انرژی, انرژی بادی

توربین بادی استال

توربین بادی استال

توربین بادی استال

با افزایش سرعت باد، توان خروجی توربین بادی افزایش می یابد و باید کنترل شود. روش های مختلفی برای کنترل توان خروجی توربین های بادی شامل کنترل گام(pitch control) یا استال(stall) وجود دارد که در این متن به توربین بادی استال پرداخته می شود.

از استال به عنوان از دست دادن نیروی بالابرنده(lift force) پره به دلیل تغییر در رفتار آیرودینامیکی آن یاد می شود. در مورد توربین های بادی کنترل شده با گام(Pitch)، با چرخش پره بر روی محور آن، استال ایجاد می شود. این همان اثری است که هواپیما در هنگام کم شدن سرعت هوا، کاهش نیروی بالگرد و متوقف شدن هواپیما متحمل می شود.

در توربین های کنترل شده با استال، طراحی پره در یک سرعت باد مشخص، باعث ایجاد یک اثر استال پیشرونده(progressive stall effect) می شود که گشتاور(torque) را با افزایش سرعت هوا روی روتور حفظ(maintaining) می کند. در این سناریو، طراحی پره نقش مهمی در خروجی برق و پایداری توربین دارد.

منحنی توان(power curve) نمایش توان خروجی یک توربین معین نسبت به سرعت باد است و منحصر به این توربین است.

اگر هیچ افت آیرودینامیکی (استال) وجود نداشته باشد، قدرت خروجی (سرعت روتور) بدون محدودیت افزایش می یابد و باعث خرابی مکانیکی و ساختاری توربین می شود.

توربین بادی استال

توربین بادی استال

نکته کلیدی برای به حداکثر رساندن عملکرد، طراحی یک توربین با منحنی توان تا حد ممکن شیب دار بر روی قسمت صعودی قطعه (خروجی بیشتر در سرعت باد کم) و بعد از حداکثر توان خروجی تا حد ممکن صاف باشد.

استال دوبل

استال دوبل(Double Stall) یک پدیده معمولی توربین های کنترل شده با استال است، اگرچه در توربین های کنترل شده با گام نیز اتفاق می افتد. استال دوبل به عنوان افت آیرودینامیکی دوم و پیش بینی نشده پره شناخته می شود که مربوط به طراحی پره نیست و باعث کاهش انرژی استخراج شده توسط باد توسط روتور می شود.

منحنی توان زیر یک توربین معمولی 1 مگاواتی را نشان می دهد که در رابطه با منحنی توان سازنده(manufacturer’s power curve) (قرمز) و استال دوبل (آبی) قرار دارد:

توربین بادی استال

توربین بادی استال دوبل

منطقه سایه دار از دست دادن قدرت را به عنوان نتیجه این پدیده نشان می دهد که بسته به سرعت باد، می تواند تا 50٪ از تولید باشد. این اثر در سرعتهای زیاد باد کاملاً مشهود است (عدم تطابق زیاد بین منحنیهای توان نظری و واقعی)، با این حال، در سرعتهای کم باد طرح به سمت راست جابجا می شود و باعث از دست رفتن تولید در بیشترین دامنه سرعت باد می شود.

عوامل مختلفی وجود دارد که ممکن است باعث استال دوبل شود.

اینها می تواند نقص در سیستم سمت دهی یا یاو(yaw system)، طراحی معیوب پره یا تجمع یخ، روغن، گرد و غبار یا نمک در لبه جلوی تیغه باشد. در هر صورت، نتیجه تغییر مشخصات آیرودینامیکی پره است که تبدیل انرژِی باد به گشتاور ضعیفتری دارد.

برگرفته از بلید کلینینگ

حال، اگر یک هواپیما در یک تلاش برای صعود سریع بالاتر به آسمان، کج شود، چه اتفاقی می افتد؟

نیروی بالابرنده افزایش می یابد، زیرا بال به سمت عقب متمایل می شود، اما در تصویر می بینید که ناگهان جریان هوا در سطح بالایی دیگر به سطح بال نمی چسبد. درعوض هوا در یک گرداب نامنظم چرخش می کند (وضعیتی که به تلاطم یا آشفتگی نیز معروف است). ناگهان نیروی بالابرنده ناشی از فشار کم روی سطح بالایی از بین می رود. این پدیده به استال معروف است.

توربین بادی استال

توربین بادی استال

خود بال، شکل خود را تغییر نمی دهد، اما زاویه بال نسبت به جهت کلی جریان هوا (که به آن زاویه حمله(angle of attack) نیز گفته می شود) بالا رفته است و تلاطم در قسمت عقب(back side) بال نسبت به جریان هوا ایجاد می شود.

اگر سطح بال هواپیما – یا پره توربین بادی – کاملاً یکنواخت و صاف نباشد، استال می تواند اتفاق بیفتد.

یک فرورفتگی در پره یا روتور یا یک قطعه نوار چسب برای شروع تلاطم در قسمت پشتی کافی است، حتی اگر زاویه حمله نسبتاً کوچک باشد. بدیهی است که طراحان هواپیما سعی می کنند به هر قیمتی از استال جلوگیری کنند، زیرا هواپیمایی که نیروی بالابرنده نداشته باشد مانند سنگ سقوط خواهد کرد.

در زمینه کنترل توان، مهندسان توربین بادی هنگام طراحی پره های روتور عمداً از پدیده استال استفاده می کنند.

برای کسب اطلاعات بیشتر مقالات زیر را مطالعه بفرمایید:

اجزای توربین بادی

ژنراتور توربین بادی

پره توربین بادی

ارتفاع برج توربین بادی

هزینه توربین بادی

نصب توربین بادی

معاهده پاریس

برنامه اقدام اقلیمی آلمان

مطالب مرتبط