طراحی توربین بادی فرآیند تعریف شکل و مشخصات توربین باد برای استخراج انرژی باد است. فرآیند نصب توربین بادی شامل سیستم‌های ضروری برای مهار انرژی باد مانند جهت‌گیری توربین نسبت به باد، تبدیل چرخش مکانیکی به برق و سیستم‌های دیگر برای شروع، توقف و کنترل است.

   در این مطلب، ازآنجایی‌که توربین‌های بادی افقی (HWAT) بیشتر تولید می‌شوند، در مورد طراحی آن‌ها صحبت می‌شود.

   در سال 1919 بتز نشان داد که راندمان استخراج انرژی باد با ماشین‌های ایده آل، می‌تواند 59.3% باشد. حد قانون بتز با توربین‌های مدرن و جدید می‌تواند به 79 الی 80% برسد.

   علاوه بر طراحی آئرودینامیک پره‌ها، طراحی یک سیستم کامل توان می‌بایست در مورد مسائل کنترل، ژنراتور و ... پاسخگو باشد. این مسائل هنگامی‌که نیاز به اتصال توربین باد به شبکه برق هم هست، مهم‌تر نیز می‌شوند.

آئرودینامیک

   شکل و ابعاد پره‌های توربین باد با توجه به توان آئرودینامیک موردنیاز برای استخراج انرژی با راندمان بالا و توان موردنیاز برای مقاومت در برابر نیروهای روی پره تعیین می‌شوند.

   آئرودینامیک پره‌های توربین افقی ساده نیست. جریان هوای نزدیک به پره‌ها با جریان هوای دور از توربین، کاملاً متفاوت است. بعلاوه، آئرودینامیک توربین بادی در سطح روتور، پدیده‌هایی نشان می‌دهد که تابه‌حال در مباحث آئرودینامیک دیگری مشاهده نشده است.

کنترل توان

   سرعتی که توربین در آن سرعت می‌چرخد برای تولید توان کارآمد، می‌بایست کنترل شود و اجزای توربین را در محدوده سرعت و گشتاور طراحی نگه داشت. نیروی سانتریفیوژی بر پره‌های دوار با مربع سرعت دورانی زیاد می‌شوند، که این ساختار را به‌سرعت‌های بالا حساس می‌کند. به دلیل اینکه توان بادی با مکعب باد افزایش می‌یابد، می‌بایست توربین به‌گونه‌ای طراحی شود که قادر به تحمل بار بادی بیشتر باشند.

   هر توربین بادی برای تولید توان در محدوده سرعت‌های باد طراحی می‌شود. تمامی توربین‌ها برای بیشینه سرعت باد طراحی می‌شوند که سرعت بقا نامیده می‌شود. در سرعت‌های بیشتر از این مقدار، توربین آسیب می‌بیند. سرعت بقای توربین‌های تجاری در محدوده 40 تا 72 متر بر ثانیه است. رایج‌ترین سرعت بقا، 60 متر بر ثانیه است.

گشتاور ژنراتور

   توربین‌های مدرن و بزرگ دارای سرعت‌های متغیر هستند. هنگامی‌که سرعت باد کم است، گشتاور ژنراتور به‌گونه‌ای طراحی‌شده که تا مقدار ممکن، توان مهار کند. بیشترین توان زمانی مهار می‌شود که نسبت سرعت نوک ثابت نگه‌داشته شود و مقدار بهینه آن 6 یا 7 است. این به این معنی است که با افزایش سرعت باد، سرعت روتور متناسبا می‌بایست افزایش یابد. اختلاف بین گشتاور آئرودینامیک پره‌ها و ژنراتور سرعت روتور را کنترل می‌کند.

جنس پره‌ها

   عموماً، مواد سازنده پره‌ها، می‌بایست شرایط زیر را ارضا کنند:

1. دسترسی زیاد و پرداخت آسان برای کاهش هزینه‌ها و نگه‌داری
2. وزن و چگالی کم برای کاهش نیروی جاذبه
3. قدرت زیاد برای تحمل بار زیاد و نیروی جاذبه
4. مقاومت خستگی زیاد برای تحمل بار سیکلی
5. سفتی زیاد برای اطمینان از پایداری شکل بهینه
6. چقرمگی شکست بالا
7. توانایی تحمل شرایط طبیعی مانند رعدوبرق، رطوبت و دما