توربین بادی چگونه ترمز می‌کند؟

سیستم ترمز توربین بادی یک پروژه مهندسی پیچیده و دقیق است که فقط یک "لنت ترمز" ساده نیست، بلکه یک سیستم ایمنی چند سطحی و مشارکتی است.

هدف اصلی این است که در صورت نیاز، پروانه بزرگ را به طور ایمن و قابل کنترل متوقف یا کاهش دهیم.

در صورت نیاز "معمولاً شامل موارد زیر می‌شود:

سرعت باد بیش از حد (معمولاً بیش از ۲۵ متر بر ثانیه): برای جلوگیری از چرخش بیش از حد سریع فن و ایجاد آسیب ساختاری.

خرابی شبکه برق یا قطع برق: نیاز به خاموش کردن ایمن دارد.

تعمیر و نگهداری یا تعمیرات اساسی روزانه: یک محیط کاری ایمن برای تکنسین‌ها فراهم کنید.

وضعیت اضطراری: اگر سنسور نقص جدی (لرزش بیش از حد، داغ شدن بیش از حد گیربکس و غیره) را تشخیص دهد.

توربین‌های بادی مدرن در مقیاس بزرگ عمدتاً از سه روش ترمزگیری زیر برای همکاری با یکدیگر استفاده می‌کنند:

۱. ترمز پنوماتیک - روش‌های اولیه و اصلی
این رایج‌ترین روش ترمزگیری هسته است که با تغییر ویژگی‌های آیرودینامیکی پره‌ها حاصل می‌شود.

اصل: انتهای هر تیغه می‌تواند زاویه مشخصی (معمولاً ۹۰ درجه) را حول محور خود بچرخاند. این عمل «قایقرانی» نامیده می‌شود.

فرآیند:

در شرایط عادی، پره‌ها با زاویه بهینه (زاویه حمله) رو به باد قرار می‌گیرند و انرژی باد را به طور مؤثر جذب می‌کنند.

وقتی ترمز لازم باشد، سیستم کنترل به پره‌ها فرمان چرخش می‌دهد و باعث می‌شود لبه جلویی به سمت جهت باد یا لبه پره به سمت جهت باد بچرخد.

به این ترتیب، پره‌ها از «بال‌های» کارآمد به «تخته‌های چوبی» با نیروی پسای بالا تبدیل می‌شوند، با کاهش شدید نیروی بالابرنده و افزایش قابل توجه نیروی پسا، که منجر به کاهش سریع سرعت تا زمان توقف آنها می‌شود.

مزایا:

بدون سایش مکانیکی: زیرا از مقاومت هوا بدون اصطکاک تماسی فیزیکی استفاده می‌کند.

قابل اعتماد: حتی اگر برق قطع شود، باتری می‌تواند برق پشتیبان را برای سیستم پروانه فراهم کند.

قابل تنظیم: قدرت را می‌توان با کمی تغییر جهت یا با تغییر جهت کامل برای ترمز اضطراری تنظیم کرد.

۲. ترمزهای مکانیکی (دیسکی) - ترمزهای کمکی و پارکینگ
شبیه به ترمزهای دیسکی خودرو، اما معمولاً به عنوان وسیله اصلی کاهش سرعت استفاده نمی‌شود.

محل نصب: روی شفت پرسرعت (بعد از خروجی گیربکس و قبل از ژنراتور) نصب می‌شود، از آنجایی که این شفت سرعت بالا و گشتاور کمی دارد، می‌توان اندازه دستگاه ترمز مورد نیاز را کوچک‌تر کرد.

عملکرد:

پارک کردن: پس از اینکه ترمز پنوماتیکی پروانه را به طور کامل متوقف کرد (سرعت به سطح بسیار پایینی کاهش یافت)، کالیپر ترمز مکانیکی دیسک ترمز را محکم می‌کند و فن را محکم قفل می‌کند تا از چرخش آهسته ناشی از نسیم ملایم یا اینرسی جلوگیری شود. این امر برای حفظ ایمنی پرسنل بسیار مهم است.

پشتیبان اضطراری: در موارد شدید که ترمز پنوماتیک به طور کامل از کار می‌افتد، به عنوان آخرین مانع ایمنی عمل می‌کند.

ویژگی‌ها: برای جلوگیری از سایش بیش از حد و تولید گرما، طرح‌های مدرن فن، فرکانس ترمز مکانیکی را به حداقل می‌رسانند و معمولاً فقط پس از خاموشی کامل از آن استفاده می‌کنند.

۳. ترمز برقی (ترمز تولید نیرو) - حالت تنظیم کمکی
ترمزگیری از طریق خود ژنراتور انجام می‌شود.

اصل: هنگامی که ژنراتور از شبکه برق جدا می‌شود، انرژی سیستم چرخشی می‌تواند با مصرف انرژی الکتریکی روی مقاومت ترمز (تبدیل انرژی جنبشی به انرژی حرارتی و اتلاف آن) یا با کنترل گشتاور معکوس ژنراتور از طریق دستگاه‌های الکترونیک قدرت برای کمک به کاهش سرعت، مصرف شود.

عملکرد: عمدتاً برای تنظیم و کمک به کاهش سرعت، به ویژه در طول فرآیند قطع اتصال، همراه با ترمزهای پنوماتیک برای دستیابی به توقف نرم استفاده می‌شود.

گردش کار مشارکتی سیستم ترمز (به عنوان مثال خاموش شدن در اثر باد شدید):
حسگر سرعت باد تشخیص می‌دهد که سرعت باد پایدار از سرعت باد قطع‌شده (مثلاً ۲۵ متر بر ثانیه) بیشتر است.

سیستم کنترل ابتدا دستوری برای فعال کردن ترمز پنوماتیک صادر می‌کند: پره‌ها شروع به چرخش می‌کنند و سرعت پروانه کاهش می‌یابد.

در عین حال، ترمزهای الکتریکی ممکن است برای کمک به مصرف انرژی فعال شوند.

وقتی سرعت پروانه به نزدیک صفر می‌رسد (مثلاً چند دور در دقیقه)، ترمز مکانیکی فعال می‌شود و دیسک ترمز را محکم می‌کند تا فن کاملاً متوقف و قفل شود.

فن وارد حالت خاموشی ایمن می‌شود.

مورد خاص: ترمزگیری در هنگام قطع برق
ایمنی، نکته‌ی اصلی است. این فن به یک منبع تغذیه‌ی بدون وقفه (UPS) یا یک باتری پشتیبان مجهز شده است. حتی اگر شبکه‌ی برق خارجی به طور کامل قطع شود، منبع تغذیه‌ی پشتیبان همچنان می‌تواند برق مورد نیاز سیستم کنترل و سیستم تنظیم ارتفاع را تأمین کند و تضمین کند که پره‌ها می‌توانند با موفقیت تنظیم ارتفاع شوند و به ترمز آیرودینامیکی دست یابند. این مهم‌ترین طراحی ایمنی در برابر خطا است.

خلاصه
به طور خلاصه، ترمزگیری توربین بادی یک "ضربه ترکیبی" است:

نیروی اصلی: ترمز آیرودینامیکی (پر کردن)، مسئول بخش عمده‌ای از ترمزگیری و کنترل قدرت است.

پارکینگ: ترمز مکانیکی، مسئول قفل شدن پس از توقف پایدار برای اطمینان از ایمنی.

کمک: ترمزهای برقی برای کمک به روان‌تر شدن فرآیند ترمزگیری.

این سیستم ایمنی چندگانه و افزونه تضمین می‌کند که حتی در شرایط نامساعد جوی یا خطا، توربین‌های بادی عظیم می‌توانند با خیال راحت و قابل اعتماد خاموش شوند.