبت به قسمت تحتانی آن عبور نماید. بر اساس قانون برنولی این پدیده سبب ایجاد نیروی لیفت و در نتیجه برخاستن هواپیما می‌شود.

قانون برنولی:

جریان‌های هوا باید در یک زمان به هم برسند و چون مسافتی که هوا در قسمت فوقانی بال طی می‌کند بیشتر است، پس باید سرعت جریان هوا بیشتر باشد تا جریان‌های هوای فوقانی و تحتانی بال در یک زمان به هم برسند و بنابر قانون برنولی، وقتی که V1 بیشتر شود، باید P1 کمتر شود تا جواب معادله برنولی درست باشد. در نتیجه فشار هوا در قسمت فوقانی بال کمتر شده و هواپیما به بالا صعود می‌کند.

P + 0.5 ρ V^² + ρgh = cte

P1 + 0.5 ρ V1^² = P 2 + 0.5 ρV2^²

حال از مثال بال هواپیما به پره توربین بادی باز می گردیم. بدلیل گردش پره، جهت باد نسبی که به پره توربین برخورد می نماید مشابه بال هواپیما می باشد.

موقعیت پره (زاویه γ) به گونه‌ای است که نیروی لیفت سبب حرکت پره در مسیر گردش شده و نیرو از پره به شفت توربین انتقال می‌یابد. باید توجه داشت که مسیر باد نسبی، به دلیل حرکت پره، با مسیر باد مستقیم متفاوت می‌باشد.در شکل این مسیر با زاویه Ф نشان داده شده است که برابر با مجموع زوایای حمله (α) و (γ) می‌باشد.

بدلیل افزایش سرعت باد نسبی از ریشه به سمت نوک پره، طراحی مقطع پره از اشکال استاندارد هواپیما به طراحی‌های خاص توربین‌های بادی ارتقاء یافته است.

سرعت گردش پره:

پره با سرعت گردش کند سبب عبور باد از فضاهای خالی بین پره‌ها شده و در نتیجه بازده روتور کاهش می‌یابد. از طرف دیگر سرعت بسیار بالای گردش پره سبب ایجاد مانع در مقابل باد و ناکارآمدی گردش پره می‌شود. در نتیجه سرعت مناسب مابین سرعت پایین و سرعت بسیار بالای پره، که به سرعت بهینه معروف است، می‌باشد.

طراحی پره:

نیروهای لیفت و درگ با ضرایب لیفت و درگ مشخص می‌گردند.

Lift = Cl (ρ/۲) Aν²

Drag = Cd (ρ/۲) Aν²

Cd , C1 ضرایب لیفت و درگ می‌باشند. ρ وزن مخصوص سیال و A سطح جارو شده توسط پره در مقابل سیال (باد) و ν سرعت سیال (باد) می‌باشد. ضرایب لیفت و درگ برای اشکال هندسی رایج به صورت جداول اطلاعاتی در دسترس می‌باشند. این ضرایب با تو جه به شکل هندسی سطح مقطع پره و زاویه حمله ( α) که باد در آن زاویه به پره برخورد می‌کند محاسبه می‌شوند.

در طراحی‌ها جهت به دست آوردن حداکثر بازده باید سعی شود زاویه حمله‌ای ( α) انتخاب گردد که در آن نسبت ضریب لیفت به درگ بالاتری داشته باشیم. همانگونه که از روابط بالا مشخص است با افزایش  یا کاهش سطح مقطع پره نیروهای لیفت و درگ افزایش یا کاهش می‌یابند. با بیشتر شدن وزن مخصوص هوا نیروی درگ افزایش می‌یابد. هوای سردتر باعث تولید نیروی درگ بزرگتری می‌شود. برای کاهش نیروی درگ می‌توان از سطوح صاف و تمیزتری استفاده کرد.

همانطور که اشاره شد راندمان هنگامی ماکزیمم خواهد بود که لیفت حداکثر و درگ حداقل باشد. با توجه به رابطه زیر می‌توان دریافت که سرعت محیطی در طول پره متفاوت است.

v = 2 п r N

V سرعت المانی از پره در شعاع ґ

N سرعت دورانی مشخص

r شعاع یا فاصله از ریشه

در نتیجه با افزایش فاصله از ریشه یا هاب سرعت محیطی افزایش می‌یابد و بالاخره در نوک به حداکثر می‌رسد. پس در بادی به سرعت V که به طور یکنواخت روی روتور توزیع شده باشد مقدار و زاویه سرعت نسبی باد (زاویه حمله) با شعاع ґ تغییر می‌کند و این امر بدان معناست که نیروی لیفت نیز به ازای واحد سطح پره به ґ بستگی خواهد داشت.

برای تعیین شکل اپتیمم پره توربین‌های محور افقی بهینه نمودن المان‌هایی مستقل در امتداد شعاع روتور جهت اخذ حداکثر انرژی ممکن است، که نتیجه این عمل تغییرات کورد (پهنای پره) خواهد بود.

با توجه به مطالعات انجام شده نتیجه می‌شود که پره باید از ریشه به سمت نوک باریک شود و ضمنا حول محور طولی بتابد. باید اشاره کرد که قسمت‌های ابتدایی و نزدیک به هاب نسبت به قسمتهای انتهایی پره نقش کمتری در کسب انرژی ایفا می‌کنند، زیرا سطح جارو شده به ازای واحد طول پره برای قسمت‌های ابتدایی پره کمتر از قسمت‌های انتهایی می‌باشد.

پره‌های مربع مستطیل و مسطحی که پهنای آنها (کورد) در سرتاسر طول پره ثابت بوده ارزانتر و میزان انرژی قابل حصول کمتری دارند.

مشخصه ضریب قدرت روتورهای بادی را بر حسب نسبت سرعت نو ک بیان می‌کنند که V سرعت باد در بالا دست جریان می‌باشد. مقدار بهینه نسبت سرعت نوک برای روتورهای پرپره

حدود ۱ و برای روتورهای آسیاب‌های سنتی چهار پره حدود ۲.۵ و برای روتورهای سریع و مدرن حدود ۶ یا بیشتر می‌باشد. ضمنا اگر بتوان سرعت روتور را متناسب با سرعت باد کنترل نمود، همواره از ضریب قدرت ماکزیمم برخوردار خواهیم بود.

جهت حداکثر رساندن راندمان، پره را با مقطع منحنی شکل طراحی کرده و لبه پشتی پره به صورت تیز و لبه جلویی آن به صورت منحنی شکل ساخته می‌شود. همچنین جهت حداقل رساندن نیروی درگ، سطح پره باید صاف باشد..

در سال‌های گذش ته پره‌ها اشکال گوناگونی داشته‌اند که هر یک دارای ضعف‌هایی بوده و بتدریج پره‌ها اشکال آیرودینامیکی امروز را بدست آورده‌اند.

با این نوع طراحی نیروی لیفت افزایش و نیروی درگ کاهش می‌یابد. پره‌ها را از چوب، آلومینیوم، فایبر گلاس تقویت شده، فولاد و یا ترکیبی از این مواد می‌سازند. چوب اغلب برای ساختن پره توربین‌های بادی کوچک بطور یکپارچه مورد استفاده قرار می‌گیرد، بدین ترتیب که آنرا به شکل مناسب تراشیده و با پیچ‌های فولادی به هاب متصل می‌کنند.

برای توربین‌های بزرگ‌تر، چوب بصورت تخته چندلا یا ورقه‌های نازک به ضخامت تقریبی سه میلیمتر که بطور مناسب برروی یکدیگر متصل می‌گردند، استفاده می‌شود. پره‌های چوبی از خواص خوبی برخوردارند، اما باید حتما ضد آب شوند، زیرا رطوبت موجب متورم ش‌دن چوب می‌شود که نه تنها بر شکل هندسی پره و نتیجتا مشخصه آئرودینامیکی اثر می‌گذارد، بلکه موجب عدم توازن و گاه ایجاد ترک در پره‌ها نیز می‌گردد.

معمولا برای حفاظت پره‌های چوبی در برابر رطوبت، آن‌ها را با ورقه‌ای از فایبر گلاس، رزین و یا مواد مناسب دیگر می‌پوشانند. آلیاژهای آلومینیوم نیز برای ساخت پره ماشین‌های کوچکی که کورد ثابتی دارند بکار می روند. اخیرا فایبرگلاس تقویت شده که از استحکام و قابلیت شکل‌پذیری خوبی برخوردار است مورد توجه تولیدکنندگان قرار گرفته است، بطوریکه پره اکثر توربین‌های کوچک و متوسط امروزی از این جنس ساخته می‌شوند.

گاهی پره‌های مرکب از فایبرگلاس و فولاد نیز مشاهده می شود. خصوصیت خستگی فابیرگلاس تقویت شده بهتر از آلیاژهای فلزی است و ضمنا مقاومت خوردگی آنها بسیار خوبست.

پره روتورهای بادی خیلی بزرگ بصورت تلفیق آلیاژهای آلومینیوم و فولاد ساخته می‌شوند. باید توجه داشت که در مناطق نزدیک دریا پاشش نمک می‌تواند عامل نگران کننده‌ای برای این نوع پره‌ها باشد، زیرا در شرایط دریایی فولاد دیگر حد تحملی (بیش‌ترین تنشی که جسم علیرغم دفعات تکرار و تغییر تنش تحمل می‌نماید) نخواهد داشت و بالاخره پره توربین‌های پرپره از ورقه‌های گالوانیزه ساخته می‌شوند.

• پیشگفتار و تعریف باد
• اثرات اقتصادی برق بادی و توسعه جهانی و بهره گیری از پتانسیل عظیم برق بادی
• مطالعات امکان‌سنجی احداث نیروگاه بادی و نحوه آرایش توربین های بادی
• انرژی باد و توربین های بادی + نیروگاه های بادی
• توربین های بادی، انواع توربین بادی و دکل باد سنجی
• توربین بادی با محور افقی- روتور و پره
• توربین بادی با محور افقی- برج، ناسل، سیستم انتقال قدرت، گیربکس، ترمز، سیستم کنترل و سیستمهای هیدرولیک
• هزینه های زیست محیط، انرژی بادی در ایران و سخن پایانی