توربین آبی چیست؟

توربین آبی چیست : توربین آبی Hydropower یا نیروی مبتنی بر آب ماشین متحرکی است که از آب در حال حرکت انرژی می‌گیرد. این توربین‌ها در قرن نوزده میلادی توسعه یافتند و تا پیش از تورین‌های برقی مهم‌ترین منبع تولید قدرت در صنایع بودند. امروزه این توربین‌ها بیشتر برای تولید برق به کار میروند. این توربین‌ها بیشتر در سدها برای تبدیل انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل آب به برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.

یکی از بارز ترین تفاوت های انرژی آبی در مقایسه با انرژی بادی یا انرژی خورشیدی این است که شما نمی توانید با اضافه کردن ماژول های گیرنده بیشتر، به همان میزان بیشتر برق بگیرید.

زیرا انرژی آبی محدود به منبع خود است و شما با یک دستگاه می توانید تمامی بهره مندی خود را داشته باشید. این در حالی است که مبدل های باد و خورشید برای تولید الکتریسیته، تنها به فضای بیشتری نیازمندند.

انواع توربین آبی

طبقه بندی ماشین های هیدرو مکانیکی (توربین ها)

 

1. طبقه بندی براساس نوع جریان آب

• توربین های جریان محوری(جریان آب در طول محور) Kaplan، Propeller
• توربین های جریان شعاعی(جریان آب در امتداد شعاع) Francis
• توربین های جریان مماسی (جریان آب در جهت مماس) Pelton
• توربین های ترکیبی ورودی شعاعی – خروجی محوری Francis

 

2.طبقه بندی براساس عمل سیال

• توربین های ضربه ای به صورت Pelton ساخته می شوند. انرژی حاصل از فشار آب به انرژی جنبشی تبدیل شده و سپس آب در فشار اتمسفری پره های توربین را می چرخاند.
• توربین های واکنشی به صورت Kaplan ،Propeller ،Francis ساخته می شوند. در این حالت قبل از آن که آب به پره ها برخورد کند در اثر نیروی واکنشی تنها قسمتی از انرژی آب به انرژی مکانیکی و الکتریکی تبدیل می شود.

توربین چرخ آبی پِلتُن (Pelton Wheel Turbine)

این توربین برای سد با ارتفاع زیاد مناسب می باشد. این توربین شامل دو توری است که در اطراف آن محفظه های سطحی (Bucket) قرار گرفته است. برای به حرکت درآوردن توربین و ایجاد انرژی جنبشی در آن نیاز به تزریق آب با فشار زیاد به سطل ها می باشد.

سطل ها(bucket) از وسط به دو نیم مجزا هستند. آب پس از برخورد به مرکز آن به اطراف حرکت نموده و با مقدار ۱۰ الی ۱۵ در صد سرعت اولیه به مسیر برگشتی آب منتقل می‌شود.

برای بهره برداری بهینه از انرژی آب لازم است که سرعت خروجی آب در حداقل مقدار ممکن باشد. به منظور افزایش قدرت توربین، مسیرهای کمکی (فازهای کمکی) دیگر در اطراف محیط چرخ توربین قرار می گیرد(ا الی ۴ عدد).

البته افزایش بیش از حد فازها توصیه نمی‌شود، زیرا با افزایش فازها در جریان آب اغتشاش ایجاد می‌شود. درعوض می توان برای افزایش قدرت خروجی تعداد توربین ها را افزایش داد.

 

بخش‌های توربین آبی پلتون

توربین‌های ضربه‌ای انواع بسیار گوناگونی دارند. ولی مدلی که پلتون اختراع کرد، هنوز هم بیشترین راندمان را داراست. شکل زیر، قسمت‌های مختلف توربین پلتون را نشان می‌دهد. در این بخش، برخی از قسمت‌های اصلی این توربین را بررسی می‌کنیم.

نازل آب

از بالادست جریان، با عبور از یک لوله تحت فشار به نام پنستوک (penstock)، به نازل می‌رسد. با استفاده از این نازل، جت آب با سرعت بالا به بشقابک‌ها برخورد می‌کند. با کمک یک میله سوزنی شکل که داخل نازل قرار دارد، می‌توان جت آب و قطع و وصل شدن آن را کنترل کرد. این میله فقط در راستای طولی و به جلو و عقب حرکت می‌کند.

رانر و بشقابک

رانر توربین پلتون از یک دیسک تشکیل شده که تعدادی بشقابک روی محیط آن قرار گرفته‌اند. بشقابک‌ و جداکننده آن طوری طراحی شده‌اند تا جت خروجی آب، زاویه ۱۶۰ یا ۱۷۰ درجه داشته باشد. جنس بشقابک‌ها می‌تواند از چدن، آلیاژ برنز و فولاد و فولاد ضد زنگ باشد. انتخاب جنس توربین، به هد ورودی آب و تأثیر آن روی خوردگی بدنه بستگی دارد. بشقابک‌ها پس از دریافت جت آب، به حرکت درمی‌آیند و رانر را می‌چرخانند. با چرخش رانر، محور (shaft) خروجی هم شروع به چرخش می‌کند.

محفظه

برای اینکه آب برگشتی (جت خروجی از بشقابک‌ها) به اطراف پاشیده نشود و تمام آب در تونل پایاب (tail race) تخلیه شود، از یک محفظه استفاده شده است. محفظه توربین پلتون، کاربرد هیدرولیکی ندارد.

جت ترمزی

اگر مسیر خروجی نازل کاملاً مسدود شود، حجم آبی که به بشقابک‌های رانر برخورد میکند، به صفر خواهد رسید. ولی رانر به دلیل داشتن اینرسی زیاد، تا مدتی طولانی به چرخش خود ادامه خواهد داد. در این وضعیت و برای اینکه در فاصله زمانی کوتاهی، توربین متوقف شود، از یک نازل کوچک استفاده می‌شود تا آب را به پشت بشقابک‌‌ها پرتاب کند. این جت آب، به عنوان جت ترمزی شناخته می‌شود.

تنظیم سرعت توربین آبی پلتُن

مقدار جریان آب خارج شده از نازل (شیپوره) توسط سوزن در انتهای شیپور کنترل می‌شود. با جلو رفتن سوزن شیپوره میزان حجم آب ورودی به توربین کم شده و سرعت توربین کاهش می یابد.

از طرف دیگر چون توربین پلتن به ژنراتور متصل است، بنابراین بایستی سرعت آن ثابت بماند. پس علاوه بر کنترل حجم آب توسط سوزن شیپوره از انحراف دهنده نیز استفاده می شود. انحراف دهنده تمام یا قسمتی از آب را از مسیر آن به سمت توربین منحرف می کند.

توربین آبی فرانسیس (Francis Turbine)

توربین فرانسیس یک توربین واکنشی است. یعنی این توربین از کل ارتفاع قابل دسترسی (Head) قسمتی را به صورت انرژی فشاری و قسمتی را به صورت انرژی جنبشی استفاده می‌کند. این توربین برای سد با ارتفاع متوسط استفاده می‌شود. زیرا در توربین پلتن اگر ارتفاع کاهش یابد بایستی قطر توربین افزایش یابد که باعث کاهش سرعت توربین می شود که در نهایت توربین بلااستفاده شده و بایستی توربین فرانسیس به جای آن انتخاب گردد.

اجزای اساسی توربین آبی فرانسیس

• تجهیزات پره های هدایت کننده: این پر ه ها در قسمت حلقه خارجی و ساکن توربین می باشند و وظیفه هدایت آب رابه سمت قسمت چرخان توربین دارند.
• حلقه داخلی: این حلقه شامل پره های چرخان بر روی قسمت متحرک توربین است.

 

بخش‌های توربین آبی فرانسیس

بیشتر توربین‌های فرانسیس طوری ساخته می‌شوند که محورشان عمودی قرار بگیرد. برخی توربین‌های کوچکتر می‌توانند محورهای افقی هم داشته باشند. در شرایطی که محدودیتی برای اندازه وجود نداشته باشد، توربین عمودی انتخاب اول است. شکل زیر، قسمت‌های مختلف توربین فرانسیس را نشان می‌دهد. شکل پره‌ها در توربین فرانسیس طوری است که می‌تواند به صورت همزمان از انرژی جنبشی و پتانسیل سیال برای تولید توان استفاده کند. در نتیجه، دیگر نگرانی برای افت هد وجود نخواهد داشت.

تفاوت عملکرد توربین آبی پلتن و فرانسیس

توربین پلتن در آن آب خروجی فشار پائین به طور مستقیم به انتهای توربین سرازیر می شود. قطر مسیر لوله ای به تدریج افزایش یافته و در انتها در آب غوطه ور می‌شود تا از ورود آب به مسیر لوله ای اجتناب شود.

در توربین فرانسیس دو نوع ساختار به صورت عمودی و افقی ممکن است وجود داشته باشد. نوع افقی متداول تر بوده و سرعت بالایی دارد، در صورتی که برای ماشین های بزرگ معمولاً نوع عمودی ترجیح داده می‌شود.برای تنظیم میزان آب ورودی به این توربین، پر ه‌های هدایت کننده تعبیه شده‌اند که به موازات محور توربین در قسمت متحرک نصب شده اند.

این پر ه‌ها به صورت همزمان و لحظه ای در یک جهت حرکت می‌کنند و مقدار حرکت آن ها بستگی به میزان آب کنترل شده دارد. در این توربین نیز همانند توربین پلتن حرکت توربین به صورت خودکار کنترل و تنظیم می‌شود.

بازده توربین های فرانسیس در ماکزیمم آب ذخیره شده، ۷۵ درصد بازده توربین های پلتن است.

به دلیل این که توربین فرانسیس برای سرعت های بالا طراحی می‌شود، در نتیجه ابعاد و وزن آن ها کمتر خواهد بود.

توربین آبی چیست توربین آبی چیست توربین آبی چیست توربین آبی چیست توربین آبی چیست توربین آبی چیست