توربین بادی چیست؟
باد چگونه به برق تبدیل میشود؟
فرآیند تبدیل باد به برق، یک داستان مهیج فیزیکی است. همه چیز با حرکت مولکولهای هوا آغاز میشود. وقتی باد میوزد، این مولکولها به پرههای بزرگ توربین برخورد میکنند و باعث چرخش آنها میشوند. این چرخش، انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند.
این انرژی مکانیکی از طریق یک شفت (میله) به داخل ناسل (محفظهی بالای برج) منتقل میشود. در آنجا، یک جعبه دنده سرعت چرخش آهسته پرهها را افزایش میدهد تا برای یک ژنراتور مناسب باشد. ژنراتور، با استفاده از آهنرباها و سیمپیچها، این انرژی چرخشی را به انرژی الکتریکی یا همان برق تبدیل میکند. در نهایت، یک ترانسفورماتور ولتاژ این برق را افزایش میدهد تا بتوان آن را از طریق خطوط انتقال برق به خانهها، مدارس و کارخانهها فرستاد.
اجزای اصلی یک توربین بادی
یک توربین بادی مدرن از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است که مانند یک تیم با هم کار میکنند.
| جزء | توضیح |
|---|---|
| پرهها | اینها مانند بالهای هواپیما هستند. شکل آیرودینامیکی آنها باعث میشود با کمترین مقاومت، بیشترین نیرو را از باد بگیرند و بچرخند. معمولاً 3 پره دارند. |
| روتور | مجموعه پرهها و توپی (هاب) که به هم متصل هستند را روتور مینامند. این بخش اولین قسمتی است که میچرخد. |
| ناسل | این محفظه، مغز متفکر توربین است. جعبه دنده، ژنراتور، ترانسفورماتور و سیستمهای کنترل در داخل آن قرار دارند. |
| برج | این سازه فولادی یا بتونی بلند، ناسل و روتور را بالا نگه میدارد. توربینها بلند هستند چون در ارتفاعات بالاتر، باد قویتر و پایدارتر میوزد. |
| سیستم کنترل | این سیستم هوشمند جهت توربین را به سمت باد میچرخاند، سرعت چرخش پرهها را کنترل میکند و در صورت وزش بادهای بسیار شدید، توربین را برای محافظت متوقف میکند. |
انواع مختلف توربینهای بادی
توربینهای بادی را عمدتاً میتوان در دو دسته کلی قرار داد که هر کدام برای مکان و هدف خاصی طراحی شدهاند.
الف) توربینهای بادی محور افقی [1]: این نوع، رایجترین نوع توربین است که همه ما تصویر آن را در ذهن داریم. پرههای آنها مانند یک پنکه غولپیکر حول یک محور افقی میچرخند. این توربینها بازدهی بسیار بالایی دارند و برای مزارع بادی بزرگ و تولید انبوه برق طراحی شدهاند. نقطه ضعف آنها این است که برای کار کردن باید دقیقاً رو به باد قرار بگیرند، بنابراین به سیستمهای پیچیدهای برای چرخش به سمت باد نیاز دارند.
ب) توربینهای بادی محور عمودی [2]: پرههای این توربینها حول یک محور عمودی میچرخند، شبیه به همزن یک دستگاه همزن تخم مرغ. بزرگترین مزیت آنها این است که جهت وزش باد برایشان مهم نیست و از هر جهتی که باد بوزد، میتوانند بچرخند. همچنین ساختار مکانیکی سادهتری دارند و نگهداری آنها آسانتر است. اما بازدهی کمتری نسبت به نوع محور افقی دارند و معمولاً برای مصارف کوچکمقیاس، مانند تأمین برق یک خانه یا یک مرکز تجاری کوچک، مورد استفاده قرار میگیرند.
مزایا و چالشهای انرژی بادی
استفاده از توربینهای بادی مانند هر فناوری دیگری، مزایای فوقالعاده و در عین حال چالشهایی به همراه دارد.
مزایا:
- منبع پاک و تجدیدپذیر: برق تولیدی هیچ آلودگی هوا یا گازهای گلخانهای ایجاد نمیکند و منبع آن (باد) تمامنشدنی است.
- کمهزینه در بلندمدت: پس از نصب، هزینه سوخت وجود ندارد و هزینه نگهداری نسبتاً پایین است.
- ایجاد اشتغال: صنعت انرژی بادی در طراحی، ساخت، نصب و نگهداری توربینها شغلهای زیادی ایجاد میکند.
- قابلیت نصب در زمینهای کشاورزی: میتوان مزارع بادی را در کنار زمینهای کشاورزی ساخت و از زمین به صورت دوگانه استفاده کرد.
چالشها:
- متغیر بودن باد: باد همیشه نمیوزد! بنابراین نمیتوان تنها به انرژی بادی متکی بود و باید آن را با دیگر منابع انرژی یا سیستمهای ذخیرهسازی باتری ترکیب کرد.
- تأثیر بر چشمانداز و حیات وحش: توربینهای بزرگ میتوانند منظره طبیعی را تغییر دهند و ممکن است برای برخی پرندگان و خفاشها خطرناک باشند (اگرچه تحقیقات برای کاهش این خطر ادامه دارد).
- هزینه اولیه بالا: ساخت و نصب توربینهای بادی بسیار پرهزینه است.
- صدای تولیدی: توربینها هنگام کار کردن صدا تولید میکنند، به همین دلیل باید در فاصله مناسبی از مناطق مسکونی نصب شوند.
توربینهای بادی در عمل: از مزرعه تا پشت بام
توربینهای بادی در اندازهها و برای اهداف مختلفی استفاده میشوند. بزرگترین آنها در مزارع بادی قرار دارند. یک مزرعه بادی مانند یک نیروگاه است، اما به جای سوختن زغال سنگ یا گاز، از دهها یا حتی صدها توربین بادی برای تولید مقادیر عظیمی برق استفاده میکند. این برق سپس به شبکه سراسری تزریق میشود تا میلیونها خانه و کسبوکار را روشن کند.
در مقیاس کوچکتر، توربینهای بادی کوچک وجود دارند که میتوانند برق یک مزرعه دورافتاده، یک خانه یا یک پایگاه ارتباطی را تأمین کنند. حتی برخی از قایقها و کشتیها از توربینهای بادی کوچک برای کمک به تأمین برق خود استفاده میکنند. یک مثال جالب، استفاده از توربینهای بادی در کنار بزرگراهها است که از جریان باد ایجاد شده توسط وسایل نقلیه عبوری برای تولید برق برای روشنایی چراغها یا علائم راهنمایی استفاده میکنند.
پرسشهای متداول درباره توربینهای بادی
این نگرانی وجود دارد، اما آمار نشان میدهد که عوامل انسانی دیگری مانند برخورد با ساختمانها و پنجرهها، دکلهای برق، و به ویژه گربههای خانگی تلفات بسیار بسیار بیشتری در میان پرندگان ایجاد میکنند. سازندگان توربینها با مطالعه الگوی پرواز پرندگان و استفاده از رنگها و سیستمهای تشخیصی، به طور مداوم در حال کاهش این خطر هستند.
این یکی از بزرگترین چالشهای انرژی بادی است. راهحل، داشتن یک شبکه هوشمند است. در یک شبکه بزرگ برق، انرژی از منابع مختلفی مانند نیروگاههای خورشیدی، آبی، گازی و بادی تأمین میشود. وقتی باد نمیوزد، سایر نیروگاهها میتوانند بار بیشتری را به دوش بکشند. همچنین، پیشرفت فناوری باتریهای بزرگمقیاس این امکان را فراهم میکند که انرژی تولیدشده در زمان وزش باد ذخیره شده و در زمان نیاز استفاده شود.
مقدار برق تولیدی به اندازه توربین و سرعت باد بستگی دارد. یک توربین بادی بزرگ و مدرن که در خشکی نصب شده باشد، میتواند در سال به اندازه برق مصرفی حدود 1500 خانه متوسط را تولید کند. برای درک بهتر: اگر چنین توربینی به مدت یک ساعت با حداکثر ظرفیت کار کند، میتواند حدود 3000 کیلوواتساعت برق تولید کند که برای روشن نگه داشتن یک لامپ 100 واتی به مدت 30,000 ساعت (بیش از 3 سال) کافی است!
پاورقی
[1]HAWT: Horizontal-Axis Wind Turbine (توربین بادی با محور چرخش افقی)
[2]VAWT: Vertical-Axis Wind Turbine (توربین بادی با محور چرخش عمودی)
