مقاله
جهان به انرژی بادی بیشتری نیاز دارد. با این حال، هر فردی که به طراحی توربین‌های بادی جدید می‌پردازد یا برای استخراج توان بیشتر از توربین‌های موجود تلاش می‌کند، در مسیر آزمایش رویکردهای نوین با چالشی دشوار روبه‌رو می‌شود؛ زیرا اتمسفر محیطی بسیار سخت و پیچیده برای انجام آزمایش‌های کنترل‌شده است.
برخی پژوهشگران برای انجام آزمایش‌ها از تونل‌های باد استفاده می‌کنند، اما مدل‌های مقیاس‌شده توربین‌های بادی در تونل‌های باد سنتی ممکن است تفاوت‌های فاحشی با شرایط واقعی در محیط باز داشته باشند (توربین‌های بادی بزرگ‌ترین ماشین‌های دوار ساخته‌شده تاکنون هستند). این مسئله نه‌تنها مانع توسعه توربین‌های بادی کارآمدتر می‌شود، بلکه درک ما را از پرسش‌های بنیادین، نظیر میزان توان تولیدی موردانتظار از یک توربین در زمان تغییر جهت وزش باد، با محدودیت روبه‌رو می‌سازد.
در مقاله جدیدی با دسترسی آزاد که در نشریه PNAS Nexus منتشر شده است، پژوهشگران با استفاده از یک تونل باد پرفشار با قابلیت شبیه‌سازی فیزیک جریان در اتمسفر، شکاف میان آزمایش‌های میدانی و آزمایشگاهی را پر کرده‌اند. پژوهشگران با این رهیافت مشخص کردند که هم‌راستایی توربین و سرعت نوک پره نسبت به باد چگونه بر توان تولیدی تأثیر می‌گذارد و به دیدگاه‌های نوینی در زمینه افزایش توان خروجی مزارع بادی موجود دست یافتند.
آن‌ها همچنین از این روش برای اعتبارسنجی یک مدل محاسباتی سبک استفاده کردند که مهندسان می‌توانند به کمک آن، طرح‌های مختلف توربین و راهبردهای کنترلی مزارع بادی را ارزیابی کنند.
بر اساس برآورد جمعی پژوهشگران، بهینه‌سازی هم‌راستایی توربین نسبت به باد، زوایای گام پره (که زاویه حمله ماهی‌واره یا ایرفویل را کنترل می‌کنند) و سرعت نوک پره نسبت به باد، می‌تواند سالانه ده‌ها هزار دلار درآمد افزوده به‌ازای هر توربین به همراه داشته باشد.
مایکل هاولند، دانشیار توسعه شغلی جفری چیا در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، می‌گوید: «تأثیر بی‌درنگ این پژوهش آن است که اکنون مدل‌های مورد استفاده در پروتکل‌های کنترل توربین بادی برای مزارع موجود را هم بهبود بخشیده‌ایم و هم اعتبارسنجی کرده‌ایم. تأثیر عمیق‌تر و میان‌مدت این کار که مزایای بسیار بزرگ‌تری به همراه دارد، ارائه یک الگوی تجربی نوین برای نمونه‌سازی سریع، اعتبارسنجی مدل‌های شبیه‌سازی و آزمودن فرضیه‌ها پیرامون طرح‌ها و راهبردهای کنترلی بهتر با سرعتی بسیار فراتر از گذشته است.»
در این مقاله، جان کورلک، استادیار دانشگاه کویینز به‌عنوان نویسنده نخست؛ ایلان آپفال و کربی هک، دانشجویان دکتری MIT؛ سوپون پیریس، پژوهشگر پسادکتری دانشگاه کویینز؛ الکساندر پیکه، پژوهشگر دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا؛ و مارکوس هولتمارک، استاد دانشگاه پرینستون، با هاولند همکاری داشته‌اند.
پاسخ‌هایی در دل باد
هاولند سال‌ها به توسعه مدل‌هایی برای شبیه‌سازی عملکرد مزارع بادی و ایجاد روش‌های نوین جهت افزایش توان خروجی آن‌ها پرداخته است. او در سال ۲۰۲۲ نشان داد که در نظر گرفتن دنباله جریان (رد باد یا Wake) ناشی از هر توربین در زمان کنترل کل مزرعه بادی می‌تواند توان خروجی را به‌طور چشمگیری افزایش دهد.
با این وجود، انجام آن پژوهش نیازمند اجرای یک آزمایش میدانی طولانی‌مدت بود که طی آن پژوهشگران به‌منظور بررسی عملکرد توربین‌ها در وضعیت عدم‌هم‌راستایی با باد، زوایای توربین‌های یک مزرعه بادی واقعی را ماه‌ها به‌صورت عمدی نسبت به جهت باد منحرف کردند؛ امری که موقتاً موجب افت توان خروجی آن مزرعه شد.
هاولند اظهار می‌دارد: «مطالعه تجربی انرژی بادی چالشی کم‌نظیر است. ما می‌خواهیم اثر یک تغییر مشخص را به‌شکل مجزا بررسی کنیم، اما مزارع بادی در محیط‌های آشوبناک و متلاطمی فعالیت می‌کنند که وضعیت آب‌وهوا در آن‌ها پیوسته در حال دگرگونی است. توربین‌های بادی باید به شرایط جوی غیرقابل‌کنترلی پاسخ دهند و همین امر تشخیص اثر دقیق تغییرات اعمال‌شده را پیچیده می‌سازد. این حوزه در نقطه تلاقی منحصربه‌فردی میان مکانیک سیالات محیطی، دینامیک، آیرودینامیک و هواشناسی قرار دارد.»
دشواری اجرای آزمایش‌ها در مزارع بادی واقعی سبب شده است که پژوهشگران و مهندسان نسبت به چگونگی تأثیر تغییرات زاویه هم‌راستایی باد و توربین یا عواملی نظیر نسبت سرعت نوک پره بر توان خروجی با عدم‌قطعیت روبه‌رو باشند.
پژوهشگران خاطرنشان می‌کنند که بسیاری از مدل‌های پیش‌بینی کنونی بر پایه این فرض طراحی شده‌اند که توربین‌ها همواره کاملاً عمود بر جریان باد قرار دارند. این وضعیت در جهان واقعی به‌ندرت رخ می‌دهد؛ حتی در توربین‌های پیشرفته‌ای که زاویه خود را متناسب با تغییرات سریع جهت باد به‌آرامی تنظیم می‌کنند.
هولتمارک بیان می‌کند: «پژوهشگران همواره درباره برتری مدل‌های گوناگون برای تحلیل خروجی این مزارع بادی بحث کرده‌اند، اما بدون داشتن معیاری برای مقایسه، پیشرفت در این زمینه بسیار دشوار خواهد بود. این مقاله تلاش می‌کند هر دو هدف را برآورده سازد.»
آزمایشگاه تحقیقاتی هولتمارک در پرینستون از پیشگامان مطالعه توربین‌های بادی مقیاس‌شده در تونل‌های باد پرفشار است. همان‌طور که پژوهش‌های پیشین نشان داده‌اند، این تأسیسات عملکرد توربین‌های بزرگ‌مقیاس در اتمسفر را با دقت بالاتری بازتولید می‌کنند؛ چراکه افزایش فشار، چگالی هوا را بالا برده و منجر به افزایش اینرسی در محیط آزمایشگاهی مقیاس‌شده می‌شود. در این مطالعه، پژوهشگران از توربینی با قطر ۱۵ سانتی‌متر تحت فشارهای متغیر تا ۲۴۰ اتمسفر استفاده کردند.
جان کورلک، نویسنده نخست مقاله، توضیح می‌دهد: «با افزایش فشار محفظه، ما در شرایط یکسان فیزیکی، در حال آزمایش توربینی با قطر معادل ۱۵ تا ۲۰ متر هستیم که ظرفیت ارتقا تا قطر ۳۵ متر را نیز دارد. دلیل این امر، افزایش ۱۰۰ تا ۲۲۰ برابری چگالی هوا در این فرآیند است.»
کورلک ابعاد تونل باد و چیدمان توربین را برای هاولند ارسال کرد و هاولند با به‌کارگیری یک مدل یکپارچه جدید توربین بادی، ویژگی‌های آیرودینامیکی، نیروها و میزان تولید توان را محاسبه نمود. این مدل بر پایه پژوهش‌های پیشین توسعه یافته است که نظریه آیرودینامیکی جامع‌تری را برای توربین‌های بادی تدوین کرده بودند. مدل جدید به پژوهشگران امکان می‌دهد عملکرد توربین بادی را در شرایط عملیاتی گوناگون بدون اتکا به اصلاحات تجربی گذشته شبیه‌سازی کنند.
پژوهشگران سپس در طول چند هفته، مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را در داخل تونل اجرا کردند و عملکرد توربین را در زوایای مختلف باد و با راهبردهای کنترلی متنوع ارزیابی نمودند تا اثر مجزای هر عامل بر عملکرد سیستم مشخص شود.
آن‌ها دریافتند که با تنظیم سرعت نوک پره بر اساس زاویه انحراف توربین نسبت به جریان باد، توان خروجی به‌شکل چشمگیری افزایش می‌یابد؛ راهبردی کنترلی که امروزه به‌ندرت در مزارع بادی به‌کار می‌رود، اما می‌تواند روشی مؤثر برای ارتقای بازدهی با کمترین هزینه افزوده باشد.
کورلک می‌گوید: «دستاورد عمده این آزمایش‌ها، اثبات شفاف این نکته بود که هنگام انحراف توربین نسبت به باد، صرفاً با تغییر سرعت نوک پره می‌توان به بیشینه‌های جدیدی در تولید توان دست یافت.»
توسعه مقیاس روش
این پژوهش همچنین مدل هاولند را اعتبارسنجی کرد؛ مدلی با سرعت محاسباتی مناسب که مهندسان طراح و بهره‌بردار توربین‌های بادی در سراسر جهان می‌توانند آن را روی رایانه‌های همراه معمولی اجرا کنند.
هاولند توضیح می‌دهد: «آنچه در پی آن هستیم این است که بدانیم اگر توربین‌ها همواره با درجاتی از انحراف نسبت به جهت باد کار کنند، چگونه باید آن‌ها را کنترل کنیم تا به بیشترین توان تولیدی ممکن برسیم؟ مدل اندازه حرکت یکپارچه ما چند سال پیش امکان پیش‌بینی چنین کنترلی را فراهم کرد و اکنون برای نخستین بار توانسته‌ایم آن مدل را به‌صورت تجربی اعتبارسنجی کنیم.»
به گفته هاولند، اعتبارسنجی مدل‌ها تنها بخشی از دستاوردهای بالقوه این مطالعه به شمار می‌رود.
هاولند می‌افزاید: «این تحقیق همچنین نشان‌دهنده فرصت کم‌نظیر اجرای آزمایش‌های کنترل‌شده و با کارایی بالا در تأسیسات پرفشار است؛ مراکزی که مارکوس و جان در آن‌ها فعالیت می‌کنند و ما را قادر می‌سازند به فیزیک دقیق مسئله با صرف زمان و هزینه بسیار کمتر دست یابیم. در حال حاضر، شکاف گسترده‌ای میان مدل‌های آرمانی نظری و شبیه‌سازی‌ها با آزمایش‌های مقیاس‌کامل در محیط‌های پیچیده میدانی وجود دارد. هیچ روشی جز این آزمایش‌های پرفشار توانایی پر کردن این خلاء را ندارد. امیدوارم این رویکرد بستری مناسب برای بررسی طیف گسترده‌ای از پرسش‌های بی‌پاسخ در حوزه انرژی بادی در شرایط کنترل‌شده فراهم آورد.»
