نرژی باد یکی از ارزان‌ترین و در‌دسترس ترین منابع انرژی تجدیدپذیر به‌شمار می‌آید. باد رایگان است و به قدر کافی برای همه وجود دارد. با این‌حال به دلیل مشکلات مختلف توربین‌های بادی افقی (HAWT)، استفاده از توربین‌های بادی به قدر کافی فراگیر نشده است.
در نوشته‌ی پیشین انواع توربین‌های بادی و چگونگی کارکرد آنها را بررسی کرده و مزایا و معایب هر کدام را ذکر نمودیم. لذا مطالعه‌ی آن به عنوان پیش نیاز برای این مقاله توصیه میشود.
همانطور که پیش‌تر در گزارش انرژی‌های تجدیدپذیر در ایران مشاهده کردید، مناطق شهری و روستایی ایران نیز همچون مناطق بکر خالی از سکنه پتانسیل بالایی برای بهره برداری از انرژی باد دارند و اینجاست که توربین بادی عمود محور اهمیت پیدا میکند.
انواع توربین‌های بادی
به طور کلی توربین‌های بادی در دو نوع محور افقی (HAWT) و محور عمودی (VAWT) تقسیم می‌شوند که در نوشته‌ی انواع توربین بادی می‌توانید اطلاعات بیشتری کسب کنید.
به‌طور کلی توربین‌های بادی با محور افقی در سراسر جهان برای تولید برق متداول هستند. اما استفاده از آنها در مناطق شهری ممکن نیست، به محیط زیست صدمه می‌زنند و هزینه اولیه بسیار زیادی دارند. از اینرو توربین‌های بادی عمود محور اهمیت پیدا می‌کنند.
تفاوت عمده‌ی توربین‌های بادی عمودی و افقی در نحوه چینش پره‌ها است. در توربین بادی افقی، پره‌ها در ارتفاع بالا قرار گرفته و رو به جهت وزش باد می‌چرخند در حالیکه ژنراتور در پشت آنها در ارتفاع قرار دارد. اما در توربین‌های عمودی ژنراتور در پایین برج توربین قرار گرفته و پره‌ها به نوعی دور آن پیچیده‌اند.
توربین بادی عمود محور چیست؟
توربین‌های بادی عمود محور که در زبان انگلیسی Vertical Axis Wind Turbines یا (VAWT) خوانده می‌شوند، با هدف صرفه اقتصادی و کاربردی بودن در عین عملکرد کم صدا و بهینه، طراحی و ساخته می‌شوند.
این نوع توربین برای استفاده در مناطق مسکونی بسیار مناسب است، به طور کلی دو نوع توربین بادی با محور عمودی وجود دارد؛ روتور ساونیوس و داریوس.
ساونیوس به شکل یک گالون پلاستیکی است که از وسط نصف شده و به یک محور دوار وصل شده است. داریوس اما به یک همزن تخم مرغ شباهت دارد. مدل‌های دیگری از روتورهای توربین بادی عمودی نیز اختراع شده‌اند ولی به طور عمده مورد استفاده قرار نگرفته اند.
در توربین‌ها یا روتورهای محور عمودی، محور دوران عمود بر سطح زمین و چرخش تیغه ها به موازات زمین است. و به همین دلیل سطحی که توسط باد به حرکت در می‌آید پس از نیم دور چرخش مجبور است در جهت عکس جریان باد به حرکت خود ادامه دهد و این مشکل سبب پایین آمدن ضریب توان آنها می شود. به همین دلیل در این روتورها منحنی پره از اهمیت خاصی برخوردار است.
چون این توربین‌های بادی می‌بایست نزدیک‌تر به سطح زمین نصب شوند و در ارتفاع کم سرعت باد کمتر است، انرژی کمتری از سایز مشخص توربین تولید میشود. جریان هوا نزدیک زمین و دیگر اشیا می‌تواند جریان مغشوش ایجاد کند که باعث پیامدهای لرزش، سروصدا و خستگی یاتاقان‌ها میشود و در نتیجه هزینه‌ی نگهداری ممکن است افزایش یابد و عمر کاری کم شود.
انواع توربین‌های بادی عمودی
همانطور که گفتیم توربین‌های بادی عمودی به طور عمده از دو نوع ساونیوس و داریوس تشکیل می‌شوند که به اختصار شرح داده شد. در ادامه با جزییات بیشتری آنها را بررسی می‌کنیم :
توربین بادی داریوس (Darrieus Wind Turbine)
توربین بادی داریوس که به دلیل ظاهر تخم مرغیش به همزن تخم مرغ (Eggbeater turbine) معروف است، در سال ۱۹۳۱ توسط جورج داریوس اختراع شد. داریوس ماشینی با سرعت بالا و گشتاور پایین است که برای تولید جریان برق متناوب (AC) مناسب است.
توربین‌های داریوس به‌طور معمول برای شروع کارکرد، به مقداری گشتاور راه انداز نیاز دارند. اگرچه این گشتاور اندک است ولی یکی از معایب این نوع توربین باد محسوب میشود.
برخی ویژگی‌های توربین بادی داریوس
- این توربین‌های همزن تخم مرغ شکل، کارایی مناسبی دارند اما قابل اطمینان نیستند.
- برای استفاده از توربین داریوس، باید یک منبع قدرت خارجی داشته باشید که گشتاور راه انداز را تأمین کند.
- بهتر است از توربینی استفاده کنید که حداقل سه پره داشته باشد.
- برای ساپورت این توربین باید از یک رو بنا (SuperStructure) استفاده کنید که در بالای یاتاقان فوقانی به توربین متصل شود.
- نسبت به توربین‌های ساونیوس برای تولید جریان برق بهینه‌تر هستند.
انواع توربین‌های بادی داریوس را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید:
توربین بادی ساونیوس (Savonius Wind Turbine)
توربین بادی ساونیوس بر خلاف داریوس با سرعت دورانی کمی می‌چرخد ولی گشتاور بالاتری تولید میکند. و با حداقل دو قاشقک (Scope) که به یک محور دوار وصل شده است، با بازدهی کم ولی قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به داریوس عمل میکند.
بیشتر توربین‌های بادی از نیروی برآ (Lift) حاصل از شکل آیرودینامیکی پره نیرو می‌گیرند ولی ساونیوس از نیروی پسا (Drag) قدرت می‌گیرد، لذا سرعت گردش آن از سرعت باد تجاوز نمی‌کند.
برخی ویژگی‌های توربین بادی ساونیوس
- بهره‌وری کمتر به دلیل قدرت گرفتن از نیروی پسا (درگ)
- توربین باد ساونیوس در توان یکسان از داریوس بزرگتر است.
- به دلیل گشتاور بالا، برای کاربرد‌هایی مانند پمپ آب از چاه مناسب است.
توربین باد عمودی ساونیوس باید به طور غیر خودکار راه اندازی شود. سرعت کم آن باعث کاهش بهره‌وری و افزایش هزینه میشود.
مزایای توربین‌های بادی عمود محور
با توجه به بازدهی بالای توربین‌های محور افقی (HAWT) و کاهش قیمت آنها در سال‌های اخیر، ممکن است از خود بپرسید: چرا باید از توربین باد عمودی استفاده کنم؟
در ادامه برخی مزایای توربین بادی عمود محور را ذکر می‌کنیم:
- اگر پشت بام مناسب یا سازه‌ی قدرتمندی ندارید، می‌توانید توربین باد عمودی خود را نزدیک زمین بسازید.
- اگر در منطقه‌ای که دارای کوه، دره و موانع دیگر وزش مستقیم باد است زندگی می‌کنید، توربین عمودی انتخاب مناسبی برای شماست.
- توربین‌های بادی عمودی به دلیل امکان نصب در نزدیکی سطح زمین، هزینه نصب و تعمیر و نگهداری کمتری دارند. همچنین به پرندگان آسیب کمتری وارد می‌کنند و حیات وحش را مختل نمی‌سازند.
- به مکانیزم پیچیده‌ای برای کارکرد نیاز ندارد.
- عملکرد مناسب با سرعت کمتر باد و جریان آشفته
- مهم ترین مزیت آنها عدم نیاز به قرار گرفتن در جهت باد است. لذا در مناطقی که جهت وزش باد متغیر است مناسب هستند.
- در مکان‌هایی که محدودیت ارتفاع وجود دارد می‌توانید از توربین بادی عمود محور استفاده کنید.
- این توربین‌های نسبتاً کم صدا، ارزان و بهینه برای تأمین انرژی مناطق شهری و روستایی دور از دسترس بسیار مناسب هستند.
معایب توربین‌های بادی عمود محور
همانطور که مزایای توربین‌های بادی عمود محور را برشمردیم، لازم است که معایب آن را نیز ذکر کنیم. قبل از اینکه توربین مناسب خود را انتخاب کنید بهتر است که مزایا و معایب انواع مختلف آنها را بررسی کرده و با یک کارشناس مشورت کنید.
اگرچه توربین‌های بادی عمود محور تقریباً همیشه برای استفاده در مناطق مسکونی مناسب هستند.
برخی معایب توربین‌های بادی با محور عمودی:
- بهره‌وری آنها در مقایسه با توربین‌های بادی افقی کمتر است. دلیل این کاهش بهره‌وری به‌طور عمده نیروی پسا‌ی وارد بر پره‌ها هنگام چرخش آنها است.
- توربین باد عمودی امکان بهره‌برداری از سرعت بالای باد در ارتفاع زیاد را به قدر کافی ندارد.
- نصب این نوع توربین روی برج های بلند مشکل است؛ بدین معنی که آنها باید در جریان های هوایی آهسته تر با اغتشاش بیشتر و نزدیک زمین با بازده استخراج انرژی پایین تر عمل کنند.
- به دلیل مسائل ذکر شده، طراحی و تحلیل پره (ایرفویل) توربین‌های عمودی سخت‌تر و گران‌تر است. بازده کم آنها را می‌توان با چیدمان فشرده و طراحی‌های جدید بهبود بخشید.
- به دلیل اغتشاش جریان زیاد، سازه‌ی توربین‌های بادی عمودی در معرض خستگی قرار دارد. این مسئله نیز با پیش‌بینی بار‌های آیرودینامیکی تا حد زیادی قابل بهبود است.
تصویر زیر مربوط به بزرگترین توربین بادی عمود محور جهان در کانادا است.
کدام توربین باد برای من مناسب‌تر است؟
جواب مشخصی برای این سوال وجود ندارد. بهتر است با یک کارشناس در این زمینه مشورت کنید تا بهترین گزینه را با توجه به نیاز و شرایط محیطی به شما پیشنهاد کند.
به‌طوری کلی توربین بادی عمود محور انرژی کمتری نسبت به توربین باد افقی تولید میکند. هر نوع توربین ظاهر متفاوتی داشته و نوع عملکرد متفاوتی دارد، ولی همه‌ی آنها با تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی از طریق یک محور دوار و ژنراتور کار می‌کنند.
اگر قصد صرفه جویی در هزینه‌ی انرژی و همچنین کمک به حفظ محیط زیست را دارید، بعد از تحقیق کافی و مشورت با یک کارشناس انرژی، اقدام به نصب توربین بادی در منطقه مسکونی خود کنید.
