با افزایش جمعیت کره زمین و نیاز به مصرف برق، نیروگاه های تولید برق روز به روز بیشتر شدند و یکی از نکاتی که باید در نظر داشت آلودگی محیط زیست است که با استفاده از توربین ها به حداقل رسید، عدم استفاده از سوخت در تولید برق، منجر به تولید کمتر دی اکسید کربن و نهایتا جلوگیری از گرم شدن کره زمین خواهد شد.
توربین به عنوان قلب و المان اصلی نیروگاه شناخته می شود و کارکرد آن از یک آسیاب بادی ساده تا نیروی پیشران کشتی یا هواپیما همه به یک صورت است... اگر دوست دارید بیشتر درباره این وسیله ساده اما درعین حال پرکاربرد بدانید با ما در این مقاله همراه شوید.
موتوری چرخنده که می تواند از یک سیال، انرژی به دست آورد را توربین می گویند که ساده ترین نوع آن، چرخاب یا همان آسیاب بادی است.
با وزش باد و عبور آن از میان بادبان های آسیاب، سبب چرخش آنها شده و بخشی از انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند که این انرژی صرف چرخیدن سنگ های آسیاب می شود، به بیان علمی تر می توان گفت، توربین یک وسیله مکانیکی دوار است که انرژی را از یک جریان سیال دریافت و آن را به کار مفید تبدیل می کند.
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.
مقدمه‌ای بر توربین‌ها و کاربردهای آنها
توربین‌ها از زمان اختراع خود در قرن 19 میلادی تا به امروز، در صنایع مختلف از جمله تولید برق، حمل و نقل هوایی و دریایی، و فرآیندهای صنعتی، نقش بسزایی ایفا کرده‌اند. اساس عملکرد یک توربین بر این است که سیال مانند بخار، باد، آب یا گاز بر روی تیغه‌های آن جریان می‌یابد و باعث چرخش محور توربین می‌شود. این حرکت چرخشی به دستگاه‌های دیگر منتقل شده و انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی یا کاربردهای دیگری تبدیل می‌شود.
جهت آموزش سالیدورک کافیست روی لینک مربوطه کلیک نمایید.
برخلاف ظاهر ساده ای که دارند برای جمع آوری بهینه انرژی توسط آن ها، اصول مهندسی و فیزیکی مختلفی به کار گرفته می شود که در ادامه بیشتر توضیح خواهیم داد.
انواع توربین
به طور کلی می توان توربین ها را براساس چند پارامتر مختلف به دسته مختلف تقسیم کرد که در ادامه‌ی این بخش به معرفی این دسته بندی ها می پردازیم.
بر اساس نوع سیال
توربین ها با توجه به نوع سیالی که در تولید انرژی آنها نقش دارد به انواع زیر تقسیم می شوند:
توربین بادی
توربین هیدرولیک و چرخ های آبی
توربین گازی
توربین بخار
توربین های زمین گرمایی
پره ها و پوشش ظاهری آن ها نیز می توانند اشکال هندسی مختلفی داشته باشد که هرکدام منحصر به نوع سیال و بازده متفاوتی است.
بر اساس اصول طراحی
هم چنین توربین ها از دیدگاه طراحی و اصول فیزیکی نیز شامل انوع مختلف زیر هستند:
توربین های ضربه ای
توربین های واکنشی
توربین های تک محور و دو محور
انواع کاربرد خاص
با توجه به کاربرد خاص و منحصر به فردی که هر توربین می تواند داشته باشد نیز انواع متنوعی وجود دارند که از جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود:
توربین پلتون
توربین فرانسیس
توربین کاپلان
توربین دریازو
با توجه به تصویر زیر به سهولت می توانید متوجه تفاوت ظاهری آن ها شوید.
نقش توربین در تولید انرژی الکتریکی چیست؟
در تمام ادوار تاریخ همواره زندگی بشر به انرژی وابسته بوده است زیرا که انسان برای به حرکت درآوردن ماشین ها و دستگاه ها و وسایل مختلف که در خدمت او است به انرژی زیادی احتیاج دارد.
با توجه به اینکه دنیای امروز با بحران های اقتصادی زیادی روبه‌رو شده است، باید از میزان وابستگی خود در تامین انرژی مورد نیازمان از طریق سوخت های فسیلی و تجدید ناپذیر تا حد بسیار زیادی کم کنیم، به همین سبب انسان به دنبال منابع جدید برای تامین انرژی ارزان می باشد که از آن جمله می توان استفاده از انرژی خورشید باد، آبی و زمین گرمایی را نام برد.
امروزه در بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه، بهره گیری انرژی باد و زمین گرمایی به دلیل پاک و ارزان بودن در تولید برق مورد توجه قرار گرفته اند، بهره گیری از انرژی باد به منظور تولید برق در سراسر دنیا در حال فراگیرشدن است و تولیدات جدید در حوزه مزرعه های بادی به گسترش آن ها کمک بسیاری کرده است.
همان‌طور که می دانید با استفاده از توربین های بادی می توان انرژی باد را به چرخاندن توربین واداشت توربین نیز با چرخاندن ژنراتور (مولد) برق تولید می کند، در کشور ما نیز منابع بسیار زیادی برای بهره مندی از انرژی باد در کشور شناسایی شده است که می توان در این مناطق نیروگاه های بادی احداث کرد.
در حال حاضر چیزی بیش از دو سوم ظرفیت نیروگاه های فسیلی را که از نفت و گاز استفاده میکنند، می توان تبدیل به نیروگاه های بادی کرد.
توربین بادی
انرژی های بادی را می توان در موارد بسیاری مانند مثال های زیر استفاده کرد:
تولید الکتریسیته
پمپاژ آب از چاه ها و رودخانه ها
آرد کردن غلات
کوبیدن گندم
گرمایش خانه
این وسیله می تواند انرژی جنبشی باد را به انرژی الکتریسیته تبدیل کند، استفاده از انرژی بادی در توربین های بادی که به منظور تولید الکتریسیته به کار گرفته می شوند از نوع توربین های سریع محور افقی می باشند، میزان هزینه ساخت یک توربین بادی با قطر مشخص، در صورت افزایش تعداد پره ها بسیار بالاست.
مکان هایی که شبکه برق رسانی در آن ها ضعیف و بارهای محلی در نزدیکی ژنراتورهای بادی وجود دارند استفاده از این حامل انرژی کاربرد بیشتری خواهد داشت، ساز و کار پره های اکثر توربین ها حتی با وزش یک نسیم ملایم نیز سازگار است، یعنی بادی با سرعتی حدود 3-5 متر در ثانیه نیز سبب چرخش آن ها خواهد شد، البته تا حد مشخصی هر چه قدر باد با سرعت بیشتری بورزد، برق بیشتری نیز تولید خواهد شد.
اغلب توربین های بادی دریایی ظرفیت 2-3 مگاوات (MW) دارند و می توانند سالانه بیش از 6 میلیون کیلووات ساعت برق تولید کنند، این میزان برق تولیدی به طور متوسط برای برآوردن تقاضای برق در حدود 1500 خانوار کافی است.
طول عمر توربین های بادی به طور متوسط بیش از 25 سال است.
توربین زمین گرمایی
بهره گیری از نیروگاه های زمین گرمایی، راه حلی پاک و پایدار برگرفته از دل زمین برای تولید انرژی است.
این نیروگاه ها انرژی مورد نیاز خود را از طریق عبور سیال گرم شده از میان لایه های پوسته زمین به دست می آورند، حرارت بیرون آمده از اعماق زمین سبب تبخیر آب و ایجاد بخار پرفشار و به این ترتیب توربین های تولید برق را می چرخاند.
از برخی از شیوه های گرفتن انرژی زمین گرمایی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
منابع آب داغ
منابع بخار خشک
منابع تحت فشار زمین
تخته سنگ های خشک داغ
منابع ماگمایی
نیروگاه های زمین گرمایی در مقایسه با سایر نیروگاه های انرژی های نو به دلیل بالا بودن ضریب دسترسی (۸۵ % زمان در سال)، در جهان از اهمیت فراوانی برخوردارند و از این نوع نیروگاه ها می توان به عنوان بار پایه شبکه استفاده نمود.
نیروگاه های زمین گرمایی بر اساس نوع سیال خروجی از زمین به سه دسته تقسیم می شوند:
سیال خروجی از چاه بخار
سیال خروجی از چاه بخار و مایع داغ
سیال خروجی از چاه مایع داغ
البته یکی از معایب نیروگاه های انرژی زمین گرمایی این است که فقط در مناطق بسیار محدودی از کره زمین امکان استفاده از آن وجود دارد، یکی از بزرگترین آنها در گایزر، کالیفرنیا، ایالات متحده ی آمریکا قرار گرفته است که تصویری از آن را مشاهده می کنید.
توربین‌های بادی: تولید برق با استفاده از انرژی باد
توربین‌های بادی یکی از رایج‌ترین ابزارهای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر هستند که از انرژی باد برای تولید برق استفاده میکنند. این توربین‌ها در سال‌های اخیر به دلیل نیاز به انرژی پاک و کاهش آلودگی زیست‌محیطی محبوبیت زیادی یافته‌اند.
اجزای توربین بادی
یک توربین بادی از اجزای مختلفی تشکیل شده است که مهم‌ترین آنها شامل:
تیغه‌ها: که انرژی باد را دریافت و به چرخش تبدیل میکنند.
محور: محور اصلی توربین که با چرخش تیغه‌ها انرژی جنبشی را منتقل می‌کند.
ژنراتور: ژنراتوری که انرژی مکانیکی چرخش محور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
انواع توربین بادی (محور افقی و محور عمودی)
توربین‌های محور افقی (HAWT): تیغه‌های آن به صورت افقی قرار دارند و رایج‌ترین نوع توربین بادی هستند. این توربین‌ها در زمین‌های بزرگ و باز نصب می‌شوند.
توربین‌های محور عمودی (VAWT): تیغه‌های آن به صورت عمودی قرار دارند و در مناطقی با بادهای ناپایدار یا در مکان‌های کوچک‌تر استفاده می‌شوند.
توربین‌های بخار: محرک اصلی نیروگاه‌ها
توربین‌های بخار از بخار آب برای تولید انرژی مکانیکی استفاده میکنند و از قدیمی‌ترین نوع توربین‌ها هستند که همچنان در نیروگاه‌های حرارتی کاربرد فراوانی دارند.
مکانیزم عملکرد توربین بخار
بخار با فشار بالا وارد توربین شده و بر روی تیغه‌های آن جریان می‌یابد و باعث چرخش محور توربین می‌شود. انرژی حرارتی بخار به انرژی مکانیکی تبدیل شده و سپس در ژنراتور به برق تبدیل می‌شود.
کاربردهای توربین بخار در نیروگاه‌ها و صنایع
توربین‌های بخار در نیروگاه‌های برق حرارتی، پالایشگاه‌ها و صنایع پتروشیمی استفاده می‌شوند. از این توربین‌ها در نیروگاه‌های برق برای تولید انرژی الکتریکی و در برخی صنایع به عنوان محرک اصلی برای انواع ماشین‌آلات استفاده می‌شود.
توربین‌های آبی: استفاده از انرژی آب برای تولید برق
توربین‌های آبی یکی از مهم‌ترین انواع توربین‌ها در تولید انرژی تجدیدپذیر هستند. این توربین‌ها از انرژی جنبشی آب جاری یا آب ذخیره شده در سدها برای تولید برق استفاده میکنند.
انواع توربین‌های آبی (پلتون، کاپلان، فرانسیس)
توربین پلتون: برای ارتفاعات بالا و جریان‌های آب با سرعت بالا استفاده می‌شود.
توربین فرانسیس: در ارتفاعات متوسط و جریان‌های آب با سرعت و حجم متعادل استفاده می‌شود.
توربین کاپلان: برای جریان‌های آب با ارتفاع کم و حجم بالای آب مناسب است.
کاربرد توربین‌های آبی در سدها و نیروگاه‌های برق‌آبی
توربین‌های آبی به طور گسترده‌ای در سدها و نیروگاه‌های برق‌آبی استفاده می‌شوند و به عنوان یک منبع قابل اعتماد و پایدار برای تولید برق به کار می‌روند. این توربین‌ها به عنوان بخشی از نیروگاه‌های بزرگ و کوچک آبی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
توربین‌های گازی: استفاده در صنایع و هواپیماها
توربین‌های گازی از گازهای فشرده برای تولید انرژی استفاده میکنند و یکی از مهم‌ترین ابزارها در صنایع سنگین و حمل و نقل هوایی هستند.
مکانیزم عملکرد توربین‌های گازی
توربین گازی شامل سه بخش اصلی است:
کمپرسور: هوا را فشرده می‌کند.
محفظه احتراق: هوا با سوخت مخلوط شده و محترق می‌شود.
توربین: انرژی حاصل از گازهای خروجی را به چرخش تبدیل می‌کند.
کاربرد توربین‌های گازی در تولید برق و موتورهای جت
توربین‌های گازی به دلیل توانایی بالای تولید انرژی در زمان کوتاه، در نیروگاه‌های برق و موتورهای جت هواپیماها استفاده می‌شوند. در نیروگاه‌ها، از این توربین‌ها برای تولید برق در کنار توربین‌های بخار استفاده می‌شود.
توربین‌های محوری و محوری مرکب
توربین‌های محوری یکی از انواع توربین‌هایی هستند که انرژی سیال را در راستای محور چرخش به انرژی مکانیکی تبدیل میکنند.
تفاوت‌ها و کاربردهای توربین محوری و مرکب
توربین‌های محوری: در آنها جریان سیال به موازات محور توربین حرکت می‌کند.
توربین‌های محوری مرکب: ترکیبی از توربین‌های محوری و شعاعی هستند که برای تولید انرژی بیشتر طراحی شده‌اند.
توربین‌های صنعتی و توربین‌های کوچک
کاربرد توربین‌های صنعتی در فرایندهای تولیدی
توربین‌های صنعتی به عنوان محرک در فرایندهای تولیدی پیچیده و پر انرژی مانند تولید فولاد، پالایشگاه‌ها، و صنایع شیمیایی استفاده می‌شوند.
توربین‌های کوچک: تولید انرژی در مقیاس کوچک
توربین‌های کوچک برای مصارف خاص مانند تولید برق در مناطق دورافتاده یا تأمین برق برای سیستم‌های خاص صنعتی به کار می‌روند.
توربین‌های حرارتی خورشیدی
توربین‌های حرارتی خورشیدی از انرژی خورشید برای تولید برق استفاده میکنند. این توربین‌ها با تمرکز نور خورشید بر روی سیالی مانند آب یا نمک مذاب کار میکنند و از بخار تولید شده برای چرخش توربین و تولید برق بهره می‌گیرند.
نحوه عملکرد توربین‌های خورشیدی
در این سیستم‌ها، نور خورشید به صورت متمرکز به سیالی برخورد می‌کند که به نقطه جوش می‌رسد و بخار تولید شده برای به چرخش درآوردن توربین به کار می‌رود.
کاربرد در نیروگاه‌های خورشیدی
این توربین‌ها در نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) استفاده می‌شوند و به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین تکنولوژی‌ها در تولید برق از انرژی خورشیدی شناخته می‌شوند.
تفاوت‌ها و شباهت‌های توربین‌ها در صنایع مختلف
توربین‌ها در صنایع مختلف تفاوت‌ها و شباهت‌هایی دارند که بسته به نوع سیال و کاربرد آنها می‌توان به این تفاوت‌ها پی برد. در حالی که همه توربین‌ها به منظور تبدیل انرژی سیال به انرژی مکانیکی استفاده می‌شوند، نوع سیال، فشار و دمای کاری هر توربین، آنها را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای خاص تبدیل می‌کند.
نتیجه‌گیری: انتخاب نوع مناسب توربین بر اساس کاربرد
انتخاب نوع مناسب توربین بستگی به نوع کاربری، نوع سیال و شرایط محیطی دارد. برای تولید انرژی برق در نیروگاه‌ها، توربین‌های بخار و گازی معمولاً بهترین انتخاب هستند. در حالی که برای انرژی‌های تجدیدپذیر، توربین‌های بادی و آبی بسیار مفید هستند. انتخاب صحیح توربین می‌تواند منجر به بهره‌وری بالاتر و صرفه‌جویی در انرژی شود.
سوالات متداول درباره انواع توربین‌ها و کاربردهای آنها
توربین‌های بادی چگونه برق تولید میکنند؟
توربین‌های بادی از انرژی جنبشی باد برای چرخش تیغه‌ها استفاده میکنند و این انرژی مکانیکی توسط ژنراتور به برق تبدیل می‌شود.
تفاوت بین توربین‌های بخار و گازی چیست؟
توربین بخار از بخار آب برای تولید انرژی استفاده می‌کند، در حالی که توربین گازی از گازهای فشرده شده و احتراق برای تولید انرژی بهره می‌گیرد.
توربین‌های آبی در کجا استفاده می‌شوند؟
توربین‌های آبی در سدها و نیروگاه‌های برق‌آبی استفاده می‌شوند و از انرژی آب برای تولید برق استفاده میکنند.
توربین‌های گازی بیشتر در چه صنایعی استفاده می‌شوند؟
این توربین‌ها در صنایع سنگین، پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌های برق و موتورهای جت هواپیما کاربرد دارند.
آیا توربین‌های خورشیدی در تولید برق کاربرد دارند؟
بله، توربین‌های خورشیدی از انرژی خورشید برای تولید بخار و به دنبال آن برق استفاده میکنند.
توربین‌های کوچک چه کاربردهایی دارند؟
توربین‌های کوچک برای تولید انرژی در مقیاس کوچک مانند مناطق دورافتاده یا تأمین برق سیستم‌های خاص صنعتی به کار می‌روند.
توربین (به انگلیسی: Turbine) یا چرخ‌پره، موتوری چرخنده است که می‌تواند از یک سیال انرژی به‌دست آورد، واژهٔ توربین برای نخستین بار به وسیلهٔ کلود بوردین در سال ۱۸۲۸ به وجود آمد که از واژه‌ای یونانی به معنی چرخنده یا سرگردان مشتق شده‌است.
لینک سایت مرجع
مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.
