کنجکاوی

کنجکاوی: توربین بادی

توربین بادی - کنجکاوی - علمنا
نوشته شده توسط تیم تحریریه علمنا

با بررسی تاریخ، درباره اولین تلاش های صورت گرفته برای بهره گیری از نیروی و انرژی باد به سیستان، سرزمین شن و باد می رسیم. جایی که اولین آسیاب های بادی را ایرانیان در این سرزمین ساختند. سرزمین سیستان و دشت خواف، بادهایی معروف به بادهای ۱۲۰ روزه دارد. این بادها از اردیبهشت ماه تا مرداد ماه جریان دارند و نخست در سر حد ایران و افغانستان ظاهر می شوند و سریعترین جریان آن در سیستان است. به طور قطع همین امر مردم منطقه را به فکر استفاده از این نیرو انداخته و موجب اختراع آسیای بادی در دوردست تاریخ در این بخش از سرزمین ایران شده است.
با این ابتکار سیستان که به عنوان انبار غله کشور یاد می شد به سرزمین آسیاب های بادی مشهور گشت. در آن زمان از آسیاب ها علاوه بر آسیاب دانه های خوراکی برای بالا کشیدن آب از رودخانه ها و آبیاری زمین ها استفاده می شده است. بعد از گذشت هزاران سال به تدریج این تکنولوژی به اروپا رفت با تغییراتی و بهبودهایی در آنجا به کار گرفته شد. آسیاب های بادی که در اروپا ساخته می شدند از نوع محور افقی چهار پره بودند که برای آرد کردن حبوبات و گندم به کار می رفتند. مردم هلند آسیاب های بادی را از سال ۱۳۵۰ میلادی به منظور خشک کردن زمین های پست ساحلی و همچنین گرفتن روغن از دانه ها و بریدن چوب و تهیه پودر رنگ برای رنگرزی به کار گرفتند. آنچه که هلند را در قرن هفدهم میلادی در زمره غنی ترین و صنعتی ترین مردم اروپا قرار داد، صنعت کشتی سازی و ساخت آسیاب های بادی در آن کشور بود. به همین دلیل این کشور به سرزمین آسیاب های بادی مشهور شد.

توربین بادی

به تدریج و با پیشرفت تکنولوژی و با تغییر نیازهای بشر آسیاب های بادی که دو وظیفه دریافت نیروی باد و آسیاب مواد غذایی را بر عهده داشتند جای خود را به دو دستگاه جدا و تخصصی یعنی آسیاب های صنعتی و توربین های بادی دادند. این جایگزینی باعث شد که همچنان انرژی باد جایگاه خود را در زنجیره ی تامین انرژی مورد نیاز بشر حفظ نماید. برای شرح کار این توربین ها باید گفت که توربین ها دقیقا بر عکس مکانیزم پنکه عمل می کنند. پروفیل خاص پره های پنکه باعث می شود که با چرخش آن جریان هوایی، موازی با محور چرخش پره ها ایجاد شود، حال اگر پنکه ای را در مقابل جریان بادی قرار دهید خواهید دید که جریان باد پره های پنکه را به چرخش در خواهد آورد. این دقیقا مکانیزمی است که توربین بادی از آن استفاده می کند. کاری که باد با توربین انجام می دهد دقیقا کاریست که فوت ما با فرفره انجام می دهد. اما خوب به دلایل مختلفی، طراحی شکل پره ها توربین تفاوت های زیادی با پره های پنکه و یا فرفره دارد. در این توربین ها پره ها محوری را می چرخانند که با اتصال به جعبه دنده وارد یک ژنراتور تولید برق می شود. به این ترتیب انرژی جنبشی باد به انرژی جنبشی (حرکت چرخشی) پره ها تبدیل می شود و سپس بعد از آن به انرژی الکتریکی تبدیل می شود و وارد شبکه برق می شود. در واقع انرژی جنبشی باد خود نشات گرفته از انرژی خورشیدی است چرا که حرکت هوا و شروع باد از عدم توازن دمایی اتمسفر در نقاط مختلف زمین و تفاوت چگالی اتمسفر در آن نقاط است.
توربین های بادی دارای دو طراحی اساسی هستند. توربین های بادی با محور افقی که رایج ترین نوع این توربین ها هستند و دیگری توربین های بادی با محور عمودی که تصویر آن را مشاهده می کنید.

توربین‌های بادی با محور افقی

این توربین ها معمولاً سه-پره بوده و با استفاده از سامانه‌های کنترل رایانه‌ای در جهت وزش باد قرار می‌گیرند. البته توربین‌ های باد با دو پره و حتی یک پره هم استفاده می‌شوند. پره‌های این توربین ‌ها، معمولاً طولی بین ۲۰ تا ۴۰ متر و سرعت دورانی حدود ۱۰ تا ۲۲ دور بر دقیقه دارند. اگر طول پره یک توربین بادی، ۴۰ متر بوده و با سرعت ۲۰ دور بر دقیقه دوران کند، سرعت خطی نوک پره‌های آن، حدود ۸۴ متر بر ثانیه (۳۰۲ کیلومتر بر ساعت) خواهد بود. برجی که پره‌ها بر بالای آن نصب می‌شوند، به صورت لوله فولادی و به ارتفاع ۶۰ تا ۹۰ متر است. معمولاً با استفاده از جعبه‌دنده، سرعت چرخش محور افزایش داده می‌شود، ولی در برخی از طراحی‌ها، محور با همان سرعت یک ژنراتور حلقوی را می‌چرخاند. برخی از مدل‌های توربین بادی، در سرعت ثابت کار می‌کنند ولی توربین‌های با سرعت متغیر انرژی بیشتری می‌توانند تولید کنند.

توربین بادی با محور عمودی

در توربین‌های بادی با محور عمودی (Vertical Axis Wind Turbine) که به اختصار VAWT نامیده می‌شود، روتور اصلی به‌ صورت عمودی قرار می‌گیرد. مهم‌ترین برتری این نوع از توربین‌های بادی آن است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت وزش باد ندارند. این نکته در مکان‌هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلاً در بالای ساختمان‌های مسکونی، یک امتیاز به ‌شمار می‌رود. مهم‌ترین عیب این نوع توربین‌ها، کم‌ بودن سرعت دورانی آنها و در نتیجه زیاد بودن گشتاور و هزینه بیشتر سیستم انتقال قدرت، بارگذاری دینامیکی زیاد پره‌ها و همچنین پیچیدگی زیاد طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها پیش از ساخت پیش‌ نمونه (پروتوتایپ) است. با توجه به عمودی بودن محور، جعبه‌ دنده و ژنراتور می‌توانند در نزدیکی زمین قرار گیرند که این موضوع دسترسی به این تجهیزات را برای نگهداری و تعمیر آسان‌تر می‌کند. توربین‌های بادی با محور عمودی به شکل‌های مختلفی ساخته می‌شوند. دو نوع عمده آنها، توربین‌های داریوس و ساوونیوس هستند.
هر چند نیروی باد یک منبع انرژی سالم و غیر آلاینده محیط زیست به شمار می‌رود، اما احداث یک مزرعه می‌تواند لطمه های به محیط زیست وارد کند. برای عملیات پی ریزی و استقرار برجک‌های پایه توربین‌های بادی بعضا باید گودال‌هایی به عمق ۵۰ متر حفر شود. حفر کردن گودال‌هایی چنین عمیق در دل زمین، در شرایط اکوسیستم منطقه به شدت تأثیر می‌گذارد و گونه‌های گیاهی که در آن ناحیه از این به بعد رشد می‌کنند کاملاً متفاوت از گونه‌های گیاهی خواهند بود که پیش از احداث این تأسیسات در منطقه رشد می‌کردند. به عنوان مثال در یورکشایِر انگلستان، زیستگاه های باتلاقی که گونه‌های بسیار نادری از انواع جانداران را در خود جای داده‌اند، به واسطه احداث توربین‌های بادی این منطقه، در خطر نابودی قرار گرفته‌اند.

درباره نویسنده

تیم تحریریه علمنا

دیدگاه شما چیست