انسان‌ها قرن‌هاست که از نیروی باد استفاده می‌کنند. از بادبان کشتی‌ها گرفته تا آسیاب‌های بادی، باد همواره منبع مهمی از انرژی در طول تاریخ بشر بوده است. در سال‌های اخیر، انرژی بادی به عنوان جایگزینی کارآمد و پایدار برای سوخت‌های فسیلی محبوبیت بیشتری یافته است. مزارع بادی در سواحل و قله‌ی کوه‌ها در سراسر جهان ظاهر شده‌اند و احتمالا تاکنون متوجه طراحی خاص آن‌ها شده‌اید.
اما چرا توربین‌های بادی سه تیغه دارند و نه کمتر یا بیشتر؟ پاسخ در مهندسی پشت فناوری باد نهفته است و اینکه چگونه می‌توان بیشترین میزان انرژی را به شکلی بهینه تولید کرد. برای تولید حداکثر برق با بالاترین بازده، عوامل متعددی باید در نظر گرفته شوند.
توربین‌های بادی چگونه کار می‌کنند؟
تاریخچه‌ی انرژی بادی و علم پشت آن
توربین‌های بادی مولد برق، قدیمی‌تر از آن چیزی هستند که شاید تصور کنید. نخستین توربین از این نوع در سال ۱۸۸۸ توسط «چارلز اف. بروس» اختراع شد. این توربین دارای ۱۴۴ پره‌ی چوبی بود و می‌توانست ۱۲ کیلووات برق تولید کند.
تا اواسط دهه‌ی ۱۹۳۰، بسیاری از خانه‌های روستایی در آمریکا تنها از طریق باد برق دریافت می‌کردند. توربین‌ها راهی در دسترس و کم‌هزینه برای تأمین انرژی مناطق دورافتاده‌ای بودند که به شبکه‌ی برق سراسری متصل نبودند.
با گسترش خطوط برق در سراسر ایالات متحده، توربین‌های بادی روستایی عملا از میان رفتند و انرژی بادی برای مدتی به فراموشی سپرده شد. تنها در دهه‌های اخیر است که دوباره علاقه‌ی عمومی به انرژی باد به‌عنوان گزینه‌ای ارزان و پاک افزایش یافته است.
اصول تولید انرژی بادی امروزه همان‌قدر ساده‌اند که در قرن نوزدهم بودند: باد چیزی جز هوای در حال حرکت نیست، و هرجا حرکت باشد، انرژی جنبشی نیز وجود دارد. توربین‌های بادی طوری طراحی می‌شوند که مانعی در برابر این انرژی جنبشی باشند؛ این مانع (پره‌ها) باعث کاهش سرعت باد و تبدیل انرژی آن به برق می‌شود. طراحی و استفاده از پره‌ها علمی پیچیده است و به عواملی مانند آیرودینامیک و مقاومت هوا بستگی دارد.
طراحی پره‌های توربین: سرعت، آیرودینامیک و حد صوت
یکی از مهم‌ترین عوامل در طراحی پره‌ها، آیرودینامیک است.آیرودینامیک به ویژگی‌های جسم جامد و چگونگی تعامل آن با جریان هوا گفته می‌شود. از این منظر، پره‌های توربین بادی شباهت زیادی به بال‌های هواپیما دارند.
پشت پره نسبت به جلوی آن انحنای بیشتری دارد، درست مانند بال هواپیما که در انتها به سمت بالا خم می‌شود. این تفاوت در شکل باعث ایجاد اختلاف فشار در دو سوی پره می‌شود و همین اختلاف فشار است که موجب چرخش پره‌ها می‌گردد.
در نورسان انرژی بخوانید:
خرید پنل خورشیدی با بهترین قیمت
وقتی هوا از جلوی پره عبور می‌کند، سرعت جریان در پشت پره بیشتر می‌شود و همین امر حرکت دورانی را آغاز می‌کند و فرآیند تولید برق شروع می‌شود. با این حال، تنها حرکت پره کافی نیست. مهندسان باید سرعت و نیروی کشش را طوری طراحی کنند که بازدهی به حداکثر برسد.
به‌عنوان مثال، اگر نیروی درگ بیش از حد باشد، توان تولیدی کاهش می‌یابد. اگر درگ خیلی کم باشد، پره‌ها ممکن است بیش از حد سریع بچرخند؛ تا حدی که به سرعت صوت برسند.
یکی از مزایای بزرگ توربین‌های بادی، عملکرد بی‌صدای آن‌هاست. اگر آن‌ها به سرعت صوت برسند و شکستن دیواره‌ی صوتی رخ دهد، صدای حاصل ممکن است باعث شود ساکنان اطراف با ساخت مزارع بادی مخالفت کنند.
انتخاب تعداد مناسب تیغه‌ها
در بیشتر موارد، توربین‌های بادی امروزی با سه پره ساخته می‌شوند. این انتخاب در واقع نوعی توافق مهندسی است. از نظر بازده انرژی، توربینی با یک پره بهترین عملکرد را دارد، زیرا مقاومت هوا کمتر است. اما یک پره تعادل سازه را به‌هم می‌زند و از نظر پایداری عملی نیست.
توربین‌های دو پره‌ای نیز از نظر انرژی بازدهی خوبی دارند، اما مشکل دیگری ایجاد می‌کنند: پدیده‌ای به نام پیش‌روی ژیروسکوپی (Gyroscopic Precession) که باعث «تکان خوردن» یا «لرزش» توربین می‌شود. این لرزش باعث استهلاک سریع قطعات و کاهش عمر مفید توربین می‌گردد. از سوی دیگر، هر تعداد پره بیش از سه عدد باعث افزایش مقاومت هوا شده و کارایی را کاهش می‌دهد. بنابراین، سه پره بهترین تعادل بین بازده بالا، پایداری و دوام است.
آینده‌ی توربین‌های بادی: آیا بدون پره بهتر است؟
اگرچه توربین‌های سه‌پره‌ای در حال حاضر مدل استاندارد تولید انرژی پاک هستند، این به معنای پایان نوآوری نیست. مهندسان همچنان در جست‌وجوی طراحی‌های کارآمدتر برای آینده‌اند.
یکی از ایده‌های محبوب، توربین‌های بدون پره است. شاید این ایده عجیب به‌نظر برسد، زیرا پره‌ها نقش اساسی در دریافت انرژی باد دارند، اما مزایای خاصی نیز دارد. یکی از این مزایا، کاهش هزینه و نگهداری است. توربین‌های فعلی تحت فشار زیادی کار می‌کنند — تا ۲۰ چرخش در دقیقه با سرعتی تا ۱۸۰ مایل در ساعت (۲۸۹ کیلومتر بر ساعت). این فشار زیاد و شرایط آب‌و‌هوایی سخت (به‌ویژه در دریا) باعث فرسودگی سریع پره‌ها می‌شود.
شرکت‌هایی مانند Vortex Bladeless نمونه‌های اولیه‌ی توربین‌های بدون پره را ساخته‌اند که از حرکت نوسانی ژیروسکوپی برای تولید انرژی استفاده می‌کنند. هزینه‌ی تولید این توربین‌ها می‌تواند تا ۵۰٪ کمتر از توربین‌های سنتی باشد و همچنین دوام بیشتری داشته باشند.