آینده تولید انرژی بادی چگونه خواهد بود؟ (چالش ها و فرصت ها)

 امروزه باد 5 درصد از برق مورد نیاز دنیا را تامین میکند – حدود 0.6 تراوات –  اما لازم است برای کنترل و کاهش تغییرات آب و هوایی، استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر بیشتر مورد توجه قرار گیرد. بسیاری از دانشمندان و مهندسین انتظار دارند تا سال 2050 بیش از نیمی از برق مصرفی دنیا به صورت انرژی بادی و توسط توربین های بادی تامین شود. برای تحقق این امر، نیاز به پیشرفت های چشمگیری در علوم و مهندسی، در زمینه پیش بینی الگوهای آب و هوایی، مطالعه لایه های جو در ارتفاعات بالاتر و طراحی نسل جدید توربین ها می باشد.

جریان جت در سطح پائین جو (مرز جوی) – اثر ویک در توربین های بادی

فناوری فعلی توربین های بادی

توربین های بادی امروزی در مقیاس صنعتی،  برای دستیابی به ارتفاعات  100 تا 200 متری از سطح زمین یا آب طراحی می شوند. در طی چند دهه اخیر، شاهد پیشرفت های زیادی در طراحی توربین های بادی بوده ایم، از بهینه سازی شکل پره ها و مواد سازنده آنها گرفته تا طراحی سیستم های کنترل هوشمند. بااینحال امروز به نقطه ای رسیده ایم که پیشرفت ها در بهترین حالت تنها باعث ایجاد تغییرات جزئی در طرح های موجود می شوند.

در همین رابطه ببینید: آموزش طراحی سطوح در کتیا

فناوری پره های توربین بادی- از اولین طرح تا  آخرین فناوری موجود

از دیدگاه اقتصادی، ساخت توربین های بزرگتر و قدرتمند تر باعث کاهش هزینه ترازشده انرژی (LCOE) میشود، اما ما نمی توانیم همان نوع توربین هایی را که در گذشته استفاده می شد، تنها با چند برابر کردن ابعاد بسازیم. اگر توربین هایِ سی سال پیش برای هماهنگی با میزان برق مصرفی امروز در ابعاد بزرگتر ساخته می شدند، وزنی برابر با ده برابر نسل فعلی توربین ها داشتند. ما برای ساخت توربین های بادی با بازده بالاتر، نیاز به مواد پیشرفته داریم.

آینده انرژی بادی پر از ناشناخته هاست

برای دستیابی به بادهای قوی تر و با سرعت بالاتر، نیاز به توربین های با ارتفاع بسیار بیشتر از 300 متر داریم. به خاطر ارتفاع زیاد این توربین ها، بخشی از پره ها در لایه سطحی شناخته شده جو و بخشی در لایه های  ناشناخته جو (بخش بزرگی از جو که تاکنون مورد مطالعه قرار نگرفته است) قرار می گیرند. برای ساخت چنین توربین هایی با چندین مشکل روبرو هستیم.

اول اینکه در مورد لایه های بالاتر از لایه سطح، اطلاعات چندانی در رابطه با تغییرات روزانه، فصلی یا سالانه چگالی هوا، سرعت باد و جهت باد در مقیاس جهانی نداریم. اگرچه آسمان خراش هایی با ارتفاع بیش از 500 متر در سطح جهان وجود دارد، اما ساختمان ها سازه های استاتیکی هستند. سوار کردن یک روتور غول پیکر چرخنده بر روی یک پایه مرتفع،  کاملا معادلات را تغییر میدهد. و همچنین آسمان خراش ها در شهرهای بزرگ ساخته شده اند و این شهرها محل مناسبی برای ساخت توربین های بادی نیستند. برای تعیین بهترین مکان ها برای مزارع بادی و  شناخت نیروی های وارد بر توربین ها، نیاز به داده های جوی بیشتری از مناطق مختلف داریم.

پره های توربین بادی

دوم اینکه چون پره ها بزرگ هستند (برای دستیابی به بیشینه توان) و هنگام چرخش مساحت زیادی را جاروب میکنند، در دولایه جوی قرار میگیرند. به همین دلیل باتوجه به مکان لحظه ای پره ها ( در بالاترین یا پائین ترین نقطه دایره) نیروهای متفاوتی به آنها وارد می شود. مهندسین هنوز موفق به مطالعه ساز و کار چنین سیستمی نشده اند.

همچنین توربین های مرتفع تر سالیانه باعث مرگ هزاران پرنده و خفاش در حین عبور از مزارع بادی هنگام مهاجرت فصلی میشوند. در حال حاضر گونه های خاصی از پرندگان مثل عقاب طلایی و خفاش سفید به خاطر برخورد مکرر با توربین های بادی در خطر انقراض قرار دارند.

در نهایت، با تغییر تدریجی نقش منابع تجدید پذیر از منابع کمکی به اصلی ( جهت تامین بار پایه) ، شبکه برق جهت تطبیق عرضه و تقاضا، نیاز به داده های جوی لحظه ای و به کارگیری سیستم های هوشمند برای کنترل توربین های منفرد، مزارع بادی و دستگاه های پخش بار دارد.

چالش های مهندسی

مهندسین نقش اساسی را در کشف ناشناخته ها ایفا میکنند. فناوری های پیشرفته اندازه گیری، اطلاعات بیشتری درباره جو و باد در اختیار دانشمندان قرار میدهد. استفاده از مواد و مصالح جدید، منجر به ساخت توربین های قویتر و با قابلیت اطمینان بالاتر میشود و در آینده با توسعه شبکه برق مدرن، انرژی های تجدیدپذیر میتوانند با کارایی و قابلیت اطمینان بالایی نقش منابع اصلی را برای تامین بار پایه ایفا کنند.

سنجش و تحلیل

با اینکه در حال حاضر از فناوری های لیزر، اولتراسوند و رادار برای سنجش پارامترهای جوی استفاده میشود، اما این فناوری ها تنها قادر به نمایش مقادیر میانگین هستند و از بسیاری از جزئیات موثر بر توربین های منفرد، اطلاعاتی در اختیار ما نمیگذارند.

حسگرهای بیشتر و ابزارهای اندازه گیری دقیق تری که با استفاده از روش برداشت انرژی تغذیه میشوند و از طریق اینترنت اشیا (IoT) به صورت یک شبکه به هم متصل می شوند، اندازه گیری پارامترها را با دقت بالاتری انجام میدهند. این داده ها همراه با مدلسازی پیشرفته و سیستم های یادگیری ماشین، به دانشمندان کمک میکند پیشبینی های بهتری در مقیاس ریز اقلیم انجام دهند. علاوه بر پیشبینی شرایط آب و هوایی، حسگرهای پیشرفته با فراهم کردن تحلیل های دقیق تر از پدیده ویک، به مهندسین در تعیین فاصله بهینه بین توربین ها کمک می کنند.

حسگرهای جوی فعلی مقدار میانگین پارامترها را نشان میدهند.حسگرهای آینده قادر به نمایش جزئیات دقیق تری خواهند بود ( تصویر از NREL)

نقش طراحی و مواد در تولید انرژی بادی

در آینده با استفاده از مواد محکمتر و سبک تر برای ساخت پره های توربین،  پره ها بسیار منعطف تر از پره های امروزی خواهند بود و این پیچیدگی دینامیک ساختاری توربین را افزایش می دهد.

مدل های محاسباتی جدید، اطلاعات بیشتری درمورد تلاطم پره ها و دیگر عوامل آیرودینامیکی موثر بر عملکرد توربین های منفرد و کل مزرعه بادی به صورت یک مجموعه، در اختیار مهندسین قرار خواهند داد. همچنین انعطاف پذیری در مقیاس ماکرو باعث بروز نقص در مقیاس نانو میشود. مهندسین باید مواد سبک تری بسازند که بدون کاهش عمر مفید، قابلیت تحمل انعطاف را  داشته باشند.

پره های منعطف باعث بروز نقص در مقیاس نانو میشوند

توربین های بادی مستقر در دریا

مزارع بادی مستقر در دریا دارای چندین مزیت هستند: توربین های دریایی، فضایی در خشکی اشغال نمیکنند، در دریا بادها پایدارترند و تلاطم کمتری دارند، میتوان اجزای توربین را در ساحل ساخت  و سپس با کمک قایق به  محل مورد نظر در دریا برد، و همچنین توربین های مستقر در دریا به مراکز جمعیتی نزدیکتر خواهند بود. اما همیشه فرصت ها با چالش همراهند. ساخت توربین ها در نزدیکی ساحل، ممکن است به علت مسائل زیبایی شناسی با مخالفت برخی افراد روبه رو شود.

همچنین ببینید: آموزش تحلیل آیرودینامیکی در ansys fluent

برای استقرار توربین ها در آب‌های دور از ساحل، به علت عمق زیاد دریا، ساخت برج توربین به شکل های مرسوم امکان پذیر نبوده و بهتر از است از سازه های شناور استفاده شود، اما این سازه ها نیز با خود مشکلاتی از جمله مسئله تعادل و پایداری به همراه دارند. برای پیدا کردن شناخت بهتری از شرایط آیرودینامیکی و هیدوردینامیکی توربین های بادی شناور، مهندسین با سوار کردن توربین بر روی سکوهای روباتیک که حرکت امواج دریا را شبیه سازی میکنند و قرار دادن آن درون تونل های باد، حرکات سازه را مورد تحلیل قرار میدهند.

استفاده از انرژی بادی در شبکه برق مدرن

امروزه شبکه برق تا حد زیادی کارآمد و قابل اطمینان است، اما بر پایه این فرض که ژنراتورهای بار پایه، خروجی نسبتا ثابتی دارند. در حالیکه این فرض برای نیروگاه های سوخت فسیلی از جمله زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، هسته ای و آبی صادق است، منابع انرژی تجدیدپذیر حداقل در سطح محلی، متناوب هستند.  اما در هر لحظه دلخواه، باد در جایی با شدتی می وزد که برای تامین بخش قابل توجهی از انرژی مورد نیاز ما کافی است.

چالش اصلی، ترکیب داده های اقلیمی لحظه ای با تاریخچه و روند تغییرات آب وهوایی،  جهت یافتن بهترین مکان ها برای ساخت مزرعه بادی، بهینه سازی خروجی توربین های منفرد و مزارع بادی، و ایجاد هماهنگی و تطابق بین تولید و مصرف برق است.

انرژی باد در مقیاس جهانی فراوان و قابل دسترس است. تنها با پیشرفت های محدودی در علم و فناوری، انرژی تجدیدپذیر میتواند به صورت مقرون به صرفه جایگزین سوخت های فسیلی شده و در عین حال باعث افزایش استحکام و قابلیت اطمینان شبکه برق شود. در حال حاضر ما منابع لازم برای تحقق این هدف را در اختیار داریم و تنها به انگیزه کافی نیاز داریم.