توربین بادی وسیله ای است که انرژی جنبشی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. صدها هزار توربین بزرگ در تاسیساتی که به عنوان مزارع بادی شناخته می شوند، اکنون بیش از 650 گیگاوات برق تولید می کنند که هر سال 60 گیگاوات به آن اضافه می شود. و کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی. یک مطالعه ادعا کرد که تا سال 2009، باد دارای “کمترین انتشار نسبی گازهای گلخانه ای، کمترین تقاضای مصرف آب و … مطلوب ترین اثرات اجتماعی” در مقایسه با منابع انرژی فتوولتائیک، آبی، زمین گرمایی، زغال سنگ و گاز بود

توربین های بادی در طیف وسیعی از اندازه ها با محورهای افقی یا عمودی تولید می شوند

تاریخچه توربین های بادی

قرن اول پس از میلاد: برای اولین بار در تاریخ شناخته شده، از چرخ بادگیر برای به حرکت درآوردن یک ماشین استفاده می شود. یک مهندس یونانی به نام هرون اسکندریه این چرخ بادگیر را می سازد

تا سال 1000 پس از میلاد: آسیاب‌های بادی برای پمپاژ آب دریا برای تولید نمک در چین و سیسیل استفاده می‌شوند.

دهه 1180: آسیاب های بادی عمودی در شمال غربی اروپا برای آسیاب آرد استفاده می شود

1887: اولین توربین بادی شناخته شده مورد استفاده برای تولید برق در اسکاتلند ساخته شد. این توربین بادی توسط پروفسور جیمز بلیت از کالج اندرسون، گلاسکو (که اکنون به عنوان دانشگاه استراثکلاید شناخته می شود) ساخته شده است. توربین بادی 10 متری Blyth در باغ کلبه تعطیلات او در Marykirk در Kincardineshire نصب شد و برای شارژ باتری‌های ساخته شده توسط فرانسوی کامیل آلفونس فور، برای تامین روشنایی در کلبه مورد استفاده قرار گرفت. اولین خانه در جهان که برق آن از نیروی باد تامین می شود. بلیت برق مازاد را برای روشنایی خیابان اصلی به مردم مری کرک پیشنهاد داد، اما آنها این پیشنهاد را رد کردند زیرا فکر می کردند برق «کار شیطان» است

1888: اولین توربین بادی شناخته شده ایالات متحده که برای تولید برق ساخته شد توسط مخترع چارلز براش ساخته شد تا برق عمارت خود در اوهایو را تامین کند

1891: یک دانشمند دانمارکی به نام Poul la Cour، یک توربین بادی تولید کننده الکتریسیته را توسعه داد و بعداً متوجه شد که چگونه با استفاده از یک تنظیم کننده، Kratostate، جریان ثابتی از نیرو را از توربین بادی تامین کند

1895: پول لا کور آسیاب بادی خود را به نمونه اولیه نیروگاه برق تبدیل کرد. سپس برای تامین برق برای روشنایی روستای آسکوف استفاده می شود.

تا سال 1900: تقریباً 2500 آسیاب بادی با حداکثر ظرفیت ترکیبی 30 مگاوات در سراسر دانمارک برای اهداف مکانیکی مانند آسیاب غلات و پمپاژ آب مورد استفاده قرار می گیرند

تا سال 1908: 72 سیستم برق بادی تولید کننده برق در سراسر دانمارک در حال اجرا هستند. اندازه آسیاب های بادی از 5 کیلووات تا 25 کیلووات می باشد.

1927: جو جاکوبز و مارسلوس جیکوبز کارخانه “Jacobs Wind” را در مینیاپولیس، مینه سوتا افتتاح کردند. آنها توربین های بادی را برای استفاده در مزارع تولید می کنند، زیرا مزارع اغلب به شبکه دسترسی ندارند. توربین‌های بادی معمولاً برای شارژ باتری‌ها و برق رسانی به چراغ‌ها استفاده می‌شوند.

در طول جنگ جهانی دوم: توربین‌های بادی کوچک در یوبوت‌های آلمانی برای شارژ مجدد باتری‌های زیردریایی و صرفه‌جویی در مصرف سوخت استفاده می‌شوند.

1957: Johannes Juul، دانشجوی سابق Poul la Cour، یک توربین بادی با محور افقی با قطر 24 متر و 3 پره از نظر طراحی بسیار شبیه به توربین های بادی که هنوز هم استفاده می شود، ساخت. این توربین بادی 200 کیلووات ظرفیت دارد و از اختراع جدیدی استفاده می کند، شکستن نوک آیرودینامیکی اضطراری که امروزه هنوز در توربین های بادی استفاده می شود.

1975: برنامه توربین بادی ناسا برای توسعه توربین های بادی در مقیاس کاربردی آغاز شد. این برنامه تحقیق و توسعه پیشگام بسیاری از فن‌آوری‌های توربین چند مگاواتی است که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله: برج‌های لوله فولادی، ژنراتورهای با سرعت متغیر، مواد کامپوزیت تیغه‌ها، کنترل گام جزئی، و همچنین مهندسی آیرودینامیک، سازه و آکوستیک. قابلیت های طراحی توربین‌های بادی بزرگی که تحت این تلاش توسعه یافتند چندین رکورد جهانی برای قطر و توان تولیدی ثبت کردند

دهه 1980: دانمارک شروع به نصب توربین های بادی فراساحلی کرد

دهه 1990: دوام و عملکرد برای مشتریان اهمیت بیشتری پیدا کرد، بنابراین برج های فولادی لوله ای و بتن مسلح در زیر توربین های بادی استفاده می شود.

1991: اولین مزرعه بادی فراساحلی در جهان در جنوب دانمارک ساخته شد. این شامل 11 توربین بادی تولید شده توسط Bonus Energy است که هر کدام با ظرفیت 450 کیلووات می باشد.

1995-2000: روتورهای توربین های بادی تجاری به قطر 50 متر و توربین های بادی به ظرفیت 750 کیلووات می رسیدند که 10 برابر بیشتر از تقریباً 10 سال پیش است.

1999: وستاس یک توربین بادی با “OptiSpeed” راه اندازی کرد که آن را برای مکان های کم باد مناسب می کند.

2009: اولین توربین بادی شناور با ظرفیت بالا در جهان در سواحل نروژ شروع به کار کرد. این از یک توربین بادی زیمنس استفاده می کند و توسط Statoil توسعه یافته است

2009: مزرعه بادی Roscoe در تگزاس به بزرگترین مزرعه بادی در جهان تبدیل شد. دارای ظرفیت 781.5 مگاوات و شامل 634 توربین بادی است.

2011: روتورهای توربین های بادی تجاری تا قطر 126 متر و توربین های بادی به ظرفیت 7500 کیلووات رسیدند که تقریباً 100 برابر بیشتر از دهه 1980 بود.

2011: ژاپن یک مزرعه بادی شناور چند واحدی (6 توربین بادی، هر کدام با ظرفیت 2 مگاوات) را برنامه ریزی کرد. تا سال 2020، ژاپن قصد دارد تا 80 توربین بادی شناور در سواحل خود در نزدیکی فوکوشیما داشته باشد.

2013: اولین توربین هیبریدی بادی/جریان در جهان در سواحل ژاپن نصب شد.

2013: ا

نرژی باد با عبور از انرژی هسته ای به سومین منبع بزرگ انرژی چین تبدیل شد

مزایای توربین های بادی

انرژی باد مقرون به صرفه است. باد در مقیاس زمینی یکی از ارزان‌ترین منابع انرژی موجود امروزی است که پس از اعتبار مالیاتی تولید، 1 تا 2 سنت در هر کیلووات ساعت هزینه دارد. از آنجایی که برق مزارع بادی با قیمت ثابتی در مدت زمان طولانی فروخته می شود (مثلاً 20 سال به بالا) و سوخت آن رایگان است، انرژی باد عدم اطمینان قیمتی را که هزینه سوخت به منابع سنتی انرژی اضافه می کند، کاهش می دهد

باد شغل ایجاد می کند بخش بادی ایالات متحده بیش از 100000 کارگر را استخدام می کند و تکنسین توربین بادی یکی از مشاغل آمریکایی است که به سرعت در حال رشد است. بر اساس گزارش Wind Vision، باد تا سال 2050 توانایی پشتیبانی از بیش از 600000 شغل در بخش های تولید، نصب، نگهداری و خدمات پشتیبانی را دارد.

این یک منبع سوخت پاک است. انرژی باد مانند نیروگاه‌هایی که به احتراق سوخت‌های فسیلی متکی هستند، مانند زغال‌سنگ یا گاز طبیعی که ذرات معلق، اکسیدهای نیتروژن و دی‌اکسید گوگرد را منتشر می‌کنند، هوا را آلوده نمی‌کند و باعث مشکلات سلامتی انسان و آسیب‌های اقتصادی می‌شود. توربین های بادی انتشارات جوی تولید نمی کنند که باعث باران اسیدی، دود یا گازهای گلخانه ای می شود.

توربین های بادی را می توان در مزارع یا مزرعه های موجود ساخت. این به نفع اقتصاد در مناطق روستایی است، جایی که بهترین سایت های باد در آن یافت می شود. کشاورزان و دامداران می توانند به کار زمین ادامه دهند زیرا توربین های بادی تنها از بخش کوچکی از زمین استفاده می کنند. صاحبان نیروگاه های بادی برای استفاده از زمین، اجاره بها را به کشاورز یا دامدار پرداخت می کنند و درآمد اضافی را برای صاحبان زمین فراهم می کنند

معایب توربین های بادی

توربین های بادی برای تولید برق به سرعت باد مناسب بستگی دارند.
اگر سرعت باد کمتر از حد معینی باشد، توربین ها برای کارکردن به اشکال دیگر تولید برق وابسته هستند.
به دلیل تأثیر بصری توربین ها، گرفتن مجوز برنامه ریزی برای مزارع بادی خشکی دشوار است.
پیچیدگی ساخت نیروگاه های بادی فراساحلی آن را به روشی بسیار پرهزینه تر از نیروگاه های بادی خشکی تبدیل می کند.
توربین‌های بادی انرژی بسیار کمتری نسبت به میانگین نیروگاه‌های سوخت فسیلی تولید می‌کنند که برای تأثیرگذاری به چندین توربین بادی نیاز دارند

انواع توربین های بادی

توربین های بادی به طور کلی به دو نوع توربین بادی محور افقی (HAWT) و توربین بادی محور عمودی (VAWT) طبقه بندی می شوند

HAWT

یکی از انواع مهم توربین های بادی، HAWT است که پرمصرف ترین توربین بادی موجود است. این نوع توربین‌های بادی احتمالاً همان چیزی هستند که با شنیدن «توربین بادی» به آن فکر می‌کنید. طراحی این توربین ها تقریباً از همان ایده ای پیروی می کند که قبلاً در آسیاب های بادی اجرا شده بود. پره های روتور که به یک شفت متصل می شوند و با برخورد باد آن را می چرخانند، فقط این بار شفت به ژنراتوری متصل می شود که انرژی الکتریکی وعده داده شده را تولید می کند. آنها چیزی شبیه یک پروانه هواپیمای بزرگ هستند که در بالای دکل یا برج نصب شده است.
یکی از انواع مهم توربین های بادی، HAWT است که پرمصرف ترین توربین بادی موجود است. این نوع توربین‌های بادی احتمالاً همان چیزی هستند که با شنیدن «توربین بادی» به آن فکر می‌کنید. طراحی این توربین ها تقریباً از همان ایده ای پیروی می کند که قبلاً در آسیاب های بادی اجرا شده بود. پره های روتور که به یک شفت متصل می شوند و با برخورد باد آن را می چرخانند، فقط این بار شفت به ژنراتوری متصل می شود که انرژی الکتریکی وعده داده شده را تولید می کند. آنها چیزی شبیه یک پروانه هواپیمای بزرگ هستند که در بالای دکل یا برج نصب شده است

توربین‌های بادی محور افقی یکی از انواع توربین‌های بادی هستند که نیاز به همراستایی با جهت باد دارند. بنابراین، آنها به یک حسگر باد نیاز دارند که جهت باد را تشخیص دهد و مکانیزم انحرافی که دستگاه را بچرخاند تا به درستی در مقابل باد قرار گیرد. دلیل لزوم مواجهه با باد، هم توزیع مؤثر نیرو بر روتورها و هم جلوگیری از آسیب ساختاری به توربین در اثر بارگذاری نامناسب بر روی سازه توربین است.

در مورد ملاحظات ساختاری، ساختار توربین‌های بادی محور افقی باید به اندازه کافی قوی باشد تا وزن پره‌های روتور، گیربکس، ژنراتور و سایر اجزای توربین را تحمل کند. علاوه بر این، پایه دکل باید بتواند در برابر بادهای شدیدی که در محل نصب توربین می وزد، مقاومت کند.

از بین انواع مختلف توربین‌های بادی، HAWTها به دلیل کارایی و قابلیت تولید انرژی بالاتر برای یک ردپای یکسان، متداول‌ترین نوع مورد استفاده هستند. بنابراین اکثر مزارع بادی که نیروگاه هایی با تعدادی توربین بادی تولید کننده برق هستند، از این نوع توربین های بادی استفاده می کنند.

توربین‌های بادی محور افقی اساساً شامل دو نوع توربین‌های بادی بالا و توربین‌های بادی پایین هستند.

توربین های بادی بالا

این نوع توربین های بادی بیشترین استفاده را دارند. HAWT های رو به باد رو به باد هستند، به این معنی که باد قبل از دکل به روتورها می رسد. بنابراین روتورها از سایه باد پشت برج آسیب نمی بینند و این به معنای عملکرد کارآمدتر و همچنین حساسیت کمتر روتورها به سایش و پارگی است. با این وجود، ضرورت مکانیسم انحراف بر وزن سازه می افزاید.

نکته دیگر در مورد توربین‌های بادی با باد بالا این است که روتورهای آن‌ها نباید انعطاف‌پذیر باشند تا در زمان بالا بودن سرعت باد، خم نشوند و با دکل برخورد نکنند. برای جلوگیری بیشتر از چنین حوادثی، روتور در فاصله ای از برج قرار می گیرد. این به مشکلات ساخت این نوع توربین‌های بادی می‌افزاید و انعطاف‌ناپذیری پره‌های روتور برابر است با نیاز به مواد سنگین‌تر برای ساخت پره‌ها.

توربین های بادی پایین
توربین‌های بادی با محور افقی پایین‌تر از انواع توربین‌های بادی هستند که کمتر دیده می‌شوند. طراحی آنها تقریباً مشابه HAWT های باد بالا به نظر می رسد، به جز محل روتور، که در پایین دست برج است. باد قبل از اینکه به تیغه ها برسد به دکل برخورد می کند. این پیکربندی باعث انعطاف بیشتر پره های روتور می شود و بنابراین می توان از مواد سبک تری استفاده کرد. از این رو، این طرح دو هدف وزن سازه ای سبک تر و دینامیک سازه ای بهتر برج با برداشتن مقداری از بار برج از روی برج به تیغه ها در طول خم شدن آن ها انجام می دهد.

انواع توربین‌های بادی با محور افقی رو به باد از نظر تئوری نیازی به مکانیزم انحراف ندارند تا زمانی که روتورها و پوشش به گونه‌ای طراحی شده باشند که بدنه به طور غیر فعال جهت باد را دنبال کند. انحراف غیرفعال این توربین‌های بادی مزیتی برای توربین‌های بادی بزرگ که کابل‌های ارت متصل به بدنه دارند، نخواهد بود.

از آنجایی که روتور این نوع توربین های بادی در پشت پایین دست دکل قرار دارند، از سایه باد رنج می برند. سایه باد نه تنها باعث ایجاد نوسانات در میزان توان تولیدی می شود، بلکه منجر به خستگی بیشتر انواع توربین های بادی رو به باد در مقایسه با همتایان بادی آنها می شود

VAWT

توربین‌های بادی محور عمودی (VAWT) یکی از انواع توربین‌های بادی هستند که روتورها شفتی را که به صورت عمودی نصب می‌شود می‌چرخانند. چنین روشی از طراحی حساسیت کمتری را در مورد جهت باد ایجاد می کند و آنها را به گزینه ای عالی برای مکان هایی که جهت باد اغلب تغییر می کند تبدیل می کند. مهم نیست باد در چه جهتی می وزد، پره ها همچنان حرکت می کنند و شفت را می چرخانند تا نیرو تولید کنند

ژنراتور این نوع توربین های بادی در نزدیکی زمین قرار دارد. این به این دلیل است که با توجه به طراحی روتورها و ارتفاع آنها، بردن آن به ارتفاع چندان قابل قبول نیست. این پیکربندی نگهداری توربین‌های بادی محور عمودی را در مقایسه با توربین‌های بادی محور افقی که تمام اجزای آن در ارتفاعی نصب شده‌اند، آسان‌تر می‌کند. با این حال، توربین‌های بادی محور عمودی، بازدهی کمتری نسبت به HAWT دارند، به دلیل اینکه برای برخی از طراحی‌ها مقدار قابل توجهی از هوا روی روتورها پس‌کش می‌کند و همچنین با توجه به اینکه سرعت باد و جریان آن در فاصله‌ای از زمین بیشتر است، توان خروجی کمتری دارند. صاف تر از سطح زمین

بهترین مکان ها برای قرار دادن توربین های بادی

مکان هایی که بادهای مکرر و پایدار دارند.
مناطق خالی از سکنه با دسترسی ارزان به شبکه های برق.
سایت هایی که در حال حاضر از منابع آلاینده برای تولید برق استفاده می کنند.
مکان هایی که بهترین مزایای سلامتی، آب و هوا و آلودگی را برای ساکنان منطقه به همراه دارد.
جایی که باد می وزد.

ارتفاع توربین
هر چه توربین بادی بلندتر باشد، کارآمدتر می شود زیرا در ارتفاعات بالاتر باد بیشتری وجود دارد. ارتفاع متوسط ​​برای یک توربین از 50 متر یا حدود 164 فوت ارتفاع شروع می شود، اما آنها می توانند دو برابر ارتفاع 100 متر یا حدود 328 فوت باشند. محل انتخابی باید فضای کافی برای قرار دادن توربین های بادی در ارتفاعات مورد نیاز برای تولید برق کارآمد داشته باشد. زمین همچنین باید بتواند پایه های عظیم مورد نیاز برای استحکام بخشیدن به این توربین های بادی عظیم را پشتیبانی کند.

دسترسی به شبکه برق
یکی از مشکلات ساخت توربین‌های بادی در میانه مکان، هزینه‌های زیرساختی برای دسترسی به شبکه برق است. ساخت خطوط انتقال هزینه‌های اضافی را اضافه می‌کند که اغلب بیشتر از سود کلی است

10مزرعه بادی بزرگ جهان

پایگاه برق بادی Jiuquan، چین

پایگاه برق بادی Jiuquan بزرگترین مزرعه بادی رتبه‌بندی شده در سطح جهان است، با ظرفیت نصب برنامه‌ریزی‌شده 20 گیگاوات. مزرعه بادی که به آن مزرعه بادی گانسو نیز گفته می شود، شامل 7000 توربین بادی است که در استان های مغولستان داخلی، جیو کوان، جیانگ سو، شاندونگ، هبی و سین کیانگ در گانسو، چین نصب خواهند شد. این پروژه بخشی از قانون انرژی های تجدیدپذیر است که در فوریه 2005 اجرا شد و قرار است 200 گیگاوات برق بادی برای تامین انرژی چین به دست آورد

پارک بادی جیسالمر، هند

پارک بادی جایسالمر در بالای مزارع بادی هند قرار دارد و ظرفیتی معادل 1600 مگاوات دارد. این یکی از بزرگترین نیروگاه های بادی در جهان است. مزرعه بادی توسط Suzlon Energy توسعه داده شد و مزارع بادی مختلفی را در منطقه Jaisalmer در راجستان هند توسعه داد. پیمانکار این نیروگاه بادی را برای پاسخگویی به نیازهای مشتریان مختلف، از جمله شرکت‌های دولتی و خصوصی، تولیدکنندگان مستقل برق، و سایر تامین‌کنندگان برق، ساخته است

مرکز انرژی بادی آلتا، ایالات متحده

مرکز انرژی باد آلتا در تهاچاپی، شهرستان کرن، در کالیفرنیای بزرگتر واقع شده است. مزرعه بادی می تواند 1548 مگاوات نیرو تولید کند و فاز اولیه آن در سال 2011 راه اندازی شد. مراحل دیگر در سال 2012 راه اندازی شد. همانند فازهای هفتم، هشتم و نهم

مزرعه بادی موپاندال، هند

مزرعه بادی موپاندال، با ظرفیت 1500 مگاوات، بزرگترین مزرعه دریایی در هند است و چندین نیروگاه بادی در منطقه کانیاکوماری، تامیل نادو، هند را شامل می شود. آنچه اطراف این نیروگاه های بادی را احاطه کرده است زمین های بایر است که سرعت بادهای بالایی برای راه اندازی توربین ها لازم است

Shepherds Flat Winds، ایالات متحده

مزرعه بادی موپاندال، با ظرفیت 1500 مگاوات، بزرگترین مزرعه دریایی در هند است و چندین نیروگاه بادی در منطقه کانیاکوماری، تامیل نادو، هند را شامل می شود. آنچه اطراف این نیروگاه های بادی را احاطه کرده است زمین های بایر است که سرعت بادهای بالایی برای راه اندازی توربین ها لازم است

مزرعه بادی Roscoe، ایالات متحده

این پروژه در تگزاس، ایالات متحده واقع شده است و تحت مالکیت و مدیریت شرکت E.ON Climate and Renewables از آلمان است و 400 کیلومتر مربع را پوشش می دهد و 781.5 مگاوات را از 627 توربین بادی خود در فاصله 900 فوتی از هم تولید می کند. پروژه Roscoe در چهار فاز ساخته شد و در اکتبر 2009 عملیاتی شد

مرکز انرژی باد اسب توخالی، ایالات متحده

این مزرعه بادی نیز در تگزاس، ایالات متحده واقع شده است و توسط NextEra Energy Resources اداره می شود. این نیروگاه دارای ظرفیت 735.5 مگاوات است و در چهار مرحله بین سال های 2005 تا 2006 راه اندازی شد. این نیروگاه یکی از بزرگترین نیروگاه های بادی در جهان است. این پروژه توسط Blattner Energy مهندسی، تهیه و توسعه یافته است و می تواند انرژی بیش از 180000 خانوار را تامین کند

Capricorn Ridge, United States

Capricorn نیز یکی دیگر از پروژه های مستقر در تگزاس در ایالات متحده است که توسط NextEra Energy Resources اداره می شود. فاز اول در سال 2007 به بهره برداری رسید و مرحله نهایی در سال 2008 برای تولید توان ترکیبی 662.5 مگاوات انجام شد. از دیگر شرکت های علاقه مند به این سرمایه گذاری می توان به JPMorgan Chase و GE Energy Financial Services اشاره کرد.

Walney Extension Offshore، انگلستان

این پروژه در دریای ایرلند واقع شده است و ظرفیت انرژی بادی 659 مگاوات را تولید می کند و 50٪ متعلق به Orsted، 25٪ متعلق به پانسیون دانمارکی و 25٪ توسط PFA است. 19 کیلومتر از ساحل جزیره والنی فاصله دارد و 145 کیلومتر مربع را پوشش می دهد. این پروژه بیش از 600000 خانه در بریتانیا را تامین می کند و از طریق دو پست 4000 تنی به خارج از ساحل منتقل می شود

London Array Offshore، انگلستان

آرایه لندن گسترده ترین مزرعه بادی فراساحلی در سطح جهان است و ظرفیت 630 مگاوات دارد و ششمین مزرعه بادی بزرگ جهان را به خود اختصاص داده است. این در خور تیمز، در فاصله 20 کیلومتری از سواحل کنت و اسکس واقع شده است. این پروژه در سال 2013 راه اندازی شد و توسط سه شرکت به نام های Dong Energy از دانمارک، E.On از آلمان و Masdar از ابوظبی اداره می شود.

،linquip , sciencing , CR , wikipedia , barbourproductsearch renewableenergyworld:منابع