آیا یک توربین بادی می‌تواند با چنین سرعت پایینی برق تولید کند؟
آیا می‌توان یک توربین بادی تولید برق با چنین سرعت پایینی؟ انرژی باد یک منبع انرژی تجدیدپذیر و پاک است. با افزایش مداوم تقاضای انسان برای انرژی، انسان‌ها به تدریج استفاده از انرژی باد را افزایش می‌دهند. توربین‌های بادی اغلب در علفزارهای وسیع، دامنه‌های کوه و حتی سطح دریا ظاهر می‌شوند، اما می‌توانیم ببینیم که توربین‌های چرخان ممکن است چنین مشکلاتی داشته باشند. چرا پره‌های توربین‌های بادی اینقدر آهسته می‌چرخند؟ آیا این می‌تواند برق تولید کند؟
تنظیم سرعت توربین بادی با آنچه می‌بینیم، در واقع ترکیبی از عوامل بسیاری است.
پره‌های توربین بادی جرم زیادی دارند و برای چرخاندن به نیروی زیادی نیاز دارند.
خیلی از مردم فکر می‌کنند که توربین بادی مثل یک آسیاب بادی کوچک است، نه خیلی بزرگ، مخصوصاً وقتی که از دور یک توربین بادی بزرگ را می‌بینیم. ما این حس را داریم، اما در واقع، توربین‌های بادی را می‌توان غول‌های عظیم نامید. طول پره‌های یک توربین بادی تا ۶۰ متر می‌رسد. مشخص است که طول بال‌های یک هواپیمای مسافربری متوسط حدود 30 متر است و طول بال‌های یک هواپیمای مسافربری بزرگ معمولی به سختی می‌تواند به 60 متر برسد. اگرچه چنین تیغه‌های بزرگی از مواد با استحکام بالا و چگالی کم استفاده می‌کنند، اما جرم آنها خیلی کم نیست و معمولاً بیش از ده تن وزن دارند. چرخاندن سه تیغه با کیفیت بالا به طور طبیعی دشوار است.
ممکن است بعضی‌ها اینطور فکر کنند. از آنجایی که چرخاندن چنین فن بزرگی دشوار است، چرا آن را کوچک‌تر نکنیم؟ این موضوع به ناحیه رو به باد ژنراتور مربوط می‌شود. وقتی پره‌ها خیلی کوچک باشند، ناحیه رو به باد طبیعتاً خیلی کوچک می‌شود و باد روی پره‌ها کمتر و کمتر می‌شود، برق تولید شده توسط یک ژنراتور واحد کمتر و کمتر می‌شود. اگر تعداد ژنراتورها افزایش یابد، آیا می‌توان آن را جبران کرد؟ در واقع، افزایش کمیت، هزینه‌های ساخت را نیز افزایش می‌دهد. به طور کلی، اگر از منبع تغذیه یکسانی استفاده شود، هزینه یک ژنراتور پره کوچک بیشتر خواهد بود. با این حال، فن نمی‌تواند خیلی بزرگ باشد. از یک طرف، از نظر مواد محدود است و از طرف دیگر، نصب آن دشوارتر خواهد بود. پس از بررسی‌های جامع، اکنون از پنکه‌هایی با اندازه‌های مختلف استفاده کرده‌ایم.
سرعت چرخش بالاتر لزوماً به معنای تولید برق بیشتر نیست.
وقتی پره‌های یک توربین بادی می‌چرخند، یک چرخ‌دنده داخلی بزرگ را به حرکت درمی‌آورند تا با هم بچرخند و وقتی چرخ‌دنده بزرگ، چرخ‌دنده کوچک را به حرکت درمی‌آورد، سرعت چرخش نیز به طور قابل توجهی تغییر می‌کند. این ساختار به آشناترین شکل، معادل یک گیربکس، بیان می‌شود. می‌بینیم که پره‌ها به آرامی می‌چرخند، اما در واقع فن، ژنراتور را از طریق یک گیربکس به چرخش با سرعت بالا وادار می‌کند.
البته تولید برق توربین‌های بادی فقط به سرعت مربوط نمی‌شود، بلکه به گشتاور نیز بستگی دارد. توان = گشتاور سرعت K که مقداری ثابت است. وقتی سرعت پایین است، افزایش گشتاور می‌تواند توان خروجی را نیز افزایش دهد. بنابراین، برای افزایش دوام توربین‌های بادی، معمولاً پره‌ها خیلی سریع چرخانده نمی‌شوند، زیرا پره‌های توربین‌های بادی بسیار بزرگ هستند و نیروی گریز از مرکز چرخش با سرعت بالا نیز زیاد است. حرکت گریز از مرکز با شدت بالا و طولانی مدت نیز می‌تواند به عمر پره‌ها آسیب برساند و ممکن است مستقیماً آسیب جدی وارد شود. بنابراین، هنگامی که توربین بادی با بادهای شدید مواجه می‌شود، حالت حفاظتی را روشن کرده و تولید برق را برای محافظت از فن متوقف می‌کند.
سرعت بیش از حد نیز می‌تواند بر راندمان تولید برق تأثیر بگذارد.
در واقع، وقتی پره‌های پنکه می‌چرخند، مانع حرکت باد نیز می‌شوند. هر چه سرعت بیشتر باشد، موانع قوی‌تر می‌شوند. وقتی به مقدار مشخصی رسید، میزان استفاده از انرژی باد نیز شروع به کاهش خواهد کرد. برای راحتی درک همه، می‌توانیم دو مثال افراطی را تصور کنیم. اگر سرعت فن به بی‌نهایت نزدیک شود، چرخش پره‌ها معادل تشکیل مستقیم یک صفحه آب‌بندی است که جریان هوا را مسدود می‌کند. در این نقطه، باد باید مسیر انحرافی خود را طی کند، بنابراین طبیعتاً نمی توان از این انرژی باد به خوبی استفاده کرد. در این نقطه، نرخ بهره‌برداری از انرژی باد معادل صفر است. سناریوی دیگر زمانی است که سرعت فن مستقیماً صفر است. در این مرحله، انرژی باد به هیچ وجه مورد استفاده قرار نگرفته است. سرعتی که بالاترین نرخ بهره‌برداری از انرژی باد را دارد، در محدوده سرعت صفر و سرعت بی‌نهایت قرار دارد. این سرعت به عوامل زیادی مربوط می‌شود. ما اینجا فقط زیاد بحث کردیم. بنابراین، سرعت فن مورد نظر ما تفاوت قابل توجهی با سرعت بهینه نظری ندارد. با تنظیم سرعت بهینه، نرخ استفاده از انرژی باد نیز در این زمان بالاترین است.
خلاصه کردن
بنابراین، توربین‌های بادی کند به نظر می‌رسند، در حالی که بدن واقعی به طور مؤثر برق تولید می‌کند. ژنراتورهای فن دار به ظاهر ساده، در واقع، عوامل مختلفی در ابتدای طراحی برای تأثیرگذاری بر راندمان تولید برق فن در نظر گرفته شده اند. پشت این پدیده ساده، حقایق علمی پیچیده و دقیقی وجود دارد.
