توربین بادی محور عمودی چیست؟

اکنون که نیاز به انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر بیش از پیش احساس می‌شود، توربین‌های بادی به‌عنوان یکی از ابزارهای کلیدی در بهره‌برداری از انرژی باد مورد توجه قرار گرفته‌اند. این توربین‌ها در دو دسته اصلی محور افقی (HAWT) و محور عمودی (VAWT) طراحی و ساخته می‌شوند.

توربین بادی محور عمودی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، از جمله عدم وابستگی به جهت وزش باد، قابلیت استفاده در مناطق شهری و تولید صدای کمتر، در سال‌های اخیر مورد توجه پژوهشگران و مهندسان قرار گرفته‌اند.

سایت ابرار صنعتی به بررسی جامع توربین‌های بادی محور عمودی، انواع آن‌ها، اصول عملکرد و معایب، کاربردها و پیشرفت‌های اخیر در این حوزه می‌پردازد. اطلاعات ارائه‌شده در این مقاله از منابع معتبر خارجی و مطالعات علمی استخراج شده و با زبانی روان برای شما مخاطبان ابرار صنعتی تدوین شده است.

توربین بادی محور عمودی چیست؟

توربین‌های بادی محور عمودی دارای یک محور چرخش عمودی هستند که تیغه‌ها یا پره‌های آن به‌صورت عمودی در اطراف این محور قرار گرفته‌اند. این ساختار موجب می‌شود که توربین بتواند از بادهایی که از جهات مختلف می‌وزند، بهره ببرد. برخلاف توربین‌های محور افقی که باید جهت خود را با باد همسو کنند، توربین‌های محور عمودی نیاز به سیستم تغییر جهت ندارند.

تاریخچه توربین‌های بادی محور عمودی

استفاده از انرژی باد به قرن‌ها پیش بازمی‌گردد. اولین نمونه‌های شناخته‌شده از توربین‌های بادی محور عمودی در ایران باستان و در قالب آسیاب‌های بادی عمودمحور دیده شده‌اند که برای آسیاب کردن غلات به کار می‌رفتند. با این حال، طراحی مدرن توربین‌های بادی محور عمودی Vertical Axis Wind Turbines در قرن بیستم شکل گرفت. در سال 1931، مهندس فرانسوی ژرژ داریوس (Georges Darrieus) طرحی نوآورانه از توربین بادی محور عمودی را ارائه کرد که امروزه به نام توربین داریوس شناخته می‌شود.

این طراحی با پره‌های خمیده و شبیه به همزن تخم‌مرغ، پایه‌گذار پیشرفت‌های بعدی در این زمینه شد. همچنین، توربین ساونیوس (Savonius) که توسط مهندس فنلاندی سیگورد ساونیوس در دهه 1920 ابداع شد، به‌عنوان یکی دیگر از انواع کلیدی توربین‌های محور عمودی معرفی گردید. این دو مدل، یعنی داریوس و ساونیوس، امروزه پایه‌های اصلی طراحی توربین‌های بادی محور عمودی را تشکیل می‌دهند.

اصول عملکرد

توربین‌های بادی محور عمودی بر اساس تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس الکتریکی عمل می‌کنند. برخلاف توربین‌های محور افقی که پره‌ها در راستای جهت باد قرار دارند، در توربین‌های محور عمودی، محور چرخش عمود بر سطح زمین است و پره‌ها حول این محور می‌چرخند. این ساختار باعث می‌شود که توربین بدون نیاز به تنظیم جهت نسبت به باد عمل کند، زیرا از هر سمتی که باد بوزد، پره‌ها قادر به دریافت انرژی هستند.

توربین‌های داریوس از نیروی برآ (Lift) برای چرخش استفاده می‌کنند. پره‌های خمیده این توربین‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که با حرکت باد، اختلاف فشار در دو طرف پره ایجاد شده و نیروی برآ، محور را به چرخش درمی‌آورد. در مقابل، توربین‌های ساونیوس بیشتر بر نیروی درگ (Drag) وابسته هستند. شکل پره‌ها در این توربین‌ها شبیه به دو نیم‌کره یا سطل‌هایی است که باد را به دام انداخته و با فشار مستقیم باد، محور را می‌چرخانند. این تفاوت در مکانیزم عملکرد، کاربردها و کارایی هر نوع را متمایز می‌کند.

انواع توربین‌های محور عمودی

توربین‌های بادی محور عمودی به‌طور کلی در دو دسته اصلی داریوس و ساونیوس قرار می‌گیرند، اما مدل‌های ترکیبی و نوآوری‌های جدید نیز در این حوزه توسعه یافته‌اند:

• توربین داریوس (Darrieus): این توربین با پره‌های خمیده و آیرودینامیکی خود، برای تولید برق در سرعت‌های بالای باد مناسب است. با این حال، یکی از معایب آن عدم توانایی راه‌اندازی خودکار در سرعت‌های پایین باد است که گاهی نیاز به یک موتور کمکی یا ترکیب با توربین ساونیوس دارد.
• توربین ساونیوس (Savonius): این مدل با طراحی ساده و پره‌هایی شبیه به سطل، در سرعت‌های پایین باد عملکرد خوبی دارد و به‌راحتی راه‌اندازی می‌شود. اما راندمان پایین‌تر آن نسبت به داریوس، استفاده از آن را در مقیاس‌های بزرگ محدود کرده است.
• توربین‌های ترکیبی: ترکیب داریوس و ساونیوس برای بهره‌گیری از مزایای هر دو نوع، یکی از نوآوری‌های اخیر است. این توربین‌ها هم گشتاور راه‌اندازی بالایی دارند و هم در سرعت‌های بالاتر باد راندمان بهتری ارائه می‌دهند.
• توربین H-روتور: نسخه‌ای بهبودیافته از توربین داریوس با پره‌های مستقیم و افقی است که به دلیل سادگی ساخت و کارایی بالاتر، در برخی پروژه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزایای توربین بادی محور عمودی

توربین‌های محور عمودی به دلیل ویژگی‌های خاص خود، مزایای متعددی دارند که آن‌ها را از رقبای افقی متمایز می‌کند:

• عدم وابستگی به جهت باد: این توربین‌ها نیازی به مکانیزم تنظیم جهت (Yaw Mechanism) ندارند، که هزینه‌های ساخت و نگهداری را کاهش می‌دهد.
• قابلیت استفاده در ارتفاع کم: ژنراتور در این توربین‌ها معمولاً نزدیک به سطح زمین قرار دارد، که نصب و تعمیر آن را آسان‌تر می‌کند.
• عملکرد در محیط‌های آشوبناک: در مناطق شهری یا مکان‌هایی با جریان باد نامنظم، توربین‌های محور عمودی کارایی بهتری دارند.
• کاهش آلودگی صوتی: به دلیل سرعت کمتر نوک پره‌ها، این توربین‌ها صدای کمتری تولید می‌کنند و برای مناطق مسکونی مناسب‌ترند.
• طراحی ساده‌تر: ساختار مکانیکی این توربین‌ها اغلب ساده‌تر از توربین‌های محور افقی است.

معایب

با وجود مزایا، این توربین‌ها محدودیت‌هایی نیز دارند که باید مورد توجه قرار گیرند:

• راندمان پایین‌تر: در مقایسه با توربین‌های محور افقی، ضریب توان (Power Coefficient) توربین‌های محور عمودی معمولاً کمتر است.
• نیاز به سرعت باد بالاتر در برخی مدل‌ها: به‌ویژه در توربین داریوس، برای تولید انرژی بهینه، سرعت باد بیشتری نیاز است.
• تنش‌های مکانیکی: چرخش پره‌ها در جهت‌های متضاد باد می‌تواند تنش‌های بیشتری به سازه وارد کند و عمر مفید توربین را کاهش دهد.
• محدودیت در مقیاس بزرگ: این توربین‌ها بیشتر برای تولید برق در مقیاس کوچک مناسب هستند و در نیروگاه‌های بزرگ بادی کمتر استفاده می‌شوند.

کاربردهای توربین‌های بادی محور عمودی

توربین محور عمودی به دلیل انعطاف‌پذیری و ویژگی‌های خاص خود، در حوزه‌های مختلفی به کار گرفته می‌شوند:

• مناطق شهری: طراحی کم‌صدا و قابلیت نصب در ارتفاع کم، این توربین‌ها را برای استفاده در پشت‌بام‌ها و فضاهای شهری ایده‌آل کرده است.
• مناطق دورافتاده: در مکان‌هایی که دسترسی به شبکه برق محدود است، توربین‌های محور عمودی به‌عنوان منبعی مستقل برای تولید برق استفاده می‌شوند.
• کشاورزی: تأمین انرژی برای پمپ‌های آب و سیستم‌های آبیاری در مزارع دور از شبکه برق، یکی از کاربردهای رایج این توربین‌هاست.
• پروژه‌های تحقیقاتی: به دلیل طراحی ساده، این توربین‌ها در آزمایشگاه‌ها و پروژه‌های علمی برای مطالعه انرژی باد به کار می‌روند.

پیشرفت‌های اخیر در طراحی و بهینه‌سازی

پژوهش‌های اخیر بر بهبود راندمان و کاهش محدودیت‌های توربین‌های محور عمودی متمرکز شده است. به عنوان مثال، مطالعه‌ای در سال 2020 توسط محققان دانشگاه دلفت هلند نشان داد که استفاده از پره‌های متخلخل در توربین داریوس می‌تواند نیروی راه‌اندازی را تا 50 درصد کاهش دهد. همچنین، شبیه‌سازی‌های عددی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) نشان داده که افزودن نازل به توربین ساونیوس می‌تواند ضریب توان را تا 30 درصد افزایش دهد.

یکی دیگر از نوآوری‌ها، استفاده از مواد سبک و مقاوم مانند کامپوزیت‌های فیبر کربن در ساخت پره‌هاست که وزن توربین را کاهش داده و کارایی آن را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، توربین‌های ترکیبی داریوس-ساونیوس با تنظیم طول وتر ایرفویل، توان خروجی را در سرعت‌های مختلف باد بهینه کرده‌اند. این پیشرفت‌ها نشان‌دهنده پتانسیل بالای توربین‌های محور عمودی برای آینده انرژی‌های تجدیدپذیر است.

تحلیل فنی و آیرودینامیکی

از نظر آیرودینامیکی، عملکرد توربین محور عمودی به پارامترهایی مانند زاویه حمله (Angle of Attack)، ضریب برآ و درگ، و نسبت سرعت نوک پره (Tip Speed Ratio) وابسته است. در توربین داریوس، پره‌ها در هر چرخش با زوایای متفاوتی نسبت به باد قرار می‌گیرند که تحلیل جریان حول آن‌ها را پیچیده می‌کند. شبیه‌سازی‌های انجام‌شده در مقاله‌ای از ژورنال “Renewable Energy” در سال 2019 نشان داد که ضخامت پره و عدد رینولدز تأثیر قابل‌توجهی بر راندمان این توربین‌ها دارند.
در توربین ساونیوس، جریان باد به‌طور مستقیم با پره‌ها برخورد می‌کند و گشتاور معکوس ناشی از پره بازگشتی، راندمان را کاهش می‌دهد. برای رفع این مشکل، طراحی‌هایی با نازل یا دیفیوزر پیشنهاد شده که جریان را به سمت پره پیشرو هدایت می‌کند و گشتاور معکوس را حذف می‌نماید.

چالش‌ها و آینده توربین‌های محور عمودی

با وجود پیشرفت‌ها، چالش‌هایی مانند هزینه‌های اولیه بالا، نیاز به مواد مقاوم در برابر تنش‌های مکانیکی، و رقابت با توربین‌های محور افقی همچنان باقی است. با این حال، افزایش تقاضا برای انرژی پاک و توسعه فناوری‌های جدید، آینده روشنی را برای این توربین‌ها نوید می‌دهد. پیش‌بینی می‌شود که تا سال 2030، با کاهش هزینه‌های تولید و بهبود راندمان، سهم توربین‌های محور عمودی در بازار انرژی بادی به‌طور قابل‌توجهی افزایش یابد.

توربین‌های بادی محور عمودی با ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، راه‌حلی امیدبخش برای بهره‌برداری از انرژی باد در مقیاس‌های کوچک و محیط‌های خاص ارائه می‌دهند. اگرچه این توربین‌ها هنوز به پای راندمان توربین‌های محور افقی نرسیده‌اند، اما پیشرفت‌های اخیر در طراحی و بهینه‌سازی، آن‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای آینده تبدیل کرده است. با توجه به نیاز روزافزون به انرژی‌های تجدیدپذیر، سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه این فناوری می‌تواند نقش مهمی در کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی ایفا کند.

منبع: ابرار صنعتی