چگونه یک توربین بادی کار می کند

خطوط انتقال برق را در ولتاژهای بالا در فواصل طولانی از توربین‌های بادی و سایر مولدهای انرژی به مناطقی که آن انرژی مورد نیاز است منتقل می‌کنند.

ترانسفورماتورها الکتریسیته AC (جریان متناوب) را با یک ولتاژ دریافت می کنند و ولتاژ را افزایش یا کاهش می دهند تا الکتریسیته را در صورت نیاز تحویل دهند. یک نیروگاه بادی از یک ترانسفورماتور افزایش دهنده برای افزایش ولتاژ (در نتیجه کاهش جریان مورد نیاز) استفاده می کند، که باعث کاهش تلفات برقی می شود که هنگام انتقال مقادیر زیاد جریان در فواصل طولانی با خطوط انتقال اتفاق می افتد. هنگامی که برق به یک جامعه می رسد، ترانسفورماتورها ولتاژ را کاهش می دهند تا آن را ایمن و قابل استفاده در ساختمان ها و خانه های آن جامعه کنند. 

یک پست، سیستم انتقال را به سیستم توزیع متصل می کند که برق را به جامعه می رساند. در داخل پست، ترانسفورماتورها الکتریسیته را از ولتاژ بالا به ولتاژ پایین تبدیل می کنند که می تواند با خیال راحت به مصرف کنندگان برق تحویل داده شود.

طراحی توربین را تعیین می کند. توربین‌های رو به باد – مانند آنچه در اینجا نشان داده شده است – رو به باد هستند در حالی که توربین‌های رو به باد به سمت دور هستند. بیشتر توربین‌های بادی زمینی در مقیاس کاربردی، توربین‌های مخالف باد هستند.

بادگیر جهت باد را اندازه گیری می کند و با درایو انحراف ارتباط برقرار می کند تا توربین را به درستی نسبت به باد جهت دهی کند.

بادسنج سرعت باد را اندازه گیری می کند و داده های سرعت باد را به کنترل کننده منتقل می کند.

بیشتر توربین ها دارای سه پره هستند که بیشتر از فایبرگلاس ساخته شده اند. پره های توربین از نظر اندازه متفاوت هستند، اما یک توربین بادی معمولی مدرن مستقر در زمین دارای پره های بیش از 170 فوت (52 متر) است. بزرگترین توربین، توربین بادی دریایی Haliade-X جنرال الکتریک است، با پره هایی به طول 351 فوت (107 متر) – تقریباً به اندازه طول یک زمین فوتبال. هنگامی که باد در سراسر تیغه جریان دارد، فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می یابد. اختلاف فشار هوا در دو طرف تیغه باعث بالا رفتن و کشش می شود. نیروی بالابر قوی تر از درگ است و این باعث چرخش روتور می شود.

ناسل در بالای برج قرار دارد و شامل گیربکس، شفت های کم و پرسرعت، ژنراتور و ترمز است. برخی از ناسل ها بزرگتر از یک خانه هستند و برای یک توربین دنده ای 1.5 مگاواتی، می توانند بیش از 4.5 تن وزن داشته باشند.

درایو انحراف، ناسل را روی توربین‌های رو به باد می‌چرخاند تا در صورت تغییر جهت باد، آن‌ها را رو به باد نگه دارد. موتورهای انحراف به درایو انحراف نیرو می دهند تا این اتفاق بیفتد.

توربین های بادگیر نیازی به درایو انحرافی ندارند زیرا باد به صورت دستی روتور را از آن دور می کند.

سیستم گام زاویه پره های توربین بادی را نسبت به باد تنظیم می کند و سرعت روتور را کنترل می کند. با تنظیم زاویه پره های توربین، سیستم گام کنترل می کند که پره ها چقدر انرژی می توانند استخراج کنند. سیستم گام همچنین می تواند تیغه ها را “پر” کند و زاویه آنها را تنظیم کند تا نیرویی ایجاد نکند که باعث چرخش روتور شود. پر کردن پره‌ها باعث کند شدن روتور توربین می‌شود تا از آسیب دیدن ماشین در زمانی که سرعت باد برای کار ایمن بیش از حد است، جلوگیری کند.

قسمتی از پیشرانه توربین، پره های توربین در هاب که به محور اصلی توربین متصل است، قرار می گیرند.  

پیشرانه از روتور، یاتاقان اصلی، شفت اصلی، گیربکس و ژنراتور تشکیل شده است. پیشرانه چرخش با سرعت کم و گشتاور بالا روتور توربین (مجموعه تیغه ها و هاب) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

پره ها و توپی با هم روتور توربین را تشکیل می دهند.

بخشی از پیشرانه توربین، شفت کم سرعت به روتور متصل می شود و بین 8 تا 20 چرخش در دقیقه می چرخد.

قسمتی از پیشرانه توربین، یاتاقان اصلی از محور چرخان با سرعت کم پشتیبانی می کند و اصطکاک بین قطعات متحرک را کاهش می دهد تا نیروهای وارده از روتور به شفت آسیب نرسانند.

بخشی از پیشرانه توربین، شفت پرسرعت به گیربکس متصل می شود و ژنراتور را به حرکت در می آورد.

ژنراتور توسط شفت با سرعت بالا هدایت می شود. سیم پیچ های مسی از طریق میدان مغناطیسی در ژنراتور می چرخند تا الکتریسیته تولید کنند. برخی از ژنراتورها توسط گیربکس هدایت می شوند (در اینجا نشان داده شده است) و برخی دیگر درایوهای مستقیم هستند که روتور مستقیماً به ژنراتور متصل می شود.

کنترلر به ماشین اجازه می دهد تا با سرعت باد حدود 7 تا 11 مایل در ساعت (مایل در ساعت) شروع به کار کند و وقتی سرعت باد از 55 تا 65 مایل در ساعت فراتر رفت، دستگاه را خاموش می کند. کنترل کننده توربین را در سرعت های بالاتر باد خاموش می کند تا از آسیب به قسمت های مختلف توربین جلوگیری کند. کنترل کننده را به عنوان سیستم عصبی توربین در نظر بگیرید.

ترمزهای توربین مانند ترمزهای خودرو نیستند. ترمز توربین از چرخش روتور پس از خاموش شدن توسط سیستم گام جلوگیری می کند. هنگامی که پره های توربین توسط کنترلر متوقف می شوند، ترمز از حرکت پره های توربین جلوگیری می کند که برای تعمیر و نگهداری ضروری است.

بادگیر جهت باد را اندازه گیری می کند و با درایو انحراف ارتباط برقرار می کند تا توربین را به درستی نسبت به باد جهت دهی کند.

بادسنج سرعت باد را اندازه گیری می کند و داده های سرعت باد را به کنترل کننده منتقل می کند.

موتورهای انحرافی نیروی محرک انحراف را تامین می‌کنند، که ناسل را روی توربین‌های رو به باد می‌چرخاند تا در هنگام تغییر جهت باد، آنها را رو به باد نگه دارد.

بیشتر توربین ها دارای سه پره هستند که بیشتر از فایبرگلاس ساخته شده اند. هنگامی که باد در سراسر تیغه جریان دارد، فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می یابد. اختلاف فشار هوا در دو طرف تیغه باعث بالا رفتن و کشش می شود. نیروی بالابر قوی تر از درگ است و این باعث چرخش روتور می شود. تیغه های توربین Haliade X جنرال الکتریک 351 فوت (107 متر) طول دارند – تقریباً به اندازه طول یک زمین فوتبال!

سیستم گام زاویه پره های توربین بادی را نسبت به باد تنظیم می کند و سرعت روتور را کنترل می کند. با تنظیم زاویه پره های توربین، سیستم گام کنترل می کند که پره ها چقدر انرژی می توانند استخراج کنند. سیستم گام همچنین می تواند تیغه ها را “پر” کند و زاویه آنها را تنظیم کند تا نیرویی ایجاد نکند که باعث چرخش روتور شود. پر کردن پره‌ها باعث کند شدن روتور توربین می‌شود تا از آسیب دیدن ماشین در زمانی که سرعت باد برای کار ایمن بیش از حد است، جلوگیری کند.

پره های توربین در هابی که به ژنراتور توربین وصل است قرار می گیرند.

پره ها و توپی با هم روتور توربین را تشکیل می دهند.

ژنراتورهای محرک مستقیم برای تولید برق به گیربکس متکی نیستند. آنها با استفاده از یک حلقه غول پیکر از آهنرباهای دائمی انرژی تولید می کنند که با روتور می چرخد ​​تا جریان الکتریکی را هنگام عبور از سیم پیچ های مسی ثابت تولید کند. قطر زیاد حلقه به ژنراتور این امکان را می دهد که هنگام چرخش با همان سرعت پره ها (8 تا 20 چرخش در دقیقه) قدرت زیادی ایجاد کند، بنابراین برای سرعت دادن به هزاران چرخش نیازی به گیربکس ندارد. در دقیقه دیگر ژنراتورها نیاز دارند.

کنترلر به ماشین اجازه می دهد تا با سرعت باد حدود 7 تا 11 مایل در ساعت (مایل در ساعت) شروع به کار کند و وقتی سرعت باد از 55 تا 65 مایل در ساعت فراتر رفت، دستگاه را خاموش می کند. کنترل کننده توربین را در سرعت های بالاتر باد خاموش می کند تا از آسیب به قسمت های مختلف توربین جلوگیری کند. کنترل کننده را به عنوان سیستم عصبی توربین در نظر بگیرید.

ترمزهای توربین مانند ترمزهای خودرو نیستند. ترمز توربین از چرخش روتور پس از خاموش شدن توسط سیستم گام جلوگیری می کند. هنگامی که پره های توربین توسط کنترلر متوقف می شوند، ترمز از حرکت پره های توربین جلوگیری می کند که برای تعمیر و نگهداری ضروری است.

یاتاقان روتور از شفت اصلی پشتیبانی می کند و اصطکاک بین قطعات متحرک را کاهش می دهد تا نیروهای وارده از روتور به شفت آسیب نرسانند.