توربین بادی بدون پره یکی از نوآوریهای جالب در حوزه انرژیهای تجدیدپذیر است که در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این فناوری برخلاف توربینهای بادی سنتی که با پرههای چرخان کار میکنند، از حرکت نوسانی برای تولید برق استفاده میکند. شرکت Vortex Bladeless در اسپانیا پیشگام اصلی توسعه این نوع توربینهاست و محصول آنها را به عنوان یک ژنراتور باد مبتنی بر ارتعاش القایی ناشی از گردابه (Vortex-Induced Vibration Resonant Wind Generator) معرفی میکند. این رویکرد نه تنها ساختار سادهتری دارد، بلکه مزایایی مانند کاهش هزینههای نگهداری، عدم نیاز به روغنکاری و گیربکس، و سازگاری بیشتر با محیط زیست را به همراه میآورد.
معرفی توربین بادی بدون پره
توربین بادی بدون پره (Bladeless Wind Turbine) یک فناوری نوظهور در تولید انرژی باد است که به جای استفاده از پرههای چرخان، از پدیدههای آیرودینامیکی برای ایجاد ارتعاش در یک ساختار استوانهای بهره میبرد. این ایده نخستین بار توسط شرکت Vortex Bladeless Ltd.، یک استارتآپ اسپانیایی، به صورت جدی پیگیری شد. شرکت Vortex Bladeless این دستگاه را نه به عنوان یک “توربین” سنتی، بلکه به عنوان یک ژنراتور نوسانی توصیف میکند که از فیزیک متفاوتی نسبت به توربینهای افقی یا عمودی محور استفاده میکند.
این فناوری در اصل برای حل مشکلاتی مانند هزینههای بالای نگهداری، نویز، تأثیر بر پرندگان و اشغال فضای زیاد در توربینهای سنتی طراحی شده است. ساختار آن شبیه به یک ستون یا میله استوانهای است که در باد نوسان میکند و انرژی جنبشی باد را به ارتعاش مکانیکی تبدیل کرده و سپس به برق تبدیل مینماید. این رویکرد میتواند برای کاربردهای کوچکمقیاس مانند تولید انرژی در محل (on-site generation)، پشتبام ساختمانها یا مزارع بادی کوچک مناسب باشد.
توربین بادی بدون پره چیست و چگونه کار میکند؟
توربین بادی بدون پره اساساً یک ژنراتور باد مبتنی بر ارتعاش القایی ناشی از گردابه (Vortex-Induced Vibration یا VIV) است. برخلاف توربینهای سنتی که انرژی باد را از طریق نیروی بالابر (lift) روی پرهها به چرخش تبدیل میکنند، این دستگاه از نیروی درگ (drag) و پدیده گردابهزایی (vortex shedding) استفاده میکند.
وقتی باد به یک ساختار استوانهای برخورد میکند، جریان هوا در دو طرف استوانه جدا شده و گردابههای متناوب (alternating vortices) ایجاد میشود که به آنها گردابههای فون کارمان (von Kármán vortex street) گفته میشود. این گردابهها باعث ایجاد تفاوت فشار متناوب در دو طرف ساختار میشوند و اگر فرکانس گردابهزایی با فرکانس طبیعی نوسان ساختار همخوانی داشته باشد، پدیده رزونانس (resonance) رخ میدهد و ساختار شروع به نوسان شدید میکند. این نوسان مکانیکی سپس توسط یک سیستم ژنراتور خطی (linear alternator) به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.
به عبارت سادهتر، باد باعث “لرزش” یا “تکان خوردن” ستون میشود و این حرکت نوسانی برق تولید میکند. دستگاه نیازی به چرخش ندارد، بنابراین بدون گیربکس، شفت چرخان یا قطعات متحرک تماسدار کار میکند. این ویژگی باعث کاهش سایش و افزایش عمر مفید میشود.
اجزای اصلی توربین بادی بدون پره
ساختار توربین بادی بدون پره بسیار سادهتر از توربینهای سنتی است و شامل اجزای زیر میشود:
- مست (Mast): بخش بالایی که معمولاً استوانهای شکل و از مواد کامپوزیتی سبک مانند فیبر کربن تقویتشده یا فایبرگلاس ساخته میشود. این بخش آزادانه نوسان میکند و مستقیماً با باد تعامل دارد.
- میله کربنی (Carbon Fiber Rod): یک میله انعطافپذیر در پایه که مست را به پایه ثابت متصل میکند. این میله امکان نوسان آزاد را فراهم میآورد و انرژی مکانیکی را به بخش ژنراتور منتقل میکند.
- پایه ثابت (Fixed Base): بخش پایینی که به زمین یا سطح نصب متصل میشود و شامل لنگرها (anchorings) برای استحکام است.
- ژنراتور یا آلترناتور خطی (Linear Alternator): در پایه قرار دارد و از تعامل بین کویلهای مسی و میدانهای مغناطیسی برای تولید برق از طریق القای الکترومغناطیسی استفاده میکند. برخلاف ژنراتورهای چرخشی، اینجا حرکت خطی یا نوسانی است.
- سیستم تنظیم رزونانس (Tuning System): برخی مدلها شامل مکانیزمی برای تنظیم فرکانس طبیعی ساختار (با استفاده از آهنرباها یا وزنههای قابل تنظیم) هستند تا با تغییرات سرعت باد هماهنگ شود.
این اجزا بدون تماس مستقیم متحرک کار میکنند و بنابراین بدون نیاز به روغنکاری یا تعمیرات مکانیکی پیچیده عمل مینمایند.
نحوه تبدیل نوسان به انرژی الکتریکی
تبدیل انرژی در توربین بدون پره بر پایه القای الکترومغناطیسی (electromagnetic induction) استوار است، مشابه ژنراتورهای سنتی اما بدون چرخش. نوسان مست باعث حرکت میله کربنی میشود که به نوبه خود بخش متحرک آلترناتور (معمولاً آهنرباها) را جابهجا میکند. این حرکت نسبت به کویلهای ثابت باعث تغییر شار مغناطیسی شده و جریان الکتریکی القا میشود. این فرآیند مستقیم است و نیازی به تبدیل چرخشی به خطی ندارد.
در طراحی توربین Vortex Bladeless، آلترناتور به گونهای ساخته شده که حرکت تقریباً کروی یا ۳۶۰ درجه را پشتیبانی کند. این سیستم اجازه میدهد انرژی نوسانی مستقیماً به برق تبدیل شود، بدون تلفات مکانیکی گیربکس یا شفت. خروجی برق معمولاً متناوب است و میتواند با اینورتر به جریان مستقیم یا متناوب استاندارد تبدیل شود.
بازده انرژی در سرعتهای مختلف باد
بازده توربینهای بدون پره عموماً پایینتر از توربینهای سنتی است، زیرا بر پایه رزونانس کار میکنند و محدوده عملیاتی (lock-in range) محدودی دارند. در سرعتهای باد پایین (معمولاً از حدود ۳-۴ متر بر ثانیه شروع میشود)، وقتی فرکانس گردابهزایی با فرکانس طبیعی ساختار همخوانی پیدا میکند، نوسان حداکثری رخ میدهد و بازده به اوج میرسد.
با افزایش سرعت باد، فرکانس گردابهزایی افزایش مییابد و اگر ساختار تنظیم نشود، رزونانس از دست میرود و بازده افت میکند. مطالعات نشان میدهد که بازده حداکثر در برخی طراحیها حدود ۶ درصد است، در حالی که توربینهای سنتی میتوانند به ۴۰-۵۰ درصد برسند. با این حال، افزایش قطر مست میتواند هم قدرت خروجی و هم بازده را افزایش دهد، هرچند تعادلی بین حداکثر قدرت (مثلاً تا ۶۰۰ وات در برخی مدلها) و بازده وجود دارد.
در سرعتهای باد متوسط تا بالا، بدون مکانیزم تنظیم فعال، عملکرد کاهش مییابد، اما تحقیقات جدید پیشنهاد مکانیزمهای تغییر رزونانس گسسته (discrete resonance-shifting) برای گسترش محدوده سرعت باد دادهاند.
اصول آیرودینامیک در توربینهای بادی بدون پره
اصول آیرودینامیکی توربین بدون پره بر پایه جدایش جریان (flow separation) و ایجاد گردابههای متناوب است. وقتی باد به ساختار برخورد میکند، لایه مرزی جدا شده و گردابهها تشکیل میشوند که باعث نیروی جانبی متناوب میگردد. این نیرو اگر با فرکانس طبیعی ساختار همخوانی داشته باشد، دامنه نوسان به شدت افزایش مییابد (پدیده lock-in). مواد کامپوزیتی سبک و انعطافپذیر برای دستیابی به فرکانس طبیعی پایین و دامنه بالا ضروری هستند.
مقایسه با توربینهای سنتی
توربینهای بادی سنتی، که اغلب به صورت افقی با سه پره بزرگ طراحی میشوند، بر پایه اصل چرخش مکانیکی عمل میکنند. باد پرهها را میچرخاند و این چرخش، ژنراتور را فعال میکند تا برق تولید شود. این توربینها در مقیاس بزرگ، مانند مزارع بادی، بسیار کارآمد هستند و میتوانند تا چندین مگاوات برق تولید کنند. برای مثال، یک توربین سنتی متوسط میتواند حدود 3 مگاوات ظرفیت داشته باشد، که برای تأمین برق هزاران خانوار کافی است. در مقابل، توربینهای بدون پره، مانند مدل Vortex Bladeless، از مکانیسم کاملاً متفاوتی استفاده میکنند. این توربینها فاقد پره، دنده و یاتاقان هستند و به جای چرخش، از ارتعاشات ناشی از جریان باد بهره میبرند. ارتفاع آنها معمولاً کمتر است برای مثال، مدل Vortex تا 3 متر و ظرفیت تولید آنها در حال حاضر پایینتر است، حدود 100 تا 200 کیلووات.
از نظر کارایی، توربینهای سنتی در سرعتهای باد بالا برتر هستند و میتوانند تا 70 درصد انرژی باد را تبدیل کنند، در حالی که مدلهای بدون پره حدود 40 درصد کارایی دارند. اما توربینهای بدون پره در فضاهای محدودتر عملکرد بهتری نشان میدهند، زیرا مساحت جاروبشده (swept area) کمتری نیاز دارند و میتوان تعداد بیشتری از آنها را در یک منطقه نصب کرد. برای نمونه، در یک مزرعه بادی، ممکن است نیاز به 30 توربین بدون پره برای جایگزینی یک توربین سنتی باشد، اما این تعداد میتواند در فضایی کوچکتر جای گیرد.
از دیدگاه هزینه، ساخت توربینهای سنتی پرهزینه است، زیرا پرههای بزرگ از مواد پیشرفته مانند فیبر کربن ساخته میشوند و نیاز به پایههای عظیم دارند. هزینه تولید برق از آنها حدود 40 درصد بیشتر از مدلهای بدون پره است، زیرا توربینهای بدون پره از مواد سادهتر مانند رزین و فیبر شیشه استفاده میکنند و نصب آنها آسانتر است. علاوه بر این، نگهداری توربینهای سنتی چالشبرانگیز است؛ پرهها ممکن است شکسته شوند یا نیاز به تعویض داشته باشند، در حالی که مدلهای بدون پره فاقد قطعات متحرک اصطکاکی هستند و عمر مفید طولانیتری دارند.
از نظر زیستمحیطی، توربینهای سنتی خطر برخورد پرندگان و خفاشها را افزایش میدهند، زیرا پرههای چرخان با سرعت بالا حرکت میکنند. همچنین، توربینهای سنتی نیاز به فضای وسیع دارند و منظره را تغییر میدهند، اما مدلهای بدون پره با طراحی باریک، مناسب محیطهای شهری هستند.
فناوری نوسان ورتکس
فناوری نوسان ورتکس (Vortex-Induced Vibration) پایه و اساس توربینهای بادی بدون پره است. این پدیده آیرودینامیکی، که اولین بار توسط تئودور فون کارمان توصیف شد، زمانی رخ میدهد که باد از کنار یک جسم استوانهای عبور کند و ورتکسهای متناوب (گردابها) ایجاد نماید. این گردابها فشارهای متفاوتی بر دو سمت جسم اعمال میکنند و باعث ارتعاش آن میشوند.
در توربینهای بدون پره، مانند مدل Vortex Bladeless، ساختار اصلی یک میله استوانهای عمودی است که از مواد الاستیک مانند فیبر کربن یا شیشه ساخته شده. وقتی باد با سرعت مناسب (معمولاً بالای 3 متر بر ثانیه) به میله برخورد میکند، ورتکسها تشکیل میشوند و میله شروع به نوسان میکند. این نوسانات، انرژی مکانیکی تولید میکنند که توسط یک ژنراتور خطی (معمولاً شامل آهنرباها و سیمپیچها) به برق تبدیل میشود.
یکی از ویژگیهای کلیدی این فناوری، تنظیم رزونانس است. میله طوری طراحی میشود که فرکانس طبیعی نوسان آن با فرکانس ورتکسها همخوانی داشته باشد، که این امر کارایی را افزایش میدهد. برای مثال، در مدلهای Vortex، از آهنرباهای تنظیمکننده برای تغییر سختی میله استفاده میشود تا با تغییرات سرعت باد سازگار شود. این سیستم اجازه میدهد توربین در بادهای کمسرعت نیز کار کند، جایی که توربینهای سنتی متوقف میشوند.
علاوه بر این، فناوری ورتکس نیاز به جهتگیری ندارد؛ باد از هر جهتی میتواند ورتکس ایجاد کند، که این امر نصب را سادهتر میکند. تحقیقات نشان میدهد که این روش میتواند تا 40 درصد انرژی باد را در شرایط ایدهآل برداشت کند، هرچند در مقایسه با توربینهای سنتی، ظرفیت کلی پایینتری دارد. با پیشرفتهای اخیر، مانند استفاده از مواد کامپوزیتی برای کاهش وزن، این فناوری در حال تکامل است و پتانسیل کاربرد در سیستمهای هیبریدی با خورشیدی را دارد.
مزایا و معایب توربین بادی بدون پره
توربینهای بادی بدون پره مزایای متعددی دارند که آنها را به گزینهای جذاب برای انرژی تجدیدپذیر تبدیل میکند.
- اولاً، کاهش تأثیر زیستمحیطی: بدون پرههای چرخان، ریسک برخورد با پرندگان و خفاشها به حداقل میرسد، که این امر در مناطق حساس طبیعی اهمیت دارد.
- دوماً، صدای کم: این توربینها تقریباً بیصدا عمل میکنند، زیرا فاقد قطعات مکانیکی اصطکاکی هستند، و این ویژگی آنها را برای محیطهای شهری مناسب میسازد.
- سوماً، هزینه پایینتر: ساخت و نصب سادهتر است، زیرا مواد کمتری نیاز دارد و پایه کوچکتری میطلبد. هزینه تولید برق حدود 40 تا 53 درصد کمتر از توربینهای سنتی است. همچنین، نگهداری آسانتر است؛ بدون دنده یا یاتاقان، عمر مفید افزایش مییابد و نیاز به تعمیرات دورهای کاهش پیدا میکند.
- چهارماً، فضای کمتر: طراحی باریک اجازه میدهد تعداد بیشتری در یک منطقه نصب شود، که برای کاربردهای توزیعشده مفید است.
با این حال، معایبی نیز وجود دارد. اول، کارایی پایینتر: این توربینها حدود 30 درصد کمتر از مدلهای سنتی انرژی تولید میکنند، زیرا به مساحت جاروبشده کمتری وابستهاند. دوم، وابستگی به سرعت باد: در بادهای خیلی کم یا خیلی زیاد، عملکرد کاهش مییابد و نیاز به تنظیمات پیچیده دارد. سوم، ظرفیت محدود: مدلهای فعلی برای کاربردهای کوچک مناسب هستند و نمیتوانند جایگزین مزارع بزرگ شوند. چهارم، چالشهای ساختاری: ارتعاشات مداوم ممکن است باعث خستگی مواد شود، هرچند مواد پیشرفته این مشکل را کاهش میدهند.
آیا توربین بادی بدون پره جایگزین توربینهای پرهدار میشود؟
سؤال جایگزینی توربینهای بدون پره با مدلهای پرهدار، بحثی داغ در صنعت انرژی است. در حال حاضر، این فناوری نمیتواند کاملاً جایگزین شود، زیرا ظرفیت تولید پایینتری دارد، حدود 30 درصد کمتر و برای مقیاسهای بزرگ مناسب نیست. توربینهای سنتی در مزارع بادی، انرژی انبوه تولید میکنند، در حالی که بدون پرهها برای کاربردهای محلی مانند خودمصرفی طراحی شدهاند.
با این وجود، پتانسیل مکمل بودن وجود دارد. شرکت Vortex Bladeless تأکید میکند که فناوری آن میتواند شکافهایی را پر کند که توربینهای سنتی نمیتوانند، مانند محیطهای شهری یا ترکیبی با خورشیدی. تحقیقات نشان میدهد که با مقیاسپذیری، مدلهای بدون پره میتوانند تا 1 کیلووات یا بیشتر تولید کنند، که برای سیستمهای توزیعشده کافی است.
در آینده، با پیشرفت مواد و طراحی، ممکن است جایگزینی جزئی رخ دهد، اما کاملاً نه. برای مثال، در مناطق با بادهای نامنظم، بدون پرهها برتر هستند، اما در بادهای قوی، سنتیها کارآمدترند. در نهایت، این دو فناوری میتوانند کنار هم وجود داشته باشند تا انرژی تجدیدپذیر را گسترش دهند.
چالشهای فنی توربین بادی بدون پره
علیرغم مزایا، چالشهای فنی وجود دارد.
- کارایی پایین در بادهای متغیر: نوسانات نیاز به رزونانس دقیق دارند، که تغییرات باد میتواند مختل کند.
- خستگی ساختاری: ارتعاشات مداوم ممکن است مواد را ضعیف کند، هرچند مواد کامپوزیتی کمک میکنند.
- مقیاسپذیری: مدلهای بزرگتر نیاز به پایههای قویتر دارند و کارایی کاهش مییابد.
طراحی و ساخت توربین بادی بدون پره
طراحی توربین بدون پره ساده اما هوشمندانه است. ساختار اصلی شامل یک پایه ثابت، یک میله استوانهای الاستیک و یک ژنراتور در پایین است. میله از مواد کامپوزیتی مانند فیبر کربن ساخته میشود تا سبک و مقاوم باشد، و شکل مخروطی آن نوسانات را بهینه میکند.
در ساخت توربین بادی، ابتدا مدلهای کامپیوتری برای شبیهسازی ورتکس استفاده میشود. سپس، پروتوتایپها در تونل باد تست میشوند. برای مثال، در Vortex Bladeless، از آهنرباها برای تنظیم رزونانس استفاده میشود. ساخت شامل چاپ سهبعدی برای قطعات کوچک و قالبگیری برای میله است. نصب آسان است؛ پایه کوچک و بدون نیاز به جرثقیل بزرگ. پیشرفتهای اخیر شامل طراحیهای origami-inspired برای کارایی بیشتر در شهرها است. این فرآیند ساخت، هزینهها را کاهش میدهد و تولید انبوه را ممکن میسازد.
