توربین‌های عمود محور (Vertical Axis Turbine)

توربین‌های عمود‌ محور (Vertical Axis Turbine)

توربین‌های بادی انرژی الکتریکی پاک، تجدیدپذیر و مقرون‌به‌صرفه را در سرتاسر جهان ارائه می‌کنند و به‌سرعت پس از انرژی خورشیدی به یک فناوری انرژی تجدیدپذیر مهم تبدیل شده‌اند. طبقه‌بندی یک توربین بادی بر اساس محور جهت‌گیری آن است، یا به‌عنوان یک توربین بادی محور افقی (HAWT) یا به‌عنوان یک توربین بادی محور عمودی (VAWT).

توربین‌های بادی برای تبدیل انرژی باد به الکتریسیته یا پمپاژ آب استفاده می‌شوند. رشد و پذیرش توربین‌های بادی در کاربرد‌های شهری هنوز محدود است، اما VAWTهای شهری مزایای متعددی نسبت به انواع محور افقی بزرگ‌تر خود دارند. آن‌ها می‌توانند برق محلی را برای کاربرد‌های خارج از شبکه تولید کنند، انتشار گاز‌های گلخانه‌ای از نیروگاه‌ها را کاهش دهند، و همچنین به حمایت از توسعه پایدار برای جامعه محلی کمک کنند.

توربین‌های بادی محور عمودی به شکل روتور ساوونیوس یا داریو برای شهر‌ها و مناطق شهری که سرعت باد ضعیف و ناپایدار دارند، مناسب هستند. توربین بادی Savonius با سرعت کمتری می‌چرخد، بنابراین برای پمپاژ آب مناسب‌تر است. توربین بادی Darrieus با سرعت بیشتری می‌چرخد بنابراین برای تولید برق مناسب‌تر است.

روتور‌های هیبریدی Darrieus-Savonius می‌توانند انرژی جنبشی بیشتری را از سرعت باد کم یا غیرقابل پیش‌بینی برای استفاده در محیط‌های شهری استخراج کنند. یکی از این طرح‌های VAWT هیبریدی، توربین بادی با محور عمودی ۳۰۰ واتی NINILADY است که از یک روتور ساوونیوس نوع S با سه تیغه ایرفویل تشکیل شده است که یک روتور Darrieus را تشکیل می‌دهد تا کارایی را به حداکثر برساند. این می‌تواند برق را از سرعت نسبتاً کم‌باد با سرعت ۱. ۳ متر بر ثانیه تولید کند و به ظرفیت خروجی نامی ۳۰۰ وات در سرعت ۱۰ متر بر ثانیه دست یابد.

VAWTها و HAWTها جایگاه‌های مختلفی برای توسعه دارند. VAWTها می‌توانند برق مزارع، مجتمع‌های صنعتی کوچک، جوامع، مناطق شهری و روستایی را تأمین کنند که در آن‌ها تولید برق از شبکه یا گران است و یا دسترسی به آن دشوار است.

طرح‌های توربین‌های عمود محور

حداکثر توانی که هر توربین بادی می‌تواند از باد استخراج کند به نوع، طراحی و مکان آن بستگی دارد. توربین‌های بادی افقی با کاهش سرعت باد ورودی با استفاده از پره‌های روتور خود، انرژی استخراج می‌کنند. اگر بخواهیم در انجام این کار ۱۰۰ درصد کارایی داشته باشیم، پره‌های روتور باید ۱۰۰ درصد باد را متوقف کنند، که به وضوح امکان‌پذیر نیست.

توربین‌های بادی محور عمودی نشان‌دهنده نوع جدیدی از فناوری تولید برق هستند که برای بازار شهری کوچک‌تر طراحی شده‌اند. به‌طور‌کلی، VAWTها تأثیر بصری و محیطی نسبتاً کمی در اطراف ساختمان‌ها خواهند داشت زیرا از نظر ارتفاع کوتاه‌تر از توربین‌های بادی افقی سنتی هستند. همچنین، اجزای اصلی کار آن‌ها، مانند ژنراتور و گیربکس، نزدیک‌تر به زمین قرار دارند و به تکیه‌گاه‌های ساختاری کمتری نیاز دارند.

این امر نگهداری، بازرسی و تعمیر این ژنراتور‌های توربین را نسبتاً آسان می‌کند. توربین‌های بادی با محور عمودی با استفاده از طرح‌های مختلف حول محوری عمود بر باد می‌چرخند. طرح‌های پره‌های دوار (Rotating vanes)، فنجان‌ها (cups) یا تخم‌مرغ‌زن (eggbeater) در حال حاضر بسیار در دسترس هستند که هر‌کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. در اصل، سازه‌های توربین محور عمودی برای پمپاژ آب و آبیاری محصولات در مکان‌های با وزش باد از هر جهت و با سرعت کم‌استفاده می‌شد. امروزه، VAWTها راه‌حلی کارآمد برای استفاده در مناطق مسکونی هستند که باد ناپایدار است.

VAWT به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود:

• طرح‌های Savonius (درگ رانده)
• طرح‌های Darrieus (طراحی‌های بالابر)

طراحی توربین بادی ساوونیوس

طراحی توربین بادی Savonius یک طراحی ساده بر اساس اصل “کشش دیفرانسیل” است. روتور Savonius از دو آئروفویل نیمه استوانه‌ای افست، نیم سیلندر یا فنجان استفاده می‌کند که در اطراف یک محور عمودی شبیه به طراحی مورد استفاده توسط بادسنج‌های سرعت باد نصب شده‌اند. به طور معمول، طرح‌های ساوونیوس شامل دو یا سه فنجان، کاسه در هر بخش، یا دو نیم سیلندر در جهت مخالف باد می‌شوند، به طوری که نوعی طرح S شکل متصل به یک شفت عمودی را تشکیل می‌دهند. این بدان معنی است که فقط می‌تواند در یک جهت بچرخد.

توربین‌های ساوونیوس با هدایت باد از پشت طرف مقعر فنجان‌ها یا استوانه‌ها در یک طرف و به داخل سمت محدب فنجان‌ها از طرف دیگر کار می‌کنند. این هدایت باد بین فنجان‌ها یا نیم سیلندر‌ها منجر به حرکت و چرخش در اطراف محور عمودی متصل می‌شود.

توربین‌های ساوونیوس از طریق اصل درگ کار می‌کنند. در این اثر، نیرو‌های مختلف با حرکت باد و هوا بین دو (یا سه) فنجان افزایش می‌یابد که به خودی خود باعث افزایش گشتاور محرک شفت برای استفاده در تولید برق یا پمپاژ آب می‌شود. با‌این‌حال، این طرح‌ها معمولاً کارایی کمتری نسبت به سایر طرح‌های VAWT دارند، زیرا تنها حدود ۲۵ تا ۳۰ درصد از توان موجود در باد را می‌توان مورد استفاده قرار داد.

مزیت اصلی طراحی روتور ساوونیوس این است که چرخش آن بسیار آسان است. سرعت باد پایین ذاتی آن و نسبت سرعت نوک پایین به آن اجازه می‌دهد تا انرژی را از هر باد غیر‌جهت‌دار استخراج کند. بنابراین برای کار در بسیاری از مکان‌های شهری با سرعت باد کم و همچنین جهت باد متغیر مناسب است.

توربین‌های بادی محور عمودی روتور ساوونیوس، توربین‌های ساده و کم تعمیراتی هستند که می‌توانند در کاربرد‌هایی استفاده شوند که نیاز به تولید برق زیادی ندارند. طرح‌های روتور ساوونیوس خانگی نیز برای کاربرد‌های ساده پمپاژ آب خارج از شبکه ساخته شده‌اند. اما رایج‌ترین کاربرد روتور ساوونیوس استفاده از آن در بادسنج‌ها است.

طراحی توربین بادی Darrieus

روتور توربین بادی Darrieus از دو یا سه تیغه یا پره نازک آئروفویل استفاده می‌کند که شبیه تیغه‌های عمودی یا طرحی به شکل تخم مرغ کوبنده است که روی یک محور عمودی نصب شده است. تیغه‌های آئروفویل شکل به صورت افقی در اطراف محور مرکزی قرار گرفته‌اند بنابراین عملکرد آیرودینامیکی بهتر و طراحی بسیار ساده‌تری نسبت به روتور ساوونیوس ارائه می‌دهند. روتور می‌تواند از دو، سه یا چند تیغه مستقیم، خمیده یا آئروفویل در طراحی خود تشکیل شده باشد.

روتور Darrieus بر اساس نیروی اصلی بالابر با حداکثر گشتاور حرکتی تولید می‌شود که پره‌های شکل‌دار در عرض باد، سریع‌تر از سرعت باد حرکت می‌کنند. این بدان معنی است که آن‌ها برخلاف روتور ساوونیوس می‌توانند انرژی قابل استفاده بیشتری را از باد استخراج کنند.

بر خلاف روتور Savonius، روتور Darrieus خودراه‌انداز نیست، بنابراین برای راه‌اندازی اولیه به مکانیزم خارجی نیاز دارد. یعنی روتور باید در حال چرخش باشد تا باد بتواند بر آن نیروی محرکه وارد کند. به‌طور‌کلی، یک روتور ساوونیوس کوچک روی شفت اصلی Darrieus تعبیه می‌شود تا گشتاور راه‌اندازی مورد نیاز را در سرعت‌های پایین فراهم کند. مزیت طراحی روتور Darrieus این است که پس از حرکت، می‌تواند با سرعت نسبتاً بالایی بچرخد و توان خروجی بیشتری نسبت به روتور Savonius تولید کند.

مزایای توربین‌های عمود محور

توربین‌های بادی محور عمودی (VAWT) هنوز به‌اندازه کافی برای نیروگاه‌های بادی فراساحلی مناسب نیستند، اما در مقایسه با توربین‌های بادی محور افقی معمولی (HAWT) مزایایی را ارائه می‌دهند. چگالی توان بالاتر، کاهش امواج، مرکز جرم کمتر، و منحنی‌های مختلف قدرت و رانش، VAWTها را به گزینه‌ای جالب برای تکمیل نیروگاه‌های بادی موجود تبدیل کرده است.

به‌دلیل ساختمان‌های بلند، درختان و سازه‌های بزرگ، الگو و جریان باد در اطراف شهر‌ها و مناطق شهری پر از آشفتگی و کمتر قابل پیش‌بینی است. این امر باعث می‌شود که طراحی توربین‌های بادی بزرگ افقی در مناطق شهری و نیمه‌شهری کارایی کمتری داشته باشد. توربین‌های بادی محور عمودی یا به اختصار VAWT برای استفاده در شهر‌ها و محیط‌های شهری که جریان باد کمتر قابل پیش‌بینی است، جذاب‌تر و مناسب‌تر هستند.

این باعث می‌شود VAWT انتخاب بسیار بهتری برای نصب روی زمین و بر روی ساختمان‌ها و پشت‌بام‌ها باشد. همچنین ژنراتور این نوع توربین بادی همه جهته است به این معنی که نیازی به جهت‌گیری پره‌ها به سمت باد ورودی نیست.

یکی دیگر از مزایای توربین‌های بادی محور عمودی این است که می‌توان آن‌ها را نزدیک به نقطه استفاده قرار داد که بار روی زیرساخت‌های شبکه موجود را کاهش می‌دهد و باعث ارتقای پایداری و در‌عین‌حال کاهش هرگونه نگرانی زیست‌محیطی می‌شود.

توربین‌های بادی محور عمودی برای رسیدگی و رفع محدودیت‌های هزینه و کارایی ذاتی در طراحی HAWT توسعه یافته‌اند. VAWTها باد غالب را بدون توجه به جهت می‌گیرند. VAWTها مرکز ثقل پایین‌تری دارند که پایداری بیشتر و گشتاور کمتری را به‌خصوص در هنگام مواجهه با تندباد‌های شدید باد فراهم می‌کند.

VAWTها به چند دلیل در میان حافظان محیط‌زیست محبوب هستند. به دلیل طراحی اقتصادی‌تر و کارآمدتر، ساخت آن‌ها آسان‌تر و کم هزینه‌تر است. همچنین به قطعات کمتر و نگهداری کمتری نیاز دارند. این بدان معناست که هزینه‌های نگهداری و تعویض طولانی‌مدت VAWT کمتر از توربین‌های بادی محور افقی است.

در‌نهایت، اندازه بزرگ VAWTها، چرخش آهسته‌تر، سرعت ثابت تیغه، و مشخصات پایین‌تر، به پرندگان اجازه می‌دهد تا آن‌ها را از دور تشخیص دهند و از آن‌ها دوری کنند، بر خلاف HAWTهای معمولی، که در مسیر مهاجرت عادی پرندگان بالاتر قرار می‌گیرند. VAWTها برای انسان‌ها ایمن‌تر و لذت‌بخش‌تر هستند. آن‌ها نیازی به قرار دادن بر روی برج‌های بلند ندارند و همچنین در عملکرد آرام‌تر هستند.

مونتاژ HAWTها هفته‌ها و ماه‌ها طول می‌کشد زیرا قطعات پیچیده‌تری دارند. از طرف دیگر VAWTها مقیاس‌پذیر هستند. پس از راه‌اندازی، این VAWTها تولید انرژی، کارایی و دوام طولانی مدت بی‌نظیری دارند.

معایب توربین‌های عمود محور (Vertical Axis Turbine)

۱- راندمان چرخش کمتر

توربین‌های بادی محور عمودی اغلب بازده چرخش کمتری دارند. این بخشی از دلیلی است که توربین‌های بادی محور عمودی راندمان پایین‌تری دارند. با توجه به طراحی روتور، همه پره‌های روتور محور عمودی باد ورودی را به طور همزمان دریافت نمی‌کنند.

در‌واقع، تنها تیغه‌های رو به باد توسط باد رانده می‌شوند تا بچرخند، در‌حالی‌که بقیه به سادگی دنبال می‌شوند. در طول چرخش، روتور‌های محور عمودی نیز با کشش یا مقاومت آیرودینامیکی بیشتری روی تیغه‌ها مواجه می‌شوند. این امر به‌ویژه در توربین‌های بادی Savonius نشان داده شده است زیرا سطح پره‌های وسیع‌تری دارند.

۲- سرعت باد موجود کمتر

از آنجایی که توربین‌های بادی محور عمودی معمولاً در سطح زمین نصب می‌شوند، از سرعت باد بالاتری که اغلب در سطوح بالاتر یافت می‌شود، استفاده نمی‌کنند. در نتیجه، انرژی باد کمتری برای توربین‌های بادی محور عمودی سطح زمین در دسترس است. یک راه‌حل رایج برای این کار، نصب توربین در پشت‌بام یک ساختمان است. برای رفع این مشکل، طراحی روتور بهبود یافته تا بتوان آن را در بالای دکل نصب کرد.

۳- فرسودگی قطعات

توربین‌های بادی محور عمودی که اغلب در سطح زمین و محیط‌های پرجمعیت قرار می‌گیرند، با تلاطم و مشکلات ارتعاش بیشتری مواجه هستند. هنگام کار، نه‌تنها تیغه‌ها باید نیروی بیشتری را تحمل کنند، بلبرینگ بین روتور و دکل نیز باید فشار بیشتری را تحمل کند. در مدل‌های قبلی، احتمال خم شدن یا ترک خوردن تیغه‌ها بیشتر بود. این امر می‌تواند منجر به نگهداری بیشتر و در نتیجه هزینه بیشتر شود.

برای تقویت توربین‌ها، محاسبات فرسودگی را برای طراحی و ساخت در نظر گرفته شده است. توربین‌های بادی محور عمودی LuvSide اکنون به‌اندازه‌ای قوی هستند که می‌توانند سرعت باد برابر با یک طوفان استوایی قوی را تحمل کنند.

۴- کارایی کمتر

توربین‌های بادی محور عمودی در مقایسه با توربین‌های بادی محور افقی، کارایی کمتری دارند. این عمدتاً به دلیل ماهیت طراحی و ویژگی‌های عملیاتی آن‌ها است. به طور متوسط، راندمان توربین بادی با محور افقی بین ۴۰ تا ۵۰ درصد است، به این معنی که توربین قادر است ۴۰ تا ۵۰ درصد انرژی جنبشی دریافتی خود را به توان الکتریکی واقعی تبدیل کند.

از طرف دیگر، یک توربین بادی با محور عمودی Savonius دارای راندمان متوسط ۱۰ تا ۱۷ درصد است در‌حالی‌که توربین بادی محور عمودی Darrieus به ۳۰ تا ۴۰ درصد می‌رسد. با‌این‌حال، با توجه به محیط مناسب، یک توربین بادی ساوونیوس همچنان می‌تواند انرژی کافی برای پشتیبانی از مصرف سالانه یک خانواده معمولی دو نفره تولید کند.

۵- مکانیزم خود راه اندازی

در‌حالی‌که توربین‌های بادی محور افقی و توربین‌های بادی Savonius به‌محض دریافت باد به طور خودکار شروع به چرخش می‌کنند، توربین‌های بادی Darrieus اغلب به مکانیزم راه‌اندازی متکی هستند. این به این دلیل است که طراحی بال توربین‌های بادی Darrieus همیشه باد را هدایت نمی‌کند تا گشتاور کافی برای چرخش ایجاد کند.

توربین­‌های عمود محور در کنار هم بهتر کار می‌کنند

فرقی نمی‌کند روی خشکی یا توی دریا، توربین‌های بادی یک مشکل دارند و آن هم اثر wake (اثر wake اثری است که توربین‌ها روی سرعت باد می‌گذارند. این اثر یکی از دلایل مهم کاهش بازدهی مزرعه‌های باد است) است که باعث کم شدن بازدهی توربین‌های محور افقی می شود. در حالی که توربین­‌های عمود محور بازده بهتری دارند.

توربین‌های محور افقی بازدهی در حدود ۵۰ درصد دارند، در صورتی که این بازدهی برای توربین دوم که پشت توربین اول قرار گرفته می تواند تا ۴۰ درصد کاهش پیدا کند. همچنین برای جلوگیری از آشفتگی هوا (turbulence) توربین‌ها باید در فاصله سه کیلومتری از یکدیگر قرار گیرند. این نوع ساختار و وجود فاصله‌ی زیاد باعث ایجاد مزرعه‌های فوق العاده بزرگ می‌شوند.

Iakovos Tzanakis پروفسور دانشگاه بروکس اکسفورد (Oxford Brookes University) می گوید:” گفتن اینکه بله ما اثر wake داریم و هیچ کاری هم درباره ی آن نمی توانیم انجام بدهیم راه مناسبی برای روبه­رو شدن با این مشکل نمی‌­باشد.” Tzanakis و دانشجویش Joachim Toftegaard Hansen می‌دانند که باید راه بهتری نیز وجود داشته باشد. پس آن‌ها شروع به مطالعه روی توربین‌های عمود محور به عنوان یک جایگزین کرده‌اند.

توربین‌های عمود محور با تیغه‌های عمود بر زمین که به دور برج می‌چرخند (همانند سبک چرخ و فلک)، به تنهایی انرژی باد را به گونه ی متفاوتی نسبت به توربین های افقی دریافت می‌کند اما از آن‌ها کارامدتر نیست. یک توربین عمود محور دارای بازدهی در حدود ۳۵ تا ۴۰ درصد می‌باشد. (در حالی پژوهشگران اطمینان دارند که در آینده نزدیک این عدد به حدود ۵۰ درصد افزایش پیدا خواهد کرد)

اما Tzanakis و Hansen در مقاله‌ای که در سال ۲۰۲۱ چاپ کرده‌اند نشان داده‌اند که هنگامی که این توربین‌ها با یکدیگر کار می‌کنند و به صورت مناسب در کنار هم قرار گرفته باشند، این قابلیت را پیدا می‌کنند دارند که از توربین‌های افقی نیز پیشی بگیرند.

افزایش بازدهی توربین‌های عمود محور (Vertical Axis Turbine)

Tzanakis و Hansen حدود ۱۱,۵۰۰ ساعت شبیه سازی کامپیوتری را برای ۳۰ مدل مختلف اجرا کرده‌اند. آن ها متوجه شدند بهترین حالت حالتی است که توربین‌ها قطری برابر سه متر داشته باشند و پره هایشان با یکدیگر زاویه ۶۰ درجه بسازند. این ساختار بازدهی توربین‌ها را ۱۵ درصد افزایش می دهد. همچنین این ساختار باعث می شود که توربین ها بتوانند در فاصله ی کمتری از یکدیگر قرار گیرند و به مزرعه‌های باد کوچکتری نسبت به توربین های افقی نیاز داشته باشند.

Tzanakis می گوید:” آن‌ها هوا را می‌مکند و بعد آن را می‌دمند”

همچنین توربین‌های عمود محور به دلیل ساختارشان، کمتر هوا عبوری را آشفته می‌کنند. Tzanakis این بازی با باد را به فوتبال تشبیه می‌کند و می‌گوید:” انگار آن ها دارند باد را بین خودشان پاس کاری می‌کنند و به گونه­ای در کنار هم با نظم کار می کنند و باعث می‌شوند ما این بازدهی کلی بالا را داشته باشیم.”

منبع:

www.asme.org