توربین های بادی بر اساس یک اصل ساده کار می کنند: به جای استفاده از برق برای ایجاد باد – مانند فن – توربین های بادی از باد برای تولید برق استفاده می کنند. پره های توربین های بادی با وزش باد می چرخند. گردش پره‌ها محور درونی روتور را می‌چرخاند و بعد از تبدیل گشتاور به سرعت دورانی گیربکس، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.
باد نوعی انرژی خورشیدی است که از ترکیب سه رویداد همزمان ایجاد می شود:
- خورشید بطور ناموزون جو را گرم می کند
- بی نظمی های سطح زمین
- چرخش زمین
الگوها و سرعت جریان باد در مکان های مختلف بسیار متفاوت است و توسط آبها، پوشش گیاهی و نوع زمین تغییر می کند. انسانها از این جریان باد یا انرژی حرکت برای اهداف زیادی استفاده می کنند: قایقرانی، پرواز با بادبادک و حتی تولید برق.
اصطلاحات “انرژی باد” و “قدرت باد” هر دو فرایندی را توصیف می کنند که طی آن از باد برای تولید قدرت مکانیکی یا الکتریسیته استفاده می شود. از این توان مکانیکی می توان برای کارهای خاص (مانند آسیاب دانه یا پمپاژ آب) استفاده کرد یا یک ژنراتور می تواند این قدرت مکانیکی را به برق تبدیل کند.
یک توربین بادی انرژی باد را با استفاده از نیروی آیرودینامیکی پره های روتور، که مانند بال هواپیما یا تیغه روتور هلیکوپتر عمل می کند، به برق تبدیل می کند. هنگامی که باد بر روی تیغه جریان می یابد، فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می یابد.
تفاوت فشار هوا در دو طرف تیغه باعث ایجاد نیروی بالابر (نیروی عمود بر سطح) و درگ (موازی با سطح) می شود. نیروی بالابر قوی تر از درگ است و این باعث چرخش روتور می شود. روتور به طور مستقیم به ژنراتور متصل می شود (اگر توربین مستقیم باشد) یا از طریق یک شفت و یک سری چرخ دنده (گیربکس) که سرعت چرخش را افزایش می دهد و یک ژنراتور فیزیکی کوچکتر را امکان پذیر می کند. این انتقال نیروی آیرودینامیکی به چرخش ژنراتور باعث ایجاد الکتریسیته می شود.
انواع توربین های بادی:
اکثر توربین های بادی به دو نوع اصلی تقسیم می شوند:
توربین های با محور افقی: توربین های بادی محور افقی همان چیزی است که بسیاری از مردم هنگام فکر کردن به توربین های بادی تصور می کنند. به طور معمول، آنها دارای سه تیغه هستند و “در جهت باد” عمل می کنند و توربین در بالای برج می چرخد، بنابراین تیغه ها به سمت باد حرکت می کنند.
توربین های با محور عمودی: توربین های بادی محور عمودی در انواع مختلفی وجود دارند، از جمله مدل Darrieus به سبک تخم مرغ، که از نام مخترع فرانسوی آن گرفته شده است.
این توربین ها همه جهته هستند، به این معنی که برای کارکردن نیازی به تنظیم آنها به سمت باد ندارند.
توربین های بادی را می توان در خشکی یا دور از در آبهای بزرگ مانند اقیانوس ها و دریاچه ها ساخت.
در شکل زیر انواع توربین های بادی عمودی نشان داده شده است.
کاربردهای توربین های بادی
توربین های بادی مدرن را می توان بر اساس محل نصب و نحوه اتصال آنها به صورت زیر طبقه بندی کرد:
بادهای زمینی ( مزارع توربین های بادی ): اندازه توربین های بادی زمینی از 100 کیلووات تا چند مگاوات است. توربین های بادی بزرگتر مقرون به صرفه تر هستند و با هم در نیروگاه های بادی گروه بندی می شوند، که برق زیادی را برای شبکه برق تأمین می کنند.
بادهای ساحلی: توربین های بادی دریایی عظیم و بلند هستند.
آنها چالش های حمل و نقل مشابه تاسیسات بادی زمینی را ندارند، زیرا اجزای بزرگ را می توان به جای جاده ها روی کشتی ها حمل کرد. این توربین ها می توانند بادهای قوی اقیانوس ها و دریاها را گرفته و مقادیر زیادی انرژی تولید کنند.
بادهای پراکنده: تولید پراکنده روشی است که با بهره گیری از فن آوری های مقیاس کوچک به تولید انرژی برق در محل مصرف یا نزدیکی آن می پردازد.
بسیاری از توربین های مورد استفاده در کاربردهای توزیع شده، توربین های بادی کوچک هستند. توربین های بادی کوچک – کمتر از 100 کیلووات – معمولاً برای مصارف مسکونی، کشاورزی و تجاری و صنعتی کوچک استفاده می شوند.
از توربین های کوچک می توان در سیستم های ترکیبی انرژی با سایر منابع انرژی توزیع شده استفاده کرد، مانند میکرو شبکه هایی که از ژنراتورهای دیزلی، باتری ها و فتوولتائیک استفاده می کنند.
این سیستم ها سیستم های ترکیبی بادی نامیده می شوند و معمولاً در مکان های دور از شبکه و خارج از شبکه (که اتصال به شبکه برق در دسترس نیست) استفاده می شوند.
