توربین Vortex Bladeless – توربین بادی عمودی بدون پره

توربین Vortex Bladeless، که توسط شرکت اسپانیایی Vortex Bladeless Ltd. توسعه یافته است، یک فناوری نوین در حوزه انرژی بادی به شمار می‌رود که از سال ۲۰۱۴ میلادی مورد توجه قرار گرفته است. توربین بادی عمودی که در واقع یک ژنراتور باد بدون پره است، بر پایه پدیده نوسان ناشی از گردابه‌ها عمل می‌کند و برخلاف توربین‌های بادی سنتی، فاقد پره‌های چرخان، گیربکس و قطعات مکانیکی پیچیده است. شرکت Vortex Bladeless، که توسط دیوید یانز و رائول مارتین تأسیس شده، هدف خود را ارائه راه‌حلی ساده‌تر، کم‌هزینه‌تر و سازگارتر با محیط زیست برای تولید برق از باد اعلام کرده است. این فناوری، که از حمایت‌هایی مانند برنامه Horizon 2020 اتحادیه اروپا برخوردار بوده، به عنوان مکملی برای پنل‌های خورشیدی در مقیاس کوچک و توزیع‌شده معرفی می‌شود و پتانسیل کاربرد در مناطق شهری، روستایی و حتی دورافتاده را دارد.

توربین Vortex Bladeless چیست؟

توربین Vortex Bladeless یک ژنراتور باد مبتنی بر ارتعاش رزونانسی ناشی از گردابه است که انرژی جنبشی باد را بدون نیاز به چرخش مکانیکی به برق تبدیل می‌کند. این دستگاه از یک سازه استوانه‌ای عمودی تشکیل شده که در برابر باد نوسان می‌کند و از پدیده‌ای به نام vortex shedding بهره می‌برد. برخلاف توربین‌های بادی معمولی که انرژی را از طریق نیروی لیفت آیرودینامیکی پره‌ها استخراج می‌کنند، این فناوری بر پایه ارتعاشات آیروالاستیک عمل می‌کند. شرکت Vortex Bladeless این دستگاه را به عنوان یک جایگزین رادیکال برای توربین‌های سنتی توصیف می‌کند که هزینه‌های تولید و نگهداری را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. مدل‌های اولیه مانند Vortex Nano با ارتفاع حدود ۱ متر و توان ۳ وات، و مدل‌های بزرگ‌تر مانند Vortex Tacoma با توان تا ۱۰۰ وات، برای کاربردهای خانگی و کوچک طراحی شده‌اند.

معرفی کلی فناوری توربین بدون پره

فناوری توربین بدون پره، که Vortex Bladeless یکی از پیشگامان آن است، بر پایه بهره‌برداری از ارتعاشات ناشی از جریان سیال اطراف یک سازه باریک عمل می‌کند. این فناوری از پدیده‌ای طبیعی الهام گرفته که در آن باد با عبور از یک جسم استوانه‌ای، گردابه‌های متناوب ایجاد می‌کند و این گردابه‌ها نیروی لیفت متناوبی بر سازه وارد می‌کنند. وقتی فرکانس این نیروها با فرکانس طبیعی سازه همخوانی پیدا کند، پدیده رزونانس رخ می‌دهد و دامنه ارتعاشات به حداکثر می‌رسد. انرژی مکانیکی حاصل از این ارتعاشات سپس از طریق یک آلترناتور الکترومغناطیسی به برق تبدیل می‌شود. این رویکرد، که فاقد قطعات متحرک در تماس مستقیم است، نیاز به روغن‌کاری و تعمیرات مکرر را حذف می‌کند و دستگاه را برای نصب در مکان‌های محدود مناسب می‌سازد. تحقیقات نشان می‌دهد که این فناوری می‌تواند در بادهای کم‌سرعت نیز کارآمد باشد و مکمل خوبی برای انرژی خورشیدی باشد.

تفاوت با توربین‌های بادی سنتی

توربین Vortex Bladeless در مقایسه با توربین‌های بادی سنتی مانند HAWT (توربین محور افقی) و VAWT (توربین محور عمودی)، تفاوت‌های اساسی دارد. توربین‌های سنتی بر پایه چرخش پره‌ها عمل می‌کنند و انرژی را از نیروی لیفت آیرودینامیکی استخراج می‌نمایند، در حالی که Vortex Bladeless فاقد پره، گیربکس و قطعات چرخان است و انرژی را از ارتعاشات نوسانی به دست می‌آورد. این تفاوت منجر به مزایایی مانند هزینه تولید حدود ۵۳ درصد کمتر، نگهداری آسان‌تر، عدم تولید نویز قابل شنیدن (زیر ۲۰ هرتز)، و ایمنی بیشتر برای پرندگان می‌شود. همچنین، Vortex Bladeless سریع‌تر به تغییرات جهت باد واکنش نشان می‌دهد و مناسب مناطق شهری با بادهای آشفته است. با این حال، کارایی آن در حال حاضر پایین‌تر است (حدود ۳۰ درصد کمتر از توربین‌های سنتی) و برای تولید برق در مقیاس بزرگ، نیاز به تعداد بیشتری دستگاه دارد. این فناوری بیشتر برای تولید توزیع‌شده و کوچک‌مقیاس مناسب است تا جایگزین کامل توربین‌های بزرگ.

پدیده Vortex Shedding چگونه کار می‌کند؟

پدیده Vortex Shedding، که به عنوان خیابان کارمان نیز شناخته می‌شود، یک فرآیند آیرودینامیکی طبیعی است که وقتی سیال (مانند باد) از اطراف یک جسم باریک عبور می‌کند، رخ می‌دهد. در این پدیده، فشار باد در دو سمت جسم نامتعادل می‌شود و گردابه‌های متناوب در پشت آن تشکیل می‌گردد. این گردابه‌ها نیروی لیفت متناوبی ایجاد می‌کنند که اگر با فرکانس طبیعی سازه همخوانی داشته باشد، منجر به ارتعاش رزونانسی می‌شود. در توربین Vortex Bladeless، این ارتعاشات عمداً تقویت می‌شوند تا انرژی مکانیکی تولید کنند. فرکانس گردابه‌ها با سرعت باد متناسب است و دامنه ارتعاشات با افزایش سرعت باد رشد می‌کند، بدون نیاز به قطعات چرخان. این پدیده در طبیعت رایج است و مهندسان معمولاً آن را برای جلوگیری از آسیب سازه‌ها محدود می‌کنند، اما در این فناوری، از آن برای تولید انرژی بهره‌برداری می‌شود. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که این فرآیند در اعداد رینولدز بالا نیز پایدار است و می‌تواند انرژی را به طور مداوم استخراج کند.

ساختار کلی توربین بدون پره

ساختار توربین بدون پره بسیار ساده است و شامل دو بخش اصلی می‌شود: پایه ثابت و دکل استوانه‌ای انعطاف‌پذیر. پایه به زمین لنگر انداخته شده و یک میله کربنی الاستیک آن را به دکل متصل می‌کند. دکل، که معمولاً مخروطی شکل است، آزادانه در جهت عمود بر باد نوسان می‌کند و قطعات داخلی آن بدون تماس مستقیم با یکدیگر، انرژی را تولید می‌کنند. در پایه، سیستم آلترناتور شامل کویل‌ها و مگنت‌ها قرار دارد که ارتعاشات را به برق تبدیل می‌کند. این طراحی فاقد برج سنگین، ناسل و پره است و ارتفاع مدل‌های کوچک آن از ۱ تا ۱۳ متر متغیر است. قطعات داخلی شامل حلقه مگنت برای تقویت حرکت و مکانیسم ایمنی برای توقف در بادهای شدید هستند. سادگی ساختار امکان تولید آسان، حمل و نقل و نصب را فراهم می‌کند و هزینه‌های لجستیکی را کاهش می‌دهد.

مواد به‌کاررفته در بدنه توربین Vortex

بدنه توربین Vortex Bladeless عمدتاً از مواد کامپوزیتی سبک و مقاوم ساخته می‌شود تا ارتعاشات بهینه و دوام بالا فراهم گردد. دکل اصلی از رزین تقویت‌شده با فیبر کربن یا فیبر شیشه ساخته شده که همان مواد مورد استفاده در پره‌های توربین‌های سنتی است. میله اتصال نیز از پلیمر تقویت‌شده با فیبر کربن تشکیل شده که مقاومت خستگی عالی و اتلاف انرژی کم دارد. مواد دیگر شامل پلاستیک‌ها، فولاد برای پایه، نئودیمیوم برای مگنت‌ها و مس برای کویل‌ها هستند. این ترکیب باعث کاهش وزن (حدود ۱۵ کیلوگرم برای مدل‌های کوچک) و افزایش مقاومت در برابر شرایط جوی می‌شود. استفاده از این مواد پیشرفته، هزینه تولید را پایین نگه می‌دارد و اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد، زیرا نیاز به مواد خام کمتری نسبت به توربین‌های سنتی دارد.

محدوده سرعت باد قابل استفاده

توربین Vortex Bladeless برای کار در محدوده سرعت باد پایین تا متوسط طراحی شده و نقطه قوت آن عملکرد در شرایطی است که توربین‌های پره‌دار سنتی کارایی کمی دارند. سرعت باد شروع تولید انرژی (cut-in speed) حدود ۳ متر بر ثانیه است که معادل بادهای ملایم شهری محسوب می‌شود. در سرعت‌های ۶ تا ۸ متر بر ثانیه، دستگاه به حداکثر کارایی نزدیک می‌شود و دامنه نوسان بهینه‌ای ایجاد می‌کند. محدوده عملیاتی اصلی بین ۳ تا ۱۰ متر بر ثانیه قرار دارد، با امکان گسترش از طریق سیستم تنظیم رزونانس تا سرعت‌های بالاتر.

دستگاه در سرعت‌های بیش از ۳۰ تا ۳۵ متر بر ثانیه به طور خودکار متوقف می‌شود تا از آسیب ساختاری جلوگیری گردد. این محدوده، توربین را برای مناطق شهری با بادهای متلاطم، مناطق روستایی و کاربردهای توزیع‌شده مناسب می‌سازد، جایی که بادهای قوی مداوم کمتر رایج است. برخلاف توربین‌های سنتی که نیاز به سرعت‌های بالاتر (معمولاً بیش از ۵-۶ متر بر ثانیه برای شروع و ۱۲-۲۵ متر بر ثانیه برای حداکثر توان) دارند، Vortex Bladeless در بادهای ضعیف‌تر پایدارتر عمل می‌کند و ساعات کاری بیشتری در سال ارائه می‌دهد.

عملکرد توربین در بادهای ضعیف

یکی از مزایای برجسته، عملکرد کارآمد آن در بادهای ضعیف است که آن را برای محیط‌های شهری و مناطق با باد متوسط ایده‌آل می‌سازد. در سرعت باد ۳ متر بر ثانیه، دستگاه شروع به نوسان و تولید انرژی می‌کند، در حالی که بسیاری از توربین‌های پره‌دار کوچک در این سرعت‌ها تقریباً بی‌تحرک باقی می‌مانند.

در بادهای ۴ تا ۶ متر بر ثانیه، که در شهرها رایج است، رزونانس آیروالاستیک به خوبی برقرار شده و دامنه نوسان کافی برای تولید توان مفید ایجاد می‌شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که در این محدوده، دستگاه می‌تواند انرژی قابل توجهی تولید کند و با پنل‌های خورشیدی ترکیب شود تا سیستم هیبریدی پایداری تشکیل دهد.

طراحی استوانه‌ای و سیستم تنظیم مغناطیسی، lock-in را در سرعت‌های پایین حفظ می‌کند و از افت عملکرد جلوگیری می‌نماید. این ویژگی، توربین را برای کاربردهای آف‌گرید، شارژ دستگاه‌های کوچک و تأمین انرژی محلی در مناطقی با باد ضعیف مناسب ساخته و ساعات تولید انرژی سالانه را نسبت به توربین‌های سنتی افزایش می‌دهد.

مزایای زیست‌محیطی و محدودیت توربین بدون پره

• مناسب برای محیط‌های شهری و فضاهای کوچک
• هزینه نگهداری پایین در مقایسه با توربین‌های پره‌دار
• بازده انرژی کمتر نسبت به توربین‌های بادی بزرگ
• فناوری در حال توسعه و تجاری‌سازی محدود
• کارایی بهتر در بادهای با سرعت پایین تا متوسط

توربین Vortex Bladeless با حذف پره‌های چرخان، مزایای زیست‌محیطی قابل توجهی ارائه می‌دهد که آن را به گزینه‌ای دوستدار طبیعت تبدیل کرده است. عدم وجود پره‌ها خطر برخورد پرندگان و خفاش‌ها را به طور کامل حذف می‌کند، زیرا حرکت آرام نوسانی دستگاه (کمتر از ۲۰ هرتز) برای حیوانات قابل تشخیص و اجتناب است. این توربین تقریباً بی‌صدا عمل می‌کند و آلودگی صوتی ایجاد نمی‌نماید، که امکان نصب در مناطق مسکونی و شهری را فراهم می‌آورد. تأثیر بصری کمتری دارد و به عنوان یک استوانه باریک، با منظره طبیعی یا شهری هماهنگ‌تر است.

مواد مصرفی کمتر (فیبر کربن و شیشه) و عدم نیاز به روغن‌کاری، ردپای کربنی پایین‌تری نسبت به توربین‌های پره‌دار ایجاد می‌کند. همچنین، فضای اشغالی کمتر اجازه نصب متراکم‌تر را می‌دهد بدون اختلال در اکوسیستم محلی.

طول عمر، نگهداری و هزینه‌های عملیاتی

توربین Vortex Bladeless با طراحی ساده و بدون قطعات متحرک در تماس، طول عمر طولانی و هزینه نگهداری پایینی دارد. برآوردها نشان می‌دهد که عمر عملیاتی دستگاه بین ۲۰ تا ۹۶ سال بسته به مدل و شرایط است، زیرا خستگی مواد کامپوزیتی پایین و فرسودگی مکانیکی تقریباً صفر است. عدم وجود گیربکس، بلبرینگ‌های اصطکاکی و روغن‌کاری، نیاز به سرویس دوره‌ای را حذف کرده و هزینه‌های عملیاتی را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد. نگهداری عمدتاً محدود به بررسی ساختاری گاه‌به‌گاه است و دستگاه می‌تواند سال‌ها بدون دخالت انسانی کار کند.

سادگی، هزینه کلی مالکیت را پایین نگه داشته و بازگشت سرمایه را سریع‌تر می‌نماید، به ویژه در مقایسه با توربین‌های کوچک پره‌دار که نیاز به تعویض قطعات و روغن‌کاری منظم دارند.