توربین بادی به توربینی گفته می‌شود که برای تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی الکتریکی به کار می‌رود که توان بادی نام دارد. توربین‌های بادی در دو نوع با محور افقی و با محور عمودی ساخته می‌شوند. توربین‌های بادی کوچک برای کاربردهایی مانند شارژ کردن باتری ها یا توان کمکی در قایق‌های بادبانی مورد استفاده قرار می‌گیرند، در حالی که توربین‌های بادی بزرگ‌تر با چرخاندن ژنراتور، و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی، به عنوان یک منبع تولید انرژی الکتریکی به‌شمار می‌روند. انواع دیگری از توربین‌های بادی وجود دارد که برای پمپ کردن آب استفاده می‌شود که به آن پمپ بادی می‌گویند یا برای آسیاب گندم به کار می‌رود که آسیاب بادی نام دارد و موارد دیگری که هر کدام نام خاص خودشان را دارند. پرهٔ توربین‌های بادی می‌تواند به دور محور افقی یا عمودی دوران کند. توربین بادی با محور افقی، پیشینهٔ بیشتری داشته و امروزه هم بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقابل، مزیت توربین بادی با محور عمودی، عدم حساسیت نسبت به جهت وزش باد و عدم نیاز به یک پایهٔ مرتفع است.

انواع توربین‌های بادی 

در توربین‌های بادی با محور افقی (به انگلیسی: Horizontal Axis Wind Turbine) که به اختصار HAWT هم نامیده می‌شوند، روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای یک برج بلند قرار گرفته و باید در راستای باد قرار گیرند. توربین‌های بادی کوچک برای تعیین جهت وزش باد از یک بادنمای ساده استفاده می‌کنند، ولی توربین‌های بزرگ‌تر معمولاً از یک سنسور باد که با یک سرووموتور در ارتباط است، استفاده می‌کنند. بیشتر این توربین‌های بادی، با استفاده از یک جعبه‌دنده، سرعت چرخش کُند پره‌ها را به سرعت بیشتری برای ژنراتور تبدیل می‌کنند.

توربین‌های بادی امروزی

توربین‌های بادی که امروزه در نیروگاه‌های بادی برای تولید تجاری برق مورد استفاده قرار می‌گیرند، معمولاً سه-پره بوده و با استفاده از سامانه‌های کنترل رایانه‌ای در جهت وزش باد قرار می‌گیرند. البته توربین‌های باد با دو پره و حتی یک پره هم استفاده می‌شوند. پره‌های این توربین‌ها، معمولاً طولی بین ۲۰ تا ۴۰ متر و حتی بیشتر و سرعت دورانی حدود ۱۰ تا ۲۲ دور بر دقیقه دارند. اگر طول پرهٔ یک توربین بادی، ۴۰ متر بوده و با سرعت ۲۰ دور بر دقیقه دوران کند، سرعت خطی نوک پره‌های آن، حدود ۸۴ متر بر ثانیه (۳۰۲ کیلومتر بر ساعت) خواهد بود. برجی که پره‌ها بر بالای آن نصب می‌شوند، به صورت لولهٔ فولادی و به ارتفاع ۶۰ تا ۹۰ متر است. معمولاً با استفاده از جعبه‌دنده، سرعت چرخش محور افزایش داده می‌شود، ولی در برخی از طراحی‌ها، محور با همان سرعت یک ژنراتور حلقوی را می‌چرخاند. برخی از مدل‌های توربین بادی، در سرعت ثابت کار می‌کنند ولی توربین‌های با سرعت متغیر انرژی بیشتری می‌توانند تولید کنند؛ که به واسطه نیروی لیفت و دراگ پره‌ها به حرکت در می‌آیند.

توربین بادی با محور عمودی

در توربین‌های بادی با محور عمودی (به انگلیسی: Vertical Axis Wind Turbine) که به اختصار VAWT نامیده می‌شود، روتور اصلی به‌صورت عمودی قرار می‌گیرد. مهم‌ترین برتری این نوع از توربین‌های بادی آن است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت وزش باد ندارند. این نکته در مکان‌هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلاً در بالای ساختمان‌های مسکونی، یک امتیاز به‌شمار می‌رود. مهم‌ترین عیب این نوع توربین‌ها، کم‌بودن سرعت دورانی آن‌ها و در نتیجه زیاد بودن گشتاور و هزینهٔ بیشتر سیستم انتقال قدرت، بارگذاری دینامیکی زیاد پره‌ها و همچنین پیچیدگی زیاد طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها پیش از ساخت پیش‌نمونه (پروتوتایپ) است. با توجه به عمودی بودن محور، جعبه‌دنده و ژنراتور می‌توانند در نزدیکی زمین قرار گیرند که این موضوع دسترسی به این تجهیزات را برای نگهداری و تعمیر آسان‌تر می‌کند. توربین‌های بادی با محور عمودی به شکل‌های مختلفی ساخته می‌شوند. دو نوع عمدهٔ آنها، توربین‌های داریوس و ساوونیوس هستند.

 اندازه توربین های بادی

۱- توربین بادی در مقیاس بهره وری (Tility scale wind turbine): این توربین های بادی در مقیاس بهره وری از ۱۰۰ کیلووات تا چندین مگاوات متغیر هستند و در کارخانه تولیدات توربین با همدیگر گروه بندی می شوند.

۲- توربین بادی دریایی (Offshore wind turbine): توربین های بادی دریایی بسیار عظیم الجثه می باشند. آن ها مشکلات و چالش های حمل و نقل مشابه تأسیسات بادی مستقر در زمین را ندارند زیرا اجزای بزرگ آن ها را می توان با کشتی انتقال داد. این توربین ها می توانند از بادهای قدرتمند اقیانوسی انرژی زیادی تولید کنند.

۳- توربین بادی کوچک (Single small wind turbine): توربین های بادی کوچک زیر ۱۰۰ کیلووات انرژی الکتریسیته تولید می کنند و معمولاً برای کاربردهای مسکونی، کشاورزی، تجاری و صنعتی کوچک استفاده می شوند. این سیستم ها، سیستم های بادی هیبریدی نامیده می شوند و به طور معمول در مکان های از راه دور و خارج از شبکه (جایی که اتصال به شبکه کنترل در دسترس نباشد) مورد استفاده قرار می گیرند. این نوع توربین ها را می توان در سیستم های انرژی ترکیبی با دیگر منابع انرژی توزیع شده مانند میکرو شبکه های تولید شده توسط دیزل ژنراتورها، باتری ها و فتوولتائیک ها استفاده کرد.

۴- توربین بادی توزیع شده (Distributed wind turbine): وقتی توربین هایی با اندازه های مختلف در مکان یا نزدیک به مکانی که انرژی آنها مورد استفاده قرار می گیرد نصب شوند؛ به آن ها توربین های بادی توزیع شده گفته می شود.

آینده انرژی بادی

به طور قطع، انرژی بادی در آینده نقش مهمی ایفا خواهد کرد، اما میزان بزرگی تأثیر آن به این بستگی دارد که شما در کدام قسمت جهان هستید و چه جایگزین‌‌هایی برای آن یافت می‌‌شود. برای مثال، در استرالیای آفتابی، انرژی خورشیدی گزینه ارزان‌تری است. در کشورهایی که زمستان‌‌های بادخیزی دارند (فصلی که تقاضای انرژی برق در بالاترین حد است)، توربین‌‌های بادی یک انتخاب جدی هستند؛ برای مثال، در 11 آگوست 2016 توربین‌‌های بادی در اسکاتلند توان کافی برای تأمین انرژی کل کشور را تولید کردند. در کشورهایی با منابع عظیم و نیروگاه‌‌های سوخت فسیلی که برنامه‌‌ای برای از رده خارج کردن آن‌ها در مدت کم ندارند، ممکن است سرمایه‌‌گذاری در استخراج کربن و ذخیره آن انتخاب عاقلانه‌‌ای باشد. درنهایت، این علاوه ‌‌بر یک تصمیم علمی، یک تصمیم سیاسی است. در آلمان، جایی که مردم به شدت مخالف انرژی اتمی هستند، سرمایه‌‌گذاری عظیمی روی انرژی بادی صورت گرفته است. دانمارک یک کشور اروپایی دیگر است برای حرکت به سمت 100 درصد استفاده از انرژی تجدیدپذیر برنامه‌‌ریزی می‌‌کند. چین نیز با اینکه هنوز دو سوم انرژی خود را از زغال‌سنگ تأمین می‌‌کند، به شدت در حال سرمایه‌‌گذاری در انرژی باد است. در نهایت، با اینکه انرژی بادی رشد چشمگیری دارد، اما هنوز بخش کوچکی از انرژی را تأمین می‌‌کند. 

مزایای توربین افقی

تیغه‌ها به سمت مرکز گرانش توربین اند که به ثبات آن کمک می‌کند.

تیغه‌ها برای قرار گیری در بهترین زاویه قابلیت پیچ و تاب دارند.

با پیچ کردن تیغه‌ها به روتور آسیب‌ها در طوفان به حداقل می‌رسد.

بلندی برج این امکان را می‌دهد تا دسترسی به باد‌های شدید و قوی بیشتر شود.

قابل استفاده در زمین‌های ناهموار و دور از ساحل بیشتر آن‌ها شروع خودکار دارند.

معایب توربین افقی

کارکرد سخت در نزدیک سطح زمین

سختی درحمل و نقل

مشکل در نصب و راه‌اندازی

در مجاورت رادار تحت تأثیر قرار می‌گیرد

تعمیر و نگه داری آن سخت است

آلودگی صوتی توربین‌های بادی

کسانی که در محل‌های نزدیک به توربین‌های بادی سکونت دارند، همیشه از صدای مخصوص چرخش پره‌ها و صدای آزار دهنده چرخ دنده توربین‌ها و ژنراتورها، که آرامش آن‌ها را برهم می‌زند، گلایه می‌کنند. توربین‌های بادی در سال‌های اخیر بسیار کم سر و صداتر از نمونه‌های قدیمی‌تر هستند. اکنون صدای پره توربین‌های بادی از فاصله بیش از ۲۰۰ متری قابل شنیدن نیست. مهندسین بر این باورند که توربین‌های بادی مدرن امروزی دیگر پر سر و صدا و آزار دهنده نیستند.

نتیجه گیری

انسانها از جریان باد یا انرژی حرکتی برای اهداف زیادی همانند قایقرانی، پرواز بادبادک و حتی تولید برق استفاده می کنند. توربین های بادی بر اساس یک اصل ساده کار می کنند: به جای استفاده از برق برای ساخت باد، از باد برای ساخت برق استفاده کنید. به طور خلاصه توربین های بادی با استفاده از نیروی آیرودینامیکی حاصل از تیغ های روتور (دواره) که مانند بال هواپیما (یا تیغه روتور هلیکوپتر) کار می کنند، انرژی باد که یک انرژی تجدید پذیر است را به برق تبدیل می کنند. هنگامی که باد در تیغه جریان می یابد فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می یابد. اختلاف فشار هوا در دو طرف تیغه باعث بالا بردن و کشیدن می شود. قوی تر بودن نیروی بالا برنده نسبت به کشش باعث چرخش روتور می شود. روتور که یا به طور مستقیم یا از طریق شافت و یک سری چرخ دنده ها و گیربکس به ژنراتور متصل شده باعث افزایش چرخش می شود و یک ژنراتور کوچکتر را به کار می اندازد. در نهایت تبدیل نیروی آیرودینامیکی به نیروی چرخشی در یک ژنراتور تولید برق می کند.