افزایش انرژی مزارع بادی با تغییر جهت توربین‌ها

به گزارش ایسنا و به نقل از وب سایت رسمی دانشگاه استنفورد، پژوهشگران با کار کردن روی مزارع بادی دریافتند که دور کردن توربین‌ها تا حد کم، می‌تواند تولید و حتی ذخیره انرژی را افزایش دهد.

هنگامی که یک توربین بادی مستقیماً در معرض باد قرار می‌گیرد، انرژی بیشتری تولید می‌کند اما هنگامی که مجموعه‌ای از توربین‌های یک مزرعه بادی، با باد رو به رو می‌شوند، میزان انرژی کاهش می‌یابد. دور کردن توربین‌ها از باد می‌تواند به بهبود کمیت و کیفیت انرژی مزارع بادی منجر شود و هزینه‌های اجرایی را نیز کاهش دهد.

دکتر "جان دابیری" (John Dabiri)، استاد مهندسی محیط زیست دانشگاه استنفورد و از نویسندگان این پژوهش گفت: ما باید برای رسیدن به اهداف جهانی در تولید انرژی تجدیدپذیر، روشی پیدا کنیم تا انرژی بیشتری از مزارع بادی کنونی ارائه دهیم. تمرکز پژوهش‌های پیشین، بر عملکرد توربین‌های مزارع بادی به صورت انفرادی بود اما ما باید درباره کل یک مزرعه بادی فکر کنیم؛ نه فقط بخشی از آن.

توربین‌ها می‌توانند کارایی ژنراتورهایی که در مسیر باد قرار دارند، تا بیش از 40 درصد افزایش دهند. پژوهشگران پیش از این، از شبیه‌سازی رایانه‌ای استفاده می‌کردند تا نشان دهند که چگونه تغییر جهت دوربین‌ها می‌تواند انرژی حاصل از آنها را افزایش دهد اما نشان دادن این موضوع در یک مزرعه بادی واقعی، همچنین آزمایش و محاسبات لازم برای تعیین بهترین زاویه توربین با چالش‌های بسیاری رو به روست.

پژوهشگران دانشگاه استنفورد، روش جدیدی برای محاسبه زوایای مطلوب توربین‌ها ابداع کردند. آنها با همکاری یک شرکت فعال در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر موسوم به "ترنس‌آلتا رینیوبلز" (TransAlta Renewables)، محاسبات خود را روی یک مزرعه بادی واقع در کانادا آزمایش کردند. در این آزمایش، خروجی انرژی مزرعه در سرعت پایین باد، تا 47 درصد افزایش یافت که نتیجه آن، به زاویه توربین بستگی داشت.

"مایکل هولند" (Michael Howland)، دانشجوی مهندسی مکانیک دانشگاه استنفورد و از نویسندگان این پژوهش گفت: در این آزمایش، انرژی تولید شده توسط توربین جلو، کمتر از حد انتظار ما بود اما ما دریافتیم که توربین‌هایی که در قسمت‌های عقب‌تر قرار دارند، انرژی بیشتری تولید می‌کنند.

تغییرپذیری

خروجی مزارع بادی موجب می‌شود اداره شبکه توربین‌ها به دو دلیل دشوارتر باشد. یکی از این دلایل، نیاز به تجهیزات تأمین انرژی مانند نیروگاه‌های طبیعی و یا باتری‌های بزرگ و پرهزینه است. بهبود نیرو در این پژوهش جدید، بسیار قابل توجه بود زیرا توربین‌ها معمولاً در معرض حداقل سرعت، متوقف می‌شوند، تولید انرژی را متوقف می‌کنند و موجب می‌شوند مدیران مجموعه، به نیروی پشتیبان نیاز داشته باشند.

دومین مشکل، نیاز به سازگاری دقیق تجهیزات الکتریسیته و استفاده از آنها در یک ناحیه است تا شبکه توربین‌ها مورد اطمینان باشد. آشفتگی هوا موجب می‌شود که محصول نهایی مزرعه بادی در هر دقیقه، متغیر باشد و نتوان از آن برای راه‌اندازی یک ژنراتور گازی استفاده کرد. این مشکل موجب می‌شود که سازگاری عرضه و تقاضا برای اجرای سیستم در کوتاه‌مدت، چالش‌برانگیز باشد. برای این کار، ابزاری وجود دارد اما این ابزار، هزینه بالایی دارند. پژوهشگران استنفورد در این پژوهش تلاش کردند هزینه‌های تولید انرژی را تا 72 درصد کاهش دهند.

کاهش تغییرپذیری می‌تواند به مالکان مزارع بادی کمک کند تا هزینه‌های اجرایی خود را کاهش دهند. آشفتگی و ناملایم بودن هوا می‌تواند هزینه تعمیر را افزایش دهد. اگرچه زمان زیادی سپری نشد تا آزمایش‌ها اثبات کنند که این روش جدید، فرسودگی توربین‌ها را کاهش می‌دهد اما پژوهشگران باور دارند که این اتفاق قطعاً رخ خواهد داد.

دابیری افزود: نخستین سوال کسانی که در حوزه تأمین انرژی فعال هستند، این است که این روش چگونه بر توربین‌های آنها اثر می‌گذارد و تأثیر بلندمدت آن چه خواهد بود.

مدل‌سازی و تغییرپذیری بلندمدت

پژوهشگران برای محاسبه بهترین زاویه برای توربین‌ها، مدل جدیدی را بر مبنای داده‌های به دست آمده از یک مزرعه بادی ارائه دادند.

"سانجیوا له‌له" (Sanjiva Lele)، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه استنفورد و از نویسندگان این پژوهش گفت: طراحی مزارع بادی، معمولاً به داده‌ها و محاسبات بسیاری نیاز دارد. ما به جای این کار، از محاسبات ریاضی استفاده کردیم تا کاربرد و سرعت روش خود را افزایش دهیم.

شاید محاسبات سریع‌تر بتوانند به کاربرد مزارع بادی در سطح گسترده کمک کنند. هولند افزود: ما در مدل خود، از داده‌های به خصوصی استفاده کردیم که از مزارع بادی متفاوتی در مناطق گوناگون جمع‌آوری شده بودند. مزارع بادی متفاوت می‌توانند با استفاده از این مدل، زاویه توربین‌های خود را در شرایط وزش باد تنظیم کنند.

دابیری اضافه کرد: اگر بتوانیم این پژوهش را به صورت موفقیت‌آمیزی پیش ببریم، می‌توانیم راهبرد خود را در مقیاس بزرگ و برای مدت طولانی به کار بگیریم تا انرژی بیشتری را با سرعت بیشتر فراهم کنیم.

این پژوهش، در مجله "Proceedings of the National Academy of Sciences" به چاپ رسید.