wind turbines part one/ توربین های بادی قسمت اول

انواع بادها

نیروهای صفرتا ۲ : سرعت باد تا ۱۱ کیلومتر (صفر تا ۷ مایل ) در ساعت ؛ هوا آرام یا دارای حرکت آهسته بوده و همراه با غبار و حرکت آهسته برگها می باشد.

نیروهای ۳ تا ۴ : سرعت باد از ۱۲ کیلومتر  ۸ مایل) در ساعت تا ۲۹ کیلومتر  ۱۸ مایل) در ساعت می باشد. نسیم یا باد متوسط وجود دارد که پرچم ها را به هم می زند، کاغذها را به هوا بلند می کند و به اطراف می برد و برگها و شاخه های کوچک درختان را حرکت می دهد. همانطور که می دانید در تهران پروژه پرچم انجام شد ولی متاسفانه مطالعه صورت نگرفته بیشتر ماه پرچم بدون حرکت می باشد ای کاش حداقل مکان های را انتخاب می کردن بیشتر بازده ای داشت.

در دنیا 5 کشور پروژه پرچم دارند 1. ایالات متحده آمریکا 2.تاجیکستان 3. آذربایجان 4. سوریه 5. ایران در زمان اجراء پروژه پرچم هزینه بالغ بر100 ملیون تومان برای هر پرچم هزنیه شد. وزن پرچم با توجه به جنس آن باید 2 کیلو باشد ولی وزن پرچم در ایران 20 کیلو است و همین باعث می شود پرچم ها زود فرسایش پیدا کند.

نیروهای ۵ تا ۶ : سرعت باد از ۳۰ کیلومتر ( ۱۹ مایل ) در ساعت تا ۵۰ کیلومتر ( ۳۱ مایل) در ساعت است. باد نیمه قوی یا قوی وجود دارد و درختان کوچک و شاخه های بزرگ به حرکت در می آیند و اشیاء سبک در سطح زمین به اطراف پرتاب می شوند.

نیروهای ۷ تا ۹: سرعت باد از ۵۱ کیلومتر ( ۳۹ مایل)  تا ۸۷ کیلومتر ( ۵۴ مایل) در ساعت است. تند باد یا طوفان شدید وجود دارد. تمام درختان تکان می خورند، شاخه ها می شکنند و دودکشها و سقفهای خانه ها از جا کنده می شوند.

نیروهای ۱۰ تا ۱۲ : سرعت باد از ۸۸ کیلومتر ( ۵۵ مایل) در ساعت تا بیش از ۱۱۸ کیلومتر ( ۷۴ مایل) در ساعت می باشد. طوفان یا طوفان شدید وجود دارد. درختها از ریشه کنده می شوند و خرابیهای گسترده ایجاد می شود.

طراحی و ساخت توربین های بادی

برای تعیین ارتفاع بهینهٴ برج، سیستم کنترلی، تعداد و شکل پره ها از شبیه سازی های آیرودینامیکی استفاده می شود.

توربین های با محور افقی متداول، به سه بخش اصلی تقسیم می شوند:

بخش روتور، که تقریبًا ۲۰ ٪ قیمت توربین باد را به خود اختصاص داده و شامل پره های تبدیل کنندهٴ انرژی باد به انرژی جنبشی دورانی با سرعت کم می شود.

بخش ژنراتور که حدودا ۳۴ ٪ هزینهٴ توربین باد بوده و شامل مولد الکتریکی، تجهیزات کنترلی و جعبه دنده برای افزایش سرعت دورانی محور توربین می شود.

بخش تکیه گاهی که در بر گیرندهٴ ۱۵ ٪ قیمت توربین بوده و شامل برج و مکانیزم جهت دهی روتور نسبت به جهت وزش باد می شود.

بطور کلی یک توربین بادی خشکی محور افق از پنج قسمت اصلی تشکیل شده است .
 برج / دکل tower)
 پره ها  Blades)
ماشین خانه (Nacelle)

فونداسیون

ترانسفورماتور (Transformer)

اجزاء تشکیل دهنده توربین های بادی محور افقی 

با توجه به 62 مدل توربین بادی اجزاء اصلی آنها با هم یکی می باشد.

• پره ها ( Blades) :  یکی از مهمترین بخشهای توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد.
• روتور (Rotor ) : روتور توربین باد شامل پره، هاب (توپی پره)، دماغه و یاتاقانهای پره می باشد.  به طور خلاصه بال ها و هاب به روتور متصل هستند.
• باد سنج (Anemometer) : این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آنرا به کنترل کنندها انتقال می دهد.
• ترمز (Brake ) :  در توربین های بادی با ظرفیت بسیار پایین ( 1 الی 5 کیلووات) معمولا از سیستم های ترمز کفشکی استفاده می شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. در توربین های بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می شود. عمل کردن می توان به صورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی انجام گیرد. به زودی برای درک عملکرد ترمزها در توربین های بادی فیلم از توربین های بادی اجراء شده در ایران به زبان فارسی در وبلاگ سازه های دریایی ارایه می شود .

• برج ( Tower) : برج ها از سازه های فولادی که به شکل لوله در آمده اند ساخته می شوند. توربین هایی که بر روی برج هایی با ارتفاع بیشتر نصب شده اند انرژی بیشتری دریافت می کند. ارتفاع برج معمولا بین یک تا یک ونیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین سفتی برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می گردد وجود دارد.
• کنترولر (Controller): کنترولرها وقتی که سرعت باد به ۸ تا ۱۶ mph می رسد ما شین را، راه اندازی می کنند و وقتی سرعت از ۶۵ mph بیشتر می شود دستور خاموش شدن ماشین را می دهند. این عمل از آن جهت صورت می گیرد که توربین ها قادر نیستند زمانی که سرعت باد به 65 mph می رسد حرکت کنند زیرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسیار بالایی خواهد رسید.  

• گیربکس (جعبه دنده) (  Gear box) :از آنجائی که محور توربین دارای دور کم و گشتاور بالا و بر عکس آن محور ژنراتور دارای دور بالا و گشتاور کم است، سیستم انتقال قدرت باید به نحوی این دو محور را به یکدیگر متصل نماید. افزایش سرعت چرخش از ۳۰ تا ۶۰ rpm به سرعتی حدود ۱۲۰۰ تا ۱۵۰۰ rpm را ایجاد می کنند. و این افزایش سرعت برای تولید برق توسط ژنراتور الزامیست.  هزینه ساخت گیربکس ها بالاست در ضمن گیربکس ها بسیار سنگین هستند مهندسان در حال تحقیقات گسترده ای هستند ژانراتورها نیازی به گیربکس نداشته باشند.

•  ژنراتور Generator): پره های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی درسیستم انتقال تبدیل می کنند وظیفه آن تولید برق متناوب می باشد و بیشتر از نوع ژنراتورهای القایی می باشد. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربینهای بادی استفاده می شود. - ژنراتور جریان مستقیم - آلترناتور یا ژنراتور سنکرون - ژنراتور القایی یا آسنکرون

• ماشین خانه ( Nacelle):    شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ماشین خانه در بالای برج قرار دارد.بعضی از ماشین ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن باستند.
• محور اصلی (Main Shaft):  روتور به یک دیستک بسیار قوی بر روی شفت اصلی توربین بادی پیچ شده است.
• شفت با سرعت بالا (High-Speed Shaft) : که وظیفه آن به حرکت در آوردن ژنراتور می باشد.
• شفت با سرعت پایین (Low-Speed shaft): رتور حول این محور چرخیده و سرعت چرخش آن 30 تا 60 دور در دقیقه می باشد.
• جهت باد ( wind direction) : توربین هایی که از این فناوری استفاده می کند در خلاف جهت باد نیز کار می کنند در حالی توربین های معمولی فقط جهت وزش باد به پره های آن باید از روبرو باشد.
• بادنما ( wind vane) : وسیله ای است که جهت وزش باد را اندازه گیری می کند و کمک می کند تا جهت توربین نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد.
• موتور انحراف (yaw motor ): برای به حرکت در آوردن درایو انحراف مورد استفاده قرار می گیرد.
• درایو انحراف (yaw drive): وسیله ایست که وضعیت توربین را هنگامی که باد در خلاف جهت می وزد کنترول می کند و زمانی استفاده می شود که قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گیرد اما زمانی که باد در جهت توربین می وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمی باشد.

 

• سیستم انتقال قدرت: سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گردنده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، گیربکس و محور سرعت بالا ( در سمت ژنراتور) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقانها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، می‌باشد. عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرارمی‌گیرد: گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای. برای توربین‌های سایز متوسط به بالا بزرگتر از  KW 500  مزیت وزن و سایز در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتراست. بعضی از توربین‌های باد از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می کند (ژنراتور با تعداد قطب بالا ) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد. 

• سیستم کنترل:  برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی، باید بتوان همواره صفحه دوران توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار داد. برای این منظور از سیستم هایی برای تغیر جهت توربین بادی و قرار دادن سیستم در مسیر باد استفاده می شود. این سیستم (yaw system) یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام میشود. در توربین های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف (yaw system) از بالچه استفاده می کنند. همچنین سیستم هایی جهت کنترل و تنظیم سرعت دورانی در توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرند. چنین سیستمهایی علاوه بر کنترل دور روتور، مقدار قدرت تولیدی و نیروهای وارده بر روتور در بادهای شدید را نیز محدود می کنند.

• سیستم هیدرولیک:  سیستم های هیدرولیک به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می کند. یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگهای انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جنبی تشکیل شده است. پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد. محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است. وظیفه این محور انتقال حرکت جک هیدرولیکی و در واقع فرمان کنترلر به مکانیزم مثلثی است که باعث چرخش پره ها می گردد. مکانیزم مثلثی درون هاب باعث تبدیل حرکت انتقالی محور تراورس به حرکت چرخشی و نتیجتا چرخش پره ها به دور محورشان می گردد.

Wind turbine

A wind turbine is the popular name for a device that converts kinetic energy from the wind into electrical power. Technically there is no turbine used in the design but the term appears to have migrated from parallel hydroelectric technology. The correct description for this type of machine would be aero foil powered generator.

The result of over a millennium of windmill development and modern engineering, today's wind turbines are manufactured in a wide range of vertical and horizontal axis types

Make a wind sock

You can use a wind sock to find out where the wind comes from

 

Tower

Made from tubular steel concrete, or steel lattice. Supports the structure of the turbine. Because wind speed increases with height, taller towers enable turbines to capture more energy and generate more electricity

Nacelle

Sits atop the tower and contains the gear box, low-speed and high-seep shafts, generator, controller, and brake. Some nacelles are large enough for a helicopter to land on

Gear box

There is a gearbox inside the nacelle. Connects the low-speed shaft to the high-speed and increases the rotational speeds from about 30-60 rotations per minute (rpm),to about 1000-1800 rpm; This is the rotational speed required by most  generators to produce electricity

Rotor

Blades and hub together form the rotor low-speed shaft turns the low-speed shaft at about 30-60 rpm. The length of the blades varies a lot with each wind turbine. On a wind turbine like this one a blade is 25-27 meters long

Blades

Lifts and rotates when wind is blown over them, causing the rotor to spin. Most turbines either two or three blades

Brake

Stops the rotor mechanically, electrically, or hydraulically, in emergencies

Pitch

Tums (or pitches) blades out of the wind to control the rotor speed and to keep the rotor from turning in winds that are too high or too low to produce electricity

Main Shaft
The rotor is bolted to a very strong disc on the main shaft of the wind turbine

Wind Vane
A wind vane always positions itself according to the wind direction. A measure wind direction and communicates with the yaw drive to orient the turbine properly with respect to the wind

Controller
The wind turbine is controlled by several computers that keep an eye on many different things
Together these computers are called the wind turbine control system. The main computer is called the controller. Starts up the machine at wind speeds of about 8 to 16 miles per hour (mph) and shuts off the machine at about 55 mph. Turbines do not operate at wind speeds above about 55 mph because they may be damaged by the high winds

Generator
A generator makes electricity. There are some magnets and a lot of copper wire inside the generator. Produces 60-cycle AC electricity; it is usually an off-the-shelf induction generator

High-speed shaft

Drives the generator

Low-seed shaft

Turns the low-speed shaft at about 30-60 rpm

Wind Direction

Determines the design of the turbine: upwind turbines-like the one shown here-face into the wind while downwind turbine face away

Yaw Motor

Powers the yaw drive
yaw Drive

Orients upwind turbines to keep them facing the wind when the direction changes. Downwind turbines don´t require a yaw drive because the wind manually blows the rotor away from it

Small Shaft

The small shaft connects the generator to the gearbox

This shaft does not have to transfer as much turning force as the main shaft does

Anemometer

The anemometer measures the wind speed and notifies the wind turbine controller when it is so windy that it would be profitable to use power to make wind turbine turn (yaw) into the wind and start running. It is important to know how much wind there is. If the wind is too strong the wind turbine can break

Cooling System (Radiator
When the generator is running it gets hot. If it gets too hot it can break down
Therefore it is necessary to cool down the generator before it becomes so hot that it stops working. The generator can be cooled in two ways – either by air or water

 Mechanical Brake
A wind turbine has two different types of brakes. One is the blade tip brake
The other is a mechanical brake. The mechanical brake is placed on the small fast shaft between the gearbox and the generator

Yaw Bearing
The yaw motor has a small wheel that engages a huge wheel. The large wheel is called the yaw bearing

آخرین مدل از خانواده توربین های بادی بنام مولد انرژی بدون پره گردابه /vortex Bladeless می باشد نمی توانیم به این سیستم انرژی تجدیدپذیر توربین گفت. یادم زمانی که دانشجو بودم مهندس پویا فلاح که درباره گرداب ها مطالعه می کرد با یکی از استادان موضوع ارتباط انرژی تجدیدپذیر با گرداب را و طرح کرد اون استاد و هم ما خندیدم  اینجا جا دارد از ایشان از طرف هم معذرت می خوام