گاهی اوقات تصور هوا به عنوان یک سیال دشوار است. به نظر می‌رسد که خیلی نامرئی است. اما هوا مانند هر سیال دیگری یک سیال است، با این تفاوت که ذرات آن به جای مایع، به شکل گاز هستند. و وقتی هوا به سرعت به شکل باد حرکت می‌کند، آن ذرات به سرعت حرکت می‌کنند. حرکت به معنای انرژی جنبشی است که می‌تواند جذب شود، درست مانند انرژی موجود در آب در حال حرکت که می‌تواند توسط توربین در یک سد برق آبی گرفته شود. در مورد یک توربین بادی-برقی، پره‌های توربین طوری طراحی شده‌اند که انرژی جنبشی باد را جذب کنند. بقیه تقریباً مشابه یک سیستم برق آبی است: وقتی پره‌های توربین انرژی باد را جذب می‌کنند و شروع به حرکت می‌کنند، محوری را می‌چرخانند که از مرکز روتور به یک ژنراتور منتهی می‌شود. ژنراتور آن انرژی چرخشی را به برق تبدیل می‌کند. در اصل، تولید برق از باد در مورد انتقال انرژی از یک محیط به محیط دیگر است.
هر آنچه در مورد انرژی بادی است با خورشید شروع می‌شود. وقتی خورشید منطقه خاصی از زمین را گرم می‌کند، هوای اطراف آن توده زمین مقداری از آن گرما را جذب می‌کند. در یک دمای خاص، آن هوای گرم‌تر خیلی سریع شروع به بالا رفتن می‌کند زیرا حجم معینی از هوای گرم از حجم مساوی هوای خنک‌تر سبک‌تر است. ذرات هوای سریع‌تر (داغ‌تر) فشار بیشتری نسبت به ذرات کندتر اعمال می‌کنند، بنابراین برای حفظ فشار هوای معمولی در ارتفاع معین، به تعداد کمتری از آنها نیاز است. وقتی آن هوای گرم سبک‌تر ناگهان بالا می‌رود، هوای خنک‌تر به سرعت جریان می‌یابد تا شکافی را که هوای گرم پشت سر گذاشته است، پر کند. آن هوایی که برای پر کردن شکاف هجوم می‌آورد، باد است.
اگر جسمی مانند پره روتور را در مسیر آن باد قرار دهید، باد به آن فشار می‌آورد و مقداری از انرژی حرکتی خود را به پره منتقل می‌کند. اینگونه است که یک توربین بادی انرژی را از باد می‌گیرد. همین اتفاق در مورد یک قایق بادبانی نیز می‌افتد. وقتی هوای متحرک به مانع بادبان فشار می‌آورد، باعث حرکت قایق می‌شود. باد انرژی حرکتی خود را به قایق بادبانی منتقل کرده است.

قطعات یک توربین بادی

ساده‌ترین توربین بادی ممکن از سه بخش حیاتی تشکیل شده است:

• پره‌های روتور: پره‌ها اساساً بادبان‌های سیستم هستند؛ در ساده‌ترین شکل خود، به عنوان موانعی در برابر باد عمل می‌کنند (طراحی‌های مدرن‌تر پره‌ها فراتر از روش مانع هستند). وقتی باد پره‌ها را به حرکت در می‌آورد، مقداری از انرژی خود را به روتور منتقل کرده است.
• شفت: شفت توربین بادی به مرکز روتور متصل است. وقتی روتور می‌چرخد، شفت نیز می‌چرخد. به این ترتیب، روتور انرژی مکانیکی و چرخشی خود را به شفت منتقل می‌کند که از انتهای دیگر وارد یک ژنراتور الکتریکی می‌شود.
• ژنراتور: در ساده‌ترین حالت، یک ژنراتور یک دستگاه نسبتاً ساده است. از خواص القای الکترومغناطیسی برای تولید ولتاژ الکتریکی استفاده می‌کند. ولتاژ اساساً فشار الکتریکی است - نیرویی است که برق یا جریان الکتریکی را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌کند. بنابراین تولید ولتاژ در واقع تولید جریان است. یک ژنراتور ساده از آهنربا و یک هادی تشکیل شده است. هادی (کونداکتور) معمولاً یک سیم پیچ خورده است. در داخل ژنراتور، شفت به مجموعه‌ای از آهنرباهای دائمی متصل می‌شود که سیم پیچ سیم را احاطه کرده است. در القای الکترومغناطیسی، اگر یک هادی داشته باشید که توسط آهنربا احاطه شده باشد و یکی از آن قسمت‌ها نسبت به قسمت دیگر بچرخد، ولتاژی در هادی القا می‌شود. وقتی روتور شفت را می‌چرخاند، شفت مجموعه آهنرباها را می‌چرخاند و ولتاژی را در سیم‌پیچ تولید می‌کند. این ولتاژ، جریان الکتریکی (معمولاً جریان متناوب یا برق AC) را از طریق خطوط برق برای توزیع هدایت می‌کند.

حالا که به یک سیستم ساده نگاه کردیم، به سراغ فناوری مدرنی که امروزه در مزارع بادی و حیاط خلوت‌های روستایی می‌بینید، می‌رویم. کمی پیچیده‌تر است، اما اصول اساسی یکسان هستند.

فناوری مدرن انرژی بادی

وقتی در مورد توربین‌های بادی مدرن صحبت می‌کنید، به دو طرح اصلی نگاه می‌کنید: محور افقی و محور عمودی. توربین‌های بادی محور عمودی (VAWT) بسیار نادر هستند. تنها نمونه‌ای که در حال حاضر در تولید تجاری است، توربین داریوس است که شبیه همزن تخم‌مرغ است.

در توربین‌های بادی عمودی (VAWT)، شفت بر روی یک محور عمودی، عمود بر زمین نصب می‌شود. توربین‌های بادی عمودی (VAWT) برخلاف نمونه‌های محور افقی خود، همیشه با باد همسو هستند، بنابراین هنگام تغییر جهت باد نیازی به تنظیم نیست؛ اما توربین بادی عمودی نمی‌تواند به تنهایی شروع به حرکت کند و برای شروع به کار به نیروی کمکی از سیستم الکتریکی خود نیاز دارد. به جای دکل، معمولاً از سیم‌های مهار برای پشتیبانی استفاده می‌کند، بنابراین ارتفاع روتور پایین‌تر است. ارتفاع پایین‌تر به معنای باد کندتر به دلیل تداخل زمین است، بنابراین توربین‌های بادی عمودی (VAWT) عموماً نسبت به توربین‌های بادی عمودی (HAWT) راندمان کمتری دارند. از مزایای آن، قرار گرفتن تمام تجهیزات در سطح زمین برای نصب و سرویس آسان است. اما این به معنای اشغال فضای بیشتر برای توربین است که یک نکته منفی بزرگ در مناطق کشاورزی محسوب می‌شود.

توربین‌های بادی با محور عمودی (VAWT) ممکن است برای توربین‌های کوچک و پمپاژ آب در مناطق روستایی استفاده شوند، اما تمام توربین‌های بادی تولید شده در مقیاس صنعتی، توربین‌های بادی با محور افقی (HAWT) هستند.

همانطور که از نامش پیداست، شفت توربین بادی بزرگ (HAWT) به صورت افقی و موازی با زمین نصب می‌شود. توربین‌های بادی بزرگ (HAWT) باید با استفاده از یک مکانیزم تنظیم انحراف، دائماً خود را با باد هماهنگ کنند. سیستم انحراف معمولاً از موتورهای الکتریکی و گیربکس‌هایی تشکیل شده است که کل روتور را به صورت گام‌های کوچک به چپ یا راست حرکت می‌دهند. کنترل‌کننده الکترونیکی توربین، موقعیت یک دستگاه بادنما (مکانیکی یا الکترونیکی) را می‌خواند و موقعیت روتور را برای جذب بیشترین انرژی باد موجود تنظیم می‌کند. توربین‌های بادی بزرگ (HAWT) از یک برج برای بالا بردن اجزای توربین تا ارتفاع بهینه برای سرعت باد (و بنابراین پره‌ها می‌توانند از زمین فاصله بگیرند) استفاده می‌کنند و فضای بسیار کمی از زمین را اشغال می‌کنند، زیرا تقریباً همه اجزا تا ارتفاع 260 فوت (80 متر) در هوا قرار دارند.

اجزای بزرگ توربین بادی افقی(HAWT)

• پره‌های روتور - انرژی باد را جذب کرده و آن را به انرژی چرخشی شفت تبدیل می‌کنند.
• شفت - انرژی چرخشی را به ژنراتور منتقل می‌کند.
• ناسل (nacelle) - محفظه‌ای که گیربکس (سرعت شفت را بین هاب روتور و ژنراتور افزایش می‌دهد)، ژنراتور (از انرژی چرخشی شفت برای تولید برق با استفاده از الکترومغناطیس استفاده می‌کند)، واحد کنترل الکترونیکی (سیستم را نظارت می‌کند، در صورت نقص، توربین را خاموش می‌کند و مکانیسم انحراف را کنترل می‌کند)، کنترل‌کننده انحراف (روتور را حرکت می‌دهد تا با جهت باد همسو شود) و ترمزها (چرخش شفت را در صورت اضافه بار برق یا خرابی سیستم متوقف می‌کند) را نگه می‌دارد.
• برج - از روتور و ناسل پشتیبانی می‌کند و کل مجموعه را به ارتفاع بالاتری می‌برد تا پره‌ها بتوانند با خیال راحت از زمین فاصله بگیرند.
• تجهیزات الکتریکی - برق را از ژنراتور به پایین از طریق برج منتقل می‌کند و بسیاری از عناصر ایمنی توربین را کنترل می‌کند.

آیرودینامیک توربین

برخلاف طراحی قدیمی آسیاب بادی هلندی که عمدتاً بر نیروی باد برای به حرکت درآوردن پره‌ها متکی بود، توربین‌های مدرن از اصول آیرودینامیکی پیچیده‌تری برای جذب مؤثرتر انرژی باد استفاده می‌کنند. دو نیروی آیرودینامیکی اصلی که در روتورهای توربین بادی عمل می‌کنند، نیروی بالابر (لیفت) هستند که عمود بر جهت جریان باد عمل می‌کند؛ و نیروی پسا (درگ) که موازی با جهت جریان باد عمل می‌کند.

پره‌های توربین بسیار شبیه بال‌های هواپیما هستند. آنها از طراحی ایرفویل استفاده می‌کنند. در یک ایرفویل، یک سطح تیغه تا حدودی گرد است، در حالی که سطح دیگر نسبتاً صاف است. نیروی بالابر پدیده‌ای بسیار پیچیده است و در واقع ممکن است برای درک کامل آن نیاز به مدرک دکترای ریاضی یا فیزیک باشد. اما در یک توضیح ساده از نیروی بالابر، هنگامی که باد از روی سطح گرد و رو به باد تیغه عبور می‌کند، باید سریع‌تر حرکت کند تا به موقع به انتهای تیغه برسد تا با بادی که از روی سطح صاف و رو به باد تیغه (رو به جهتی که باد از آن می‌وزد) عبور می‌کند، برخورد کند. از آنجایی که هوای سریع‌تر در جو تمایل به صعود دارد، سطح منحنی در جهت باد، درست بالای آن یک حفره کم‌فشار ایجاد می‌کند. ناحیه کم‌فشار، تیغه را در جهت باد می‌مکد، اثری که به عنوان "لیفت" شناخته می‌شود. در سمت باد بالای تیغه، باد کندتر حرکت می‌کند و ناحیه‌ای با فشار بیشتر ایجاد می‌کند که به تیغه فشار می‌آورد و سعی در کاهش سرعت آن دارد. مانند طراحی بال هواپیما، نسبت بالای لیفت به درگ در طراحی یک تیغه توربین کارآمد ضروری است. تیغه‌های توربین پیچ خورده‌اند تا همیشه بتوانند زاویه‌ای را ارائه دهند که از نسبت نیروی لیفت به درگ ایده‌آل بهره ببرد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد لیفت، درگ و آیرودینامیک یک ایرفویل، به بخش "هواپیماها چگونه کار می‌کنند" مراجعه کنید.
آیرودینامیک تنها نکته طراحی در ایجاد یک توربین بادی مؤثر نیست. اندازه مهم است -- هرچه تیغه‌های توربین بلندتر باشند (و بنابراین قطر روتور بیشتر باشد)، توربین می‌تواند انرژی بیشتری از باد بگیرد و ظرفیت تولید برق بیشتری داشته باشد. به طور کلی، دو برابر کردن قطر روتور، افزایش چهار برابری در خروجی انرژی را ایجاد می‌کند. با این حال، در برخی موارد، در منطقه‌ای با سرعت باد کمتر، یک روتور با قطر کوچکتر می‌تواند در نهایت انرژی بیشتری نسبت به یک روتور بزرگتر تولید کند، زیرا با یک چیدمان کوچکتر، برای چرخاندن ژنراتور کوچکتر به نیروی باد کمتری نیاز است، بنابراین توربین می‌تواند تقریباً همیشه با ظرفیت کامل کار کند. ارتفاع برج نیز عامل اصلی در ظرفیت تولید است. هرچه توربین بلندتر باشد، انرژی بیشتری می‌تواند جذب کند زیرا سرعت باد با افزایش ارتفاع افزایش می‌یابد - اصطکاک زمین و اشیاء سطح زمین جریان باد را قطع می‌کنند. دانشمندان تخمین می‌زنند که با هر دو برابر شدن ارتفاع، سرعت باد 12 درصد افزایش می‌یابد.