توربین بسیار کوچک با قابلیت تولید انرژی بالا

توربین چیست؟

در اصطلاح عامیانه، توربین موتوری چرخنده است که می­ تواند از یک سیال انرژی به دست آورد. در بیان علمی تر، توربین نوعی وسیله مکانیکی دوار است که انرژی را از یک جریان سیال دریافت و آن را به کار مفید تبدیل می­کند.

اساس کارکرد توربین ها

تئوری کارکرد توربین ­ها بر پایه وجود یک سیال عامل دارای یک انرژی پتانسیل که می ­تواند تراکم پذیر و یا تراکم ناپذیر باشد، شکل گرفته است.

توربین دستگاهی است که از سیال انرژی می‌گیرد و آن را به وسیله یک محور منتقل می‌سازد. سیال می‌تواند تراکم پذیر و یا تراکم ناپذیر باشد. در حقیقت توربین دستگاهی است که انرژی پتانسیل را به انرژی جنبشی و انرژی جنبشی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.

انواع توربین بر اساس نوع سیال مورد استفاده

بر اساس نوع سیال مورد استفاده، توربین ها به 4 نوع کلی وجود دارند:

• توربین های آبی
• توربین های گازی
• توربین های بخار
• توربین های بادی

گرچه اصول کلی برای کارکرد کلیه توربین ها تقریبا مشابه است، اما طراحی آن ها به اندازه ای متفاوت است که می توان توضیحات بسیاری برای هر کدام ارائه داد.

توربین آبی

توربین آبی (Hydropower) ماشین متحرکی است که از آب در حال حرکت انرژی می‌گیرد. این توربین‌ها در قرن نوزده میلادی توسعه یافتند و تا پیش از توسعه توربین‌های برقی، مهم‌ترین منبع تولید قدرت در صنایع بودند. امروزه از این تجهیزات بیشتر برای تبدیل انرژی آب به برق استفاده می شود.

توربین ­های آبی بر اساس محدوده عملکرد هیدرولیک به سه گروه زیر تقسیم بندی می­ شوند:

توربین­ های هد (Head) پایین

توربین­ های هیدرولیکی که در محدوده هد کمتر از 45 متر کار می­کنند، توربین­ های هد پایین یا هد کم محسوب می شوند. توربین کاپلان یکی از این توربین­هاست. اگر هد کمتر از 3 متر باشد ، هد فوق العاده کم محسوب می شود.

توربین­ های هد متوسط

دامنه کار برای هدهای 45 تا 250 متری به عنوان هد­های متوسط شناخته می­شود. توربین­ های فرانسیس معمولاً در چنین شرایطی کار می­کنند.

توربین ­های هد بالا

توربین­ هایی با هد بالاتر از 250 متر به توربین­های هد بالا معروف هستند؛ مانند توربین پلاتون.

دسته ­بندی توربین ­های آبی بر اساس سرعت ویژه

سرعت ویژه یک توربین که با Ns مشخص می شود، به عنوان سرعت یک توربین با شباهت هندسی تعریف می­شود که می­تواند یک واحد نیرو را در زیر یک واحد هد تولید کند. بر اساس این پارامتر، توربین­های آبی در سه دسته جای می گیرند:

توربین­ های با سرعت ویژه پایین

مقادیر بین 1 تا 10 سرعت ویژه پایین محسوب می­شوند. توربین­های ضربه­ای در این محدوده کار می­کنند. به عنوان مثال، توربین پلتون معمولاً با سرعت مشخصی در حدود 4 کار می­کند.

توربین ­های با سرعت وبژه متوسط

توربین هایی که در محدوده سرعت مشخص 10 تا 100 کار می­کنند. توربین­های فرانسیس در این محدوده سرعت کار می­کنند.

توربین بخار

توربین بخاری یک دستگاه مکانیکی است که انرژی حرارتی را از بخار تحت فشار دریافت و آن را به کار مکانیکی تبدیل می کند. از آنجا که توربین باعث حرکت چرخشی می شود؛ به طور ویژه برای راندن ژنراتورهای الکتریکی مناسب است. آقای چارلز پارسونز اولین توربین مدرن را که یک توربین واکنشی بود؛ در سال 1884 اختراع کرد. او با یک دینام، هفت ونیم کیلو وات برق تولید کرد. در طول زندگی پارسونز، این ظرفیت تولید بیش از 10000 بار افزایش یافت.

شکل2: نمایی از یک توربین بخار.

توربین بخار چگونه کار می­کند؟

به زبان ساده، یک توربین بخار با استفاده از یک منبع حرارتی (گاز، زغال سنگ، انرژی هسته ای یا خورشیدی) آب را در دمای بسیار بالا گرم می ­کند تا اینکه به بخار تبدیل شود. با عبور جریان بخار از لبه­های چرخان توربین، بخار منبسط شده و سرد می شود. بنابراین انرژی بالقوه بخار در پره­های چرخان به انرژی جنبشی تبدیل می­شود. از آنجا که توربین ­های بخار حرکت چرخشی ایجاد می­کنند، به ویژه برای به حرکت درآوردن ژنراتورهای الکتریکی برای تولید برق مناسب هستند. توربین ها با یک محور به ژنراتور متصل می­شوند که به نوبه خود از طریق یک میدان مغناطیسی انرژی تولید می­کنند.

توربین گازی

از توربین های گازی به عنوان قلب تپنده نیروگاه ها یاد می شود. این ماشین، یک موتور احتراقی است که می­تواند انرژی حاصل از سوختن گاز طبیعی یا سایر سوخت­ های مایع را به انرژی مکانیکی تبدیل کند. انرژی مکانیکی تولید شده باعث راه اندازی ژنراتوری می شود که انرژی الکتریکی تولید شده را به خطوط برق خانه ها و کارخانجات منتقل می کند.

شکل3: شماتیک توربین گازی.

برای تولید برق، توربین گازی مخلوطی از هوا و سوخت را در دمای بسیار بالا گرم می­کند و باعث چرخش پره های آن می شود. توربین در حال چرخش ژنراتوری را هدایت می­کند که انرژی را به برق تبدیل می­کند.

توربین گازی می تواند در ترکیب با یک توربین بخار (در نیروگاه سیکل ترکیبی) برای ایجاد انرژی بسیار باشد.

اصول کار توربین های گازی در 5 مرحله

• مخلوط سوخت و هوا در دمای بالا ترکیب و مشتعل می شود که سبب تولید گازهای بسیار داغ می شود.
• گازهای داغ تولید شده تحت فشار بالا باعث چرخش سریع پره های توربین می شوند.
• پره­های توربین با سرعت زیاد ، محور محرک توربین را می­چرخانند.
• چرخش محور محرک توربین باعث چرخش آهنربایی می شود که درون ژنراتور قرار گرفته است.
• چرخش آهنربا باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی قدرتمند می شود با القای جریان الکتریکی درون سیم پیج های مسی ، برق تولید می کند.

توربین بادی

شکل 4: توربین بادی.

توربین بادی نسخه ای بسیار مدرن از آسیاب های بادی است. این ماشین ها برای ایجاد برق از نیروی باد استفاده می کنند. احتمالا شما این توربین ها را در ابعاد بسیار بزرگ در شهرهای بادخیز کشور مشاهده کرده اید، اما جالب است بدانید که حتی می توانید آن ها را در ابعاد بسیار کوچک برای استفاده های شخصی تهیه کنید؛ به عنوان مثال می توان از آن ها برای تامین برق یک قایق یا کاروان استفاده کرد.

توربین هایی که به منظور تولید الکتریسیته از انرژی بادی استفاده می شوند، از نوع سریع محور افقی هستند.

هزینه ساخت یک توربین بادی با قطر مشخص، در صورت افزایش تعداد پره ها بسیار بالاست. این حامل های انرژی برای مکان هایی که شبکه برق رسانی ضعیف و بارهای محلی در نزدیکی ژنراتورهای بادی دارند، بسیار مناسب هستند.

ساز و کار پره های اکثر توربین ها حتی با وزش یک نسیم ملایم نیز سازگار است؛ یعنی وزش باد با سرعت حدود 3-5 متر در ثانیه نیز سبب چرخش آنها خواهد شد. مشخص است که هر چه سرعت وزش باد بیشتر باشد، برق بیشتری تولید خواهد شد. اغلب توربین های بادی دریایی ظرفیتی بالغ بر 2-3 مگاوات دارند که می توانند سالیانه بیش از 6 میلیون کیلووات ساعت برق تولید کنند. این حجم تولید می تواند نیاز متوسط حدود 1500 خانوار را تامین کند.

طول عمر توربین های بادی به طور متوسط بیش از 25 سال است.

دسته­بندی توربین­ها بر اساس اصول طراحی

• توربین­های ضربه ای

اگر چرخ توربین توسط انرژی جنبشی سیالی که از طریق نازل یا به صورت دیگر به پره­های توربین برخورد می­کند، هدایت شود، توربین به عنوان ضربه­ای شناخته می­شود. در این نوع ماشین ها، مجموعه­ای از ماشین­آلات چرخان با فشار اتمسفر کار می­کنند و معمولا برای هد زیاد و دبی پایین مناسب هستند.

توربین های Pelton، Turgo و Cross-flow سه نوع ضربه­ای هستند. ساخت توربین­های Pelton و Turgo مشابه است. اما Cross-flow نوعی توربین ضربه­ای اصلاح شده است که به دلیل چرخش دونده در فشار اتمسفر به عنوان یک توربین ضربه­ای شناخته می­شود.

توربین پلتون (Pelton )

توربین پلتون  (Pelton wheel)یا همان چرخ پلتون توسط شخصی به نام پلتونLester Allan Pelton) ) در سال 1980 میلادی اختراع شده است. این توربین از نوع ضربه­ای بوده و با فشار آبی که از ارتفاع به پره های آن برخورد می کند، می چرخد.

پلتون از یک چرخ متحرک ساخته شده است که روی محیط خارجی آن با فواصل معین تعدادی پره به شکل قاشقک یا شیپوره نصب شده است. سیال یا آب به قاشقک های توربین برخورد می کند و باعث تبدیل انرژی جنبشی آب به انرژی مکانیکی می شود که از طریق محور توربین انتقال می یابد.

شکل 5: توربین پلتون.

توربین های پلتون راندمان هیدرولیکی بین 90 تا 93% دارند، ضریب سرعت آن ها بین 96 تا 98% بوده و سرعت ویژه آن ها بین 2 تا 16 دور در دقیقه متغیر است. معمولا در ارتفاعات زیاد، خوردگی پره های چرخ به علت سرعت ویژه بالا تشدید می شود، بنابراین در طراحی جنس و شکل پره ها باید دقت زیادی داشت. این توربین ها مخصوص ارتفاعات 500 تا 600 متر طراحی می شوند.

• توربین های واکنشی

این توربین ها به صورت کامل در آب غوطه ور هستند و تغییرات فشار آب به همراه انرژی جنبشی آن باعث تعادل نیرو و چرخش پره های توربین می شوند. این چرخ پره ها معمولا هد کمتر و سرعت جریان بالاتری نسبت به نوع ضربه ای دارند.

امروزه حدود 60% توربین های مورد استفاده در نیروگاه های برق آبی سراسر جهان از نوع واکنشی هستند.

انواع توربین واکنشی

چرخ پره های واکنشی، با توجه به کاربردهای خاص و منحصر به فردی که دارند، می توانند انواع مختلفی داشته باشند که در این بخش به آن ها اشاره خواهیم کرد:

• توربین فرانسیس

در حال حاضر محبوب‌ترین و متداول ترین توربین های صنعتی از نوع فرانسیس هستند. این توربین ها از نوع واکنشی هستند که برای هدهای متوسط ​​(10-650 متر) و جریان های متوسط ​​استفاده می­شوند و توان خروجی آن ها می تواند بین 10 تا 750 مگاوات متغیر باشد. ضمن این که در دسته سرعت متوسط قرار می گیرند.

اجزای اصلی توربین های فرانسیس عبارتند از: محفظه حلزونی، پره­های ثابت، پره­های راهنما، رانر و لوله رانش.

طرز کار این دستگاه به این صورت است که محفظه حلزونی آب را در اطراف چرخ توزیع می­کند و به دلیل کاهش منطقه مقطعی آن، اجازه نمی دهد که سرعت آب کاهش یابد. جریان به وسیله پره های ثابت به طرف چرخ هدایت می شود. پره های راهنما مسئول تغییرات جهت و سرعت آب در طول تغییرات جریان آن هستند. در نهایت، تبادل انرژی در بخش Runner اتفاق می افتد. لوله رانش نیز به عنوان یک خروجی عمل می کند که حرکت دادن سطح آب به سمت بالا، هد را افزایش می دهد.

محور توربین های فرانسیس به صورت افقی یا عمودی ساخته شده است. نوع افقی معمولا برای نیروگاه های کوچک تر استفاده می شود.

شکل 6: شماتیک توربین فرانسیس.

• توربین کاپلان

کاپلان یک نوع توربین واکنشی پروانه­ای است و برای هدهای کم و نرخ های جریان بالا استفاده می­شود. سرعت ویژه این توربین ها 2 تا 3 برابر نوع فرانسیس است و در رده توربین های سرعت بالا طبقه بندی می شوند. همچنین تعداد تیغه های آن ها بین 3 تا 6 عدد است و بر خلاف فرانسیس، می توانند کارایی خود را در طیف گسترده ای از جریان ها حفظ کنند.

اجزای اصلی این توربین­ها عبارتند از محفظه حلزونی، پره ثابت، دریچه­های راهنما، رانر و لوله رانش. آب به صورت شعاعی به تنظیم کننده هدایت می شود. Spire، Blade و Vanes های متحرک به طور مشابه به توربین فرانسیس عمل می­کنند. بر خلاف پروانه­ها، تیغه­ها در کاپلان قابل تنظیم هستند. بنابراین، با تنظیم دریچه­های راهنما و تیغه، سرعت جریان را می­توان به منظور حفظ کارایی تغییر داد. توربین کاپلان که چرخ آن محوری است، به صورت عمودی برای قدرت بالا و به صورت افقی برای قدرت کم و هد پایین نصب شده است. سرعت مخصوص این توربین­ها 2 تا 3 برابر از فرانسیس است و آنها در رده توربین­های با سرعت بالا طبقه بندی می شوند. نمودار کارایی این توربین­ها مسطح است و می­تواند کارایی خود را در طیف گسترده­ای از جریان، بر خلاف فرانسیس حفظ کند. تعداد تیغه­های 3 تا 6 است که بسیار کمتر از فرانسیس 11 تا 17 است.

شکل 7: توربین کاپلان.

• توربین دریازو

ماشین­های سیالی گستره­ی وسیعی از انواع توربوماشین­ها، فن­ها و دمنده­ها، جلوبرنده­ها از جمله موتورهای راکت و موتورهای جت، موتورهای احتراق داخلی رفت و برگشتی و دوار، پمپ­ها و کمپرسورهای رفت و برگشتی و دورانی، تجهیزات پنیوماتیکی و … را شامل می­شوند.

توربین های خانگی

یک توربین بادی انرژی باد را با حرکت پره‌های خود به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. امروزه در ساخت پره‌ها مواد پیشرفته سبکی به کار می‌رود تا حتی کوچکترین جریان‌های هوایی را نیز حس کنند و وزن توربین نیز در صورت نیاز به افزایش طول پره‌ها زیاد سنگین نباشد.

طراحی توربین‌های بادی خانگی معمولاً طوری است که از نظر بیننده جذاب باشند؛ بدون این که به کارکرد آن‌ها خللی وارد شود.

شکل 8: نمایی از یک توربین خاتگی.

قبل از نصب توربین بادی به ویژه در تعداد زیاد، باید ساختار پشت بام را از لحاظ قدرت و استحکام برای تحمل وزن آن ها بررسی کرد.



مرکز تجارت جهانی بحرین مثال خوبی از ساختمان‌های دارای توربین‌ بادی نصب شده در مقیاس بزرگ است. این سه توربین بادی مجموعاً بین ۱۱۰۰ تا ۱۳۰۰ مگاوات ساعت انرژی تولید می‌کنند و در مجموع ۱۱% تا ۱۵% از تأمین برق ساختمان را بر عهده دارند.

هر چه ارتفاع از سطح زمین بیش‌تر باشد، سرعت باد نیز بیشتر است. به همین دلیل توربین‌های بادی را تا حد امکان بلند می‌سازند. توان یک توربین بادی به مساحت جارو شده توسط پره‌ها بستگی دارد؛ به این معنی که اگر طول پره‌ها دو برابر شود، انرژی تولید شده ۴ برابر می‌شود. در برخی موارد نیز هندسه یک ساختمان به دلیل افزایش سرعت باد در دیواره آن می‌تواند عملکرد سیستم را بهبود بخشد.

یکی از مسائلی که همیشه در مورد توربین‌های بادی خانگی وجود دارد، ترس از افتادن پره‌ها و آسیب به منطقه یا افراد است. این مسئله در مورد توربین‌های بادی با سایز بزرگ در مزارع بادی خارج از شهر اهمیت زیادی ندارد، اما در هنگام نصب بر روی یک ساختمان بلند واقع در شهر مساله مهمی است.

مزایای توربین های بادی خانگی

• با توجه به استفاده از انرژی باد، برای کار نیاز به استفاده از سوخت های فسیلی ندارند. به همین دلیل پاک و ارزان هستند.
• قابلیت نصب در یک فضای کوچک، حتی بر روی یک ساختمان را دارند.
• نصب و راه اندازی آن ها ساده و کم دردسر است.
• هزینه انرژی تولیدی تمام شده نسبت به انرژی های فسیلی بسیار کم تر است.

معایب توربین بادی خانگی

• علی رغم پیشرفت تکنولوژی و به کارگیری مواد عایق، سر و صدای تولیدی آن ها می تواند چالش برانگیز باشد.
• به علت تغییرات در وزش باد، راندمان انرژی الکتریسیته تولیدی متغیر خواهد بود.
• به علت ارتفاع پایین تر نسبت به توربین های نصب شده در مزارع بادی، عملکرد ضعیف تری دارند.
• هزینه صرف شده برای راه اندازی آن ها نسبت به بازدهی که ایجاد می کنند، بسیار بالاست.
• خطر خرابی آن ها به دلیل نصب در ارتفاع کم بالاست.