کدام یک کارآمدتر است، توربین‌های بادی محور عمودی یا محور افقی؟
در حال حاضر، راندمان توربین‌های بادی محور افقی سه پره رایج بسیار بیشتر از توربین‌های بادی محور عمودی است.
این شکاف در بهره‌وری اساسی است. شاخص کلیدی برای اندازه‌گیری بهره‌وری، «ضریب استفاده از انرژی باد» است که نشان می‌دهد یک توربین بادی چقدر انرژی می‌تواند از باد جذب کند. فن‌های محور افقی مدرن و بزرگ می‌توانند به راندمان ۴۵٪ تا ۵۰٪ دست یابند که نزدیک به حد نظری (۵۹.۳٪، معروف به حد Bez) است. در مقابل، راندمان فن‌های محور عمودی بسیار پایین‌تر است، معمولاً فقط ۱۵٪ تا ۴۰٪، بسته به نوع طراحی آنها.
چرا راندمان فن‌های محور افقی بسیار بالاست؟
این عمدتاً به دلیل اصل کار آن است:
تمام پره‌ها به طور همزمان و با زاویه بهینه در جهت باد قرار می‌گیرند: پره‌های یک فن محور افقی طوری طراحی شده‌اند که شبیه بال‌های هواپیما (ایرفویل آیرودینامیکی) باشند. هنگامی که باد می‌وزد، یک «نیروی بالابر» عظیم ایجاد می‌کند که نیروی محرکه اصلی برای چرخش پره‌ها است. با توجه به اینکه پره‌ها همیشه در یک جهت می‌چرخند، بیشتر کل پره می‌تواند به طور مداوم و کارآمد انرژی باد را جذب کند.
سرعت بالا: فن‌های محور افقی می‌توانند به سرعت‌های بسیار بالایی دست یابند، که این امر باعث می‌شود در به حرکت درآوردن ژنراتور برای تولید برق بسیار کارآمد باشند.
چرا راندمان فن‌های محور عمودی کمتر است؟
حالت کار فن‌های محور عمودی (که عمدتاً به "نوع داریو" که شبیه همزن تخم‌مرغ است اشاره دارد) متفاوت است:
پره‌ها در باد به جلو و عقب حرکت می‌کنند: با چرخش به موقعیت‌های مختلف، زاویه آنها با جهت باد دائماً تغییر می‌کند. پره‌ها فقط در زوایای خاص می‌توانند انرژی باد را به طور مؤثر جذب کنند. با این حال، در موقعیت‌های دیگر (مانند هنگام چرخش به سمت باد)، پره‌ها در عوض مقاومت ایجاد می‌کنند. این ویژگی «رقابت با خود» اساساً کارایی آن را محدود می‌کند.
عملکرد ضعیف در هنگام راه‌اندازی: بسیاری از فن‌های محور عمودی نمی‌توانند خودشان شروع به کار کنند و به کمک خارجی نیاز دارند.
اگرچه از نظر کارایی فاصله زیادی وجود دارد، اما فن‌های محور عمودی بدون مزیت نیستند. آنها دارای مجموعه‌ای از ویژگی‌های منحصر به فرد هستند که آنها را در سناریوهای خاص غیرقابل جایگزین می‌کند.
مزایا و معایب فن‌های محور افقی:
مزایا:
مزایای اصلی: راندمان بسیار بالا و بهترین توجیه اقتصادی برای تولید برق در مقیاس بزرگ.
معایب:
نیاز به هم‌ترازی با جهت باد: یک «سیستم انحراف» پیچیده باید مجهز باشد تا کابین را دائماً برای هم‌ترازی با جهت باد تنظیم کند، درست مانند یک نشانگر جهت باد.
ساختار پیچیده و هزینه‌های بالای نگهداری: ژنراتورها و گیربکس‌های سنگین در بالای برج‌هایی با ارتفاع ده‌ها یا حتی صدها متر نصب می‌شوند که نگهداری و تعمیر آنها را بسیار دشوار و پرهزینه می‌کند.
صدای بلند: نوک تیغه با چرخش پرسرعت، صدای زیادی تولید می‌کند.
الزامات بالا برای محیط نصب: شرایط باد پایدار و ملایم مورد نیاز است که ممکن است در شهرهایی با بادهای متلاطم و آشفته عملکرد خوبی نداشته باشد.
مزایا و معایب فن‌های محور عمودی:
مزایا:
نیازی به باد نیست: باد از هر جهتی می‌تواند آن را بچرخاند و نیاز به سیستم انحراف را از بین ببرد.
ساختار ساده و نگهداری آسان: تجهیزات اصلی مانند ژنراتور و گیربکس در کف زمین نصب شده‌اند و پرسنل تعمیر و نگهداری نیازی به بالا رفتن ندارند که منجر به هزینه‌های نگهداری پایین می‌شود.
کم صدا: سرعت معمولاً کندتر و عملکرد آن بی‌صداتر است.
سازگاری با شرایط پیچیده باد: برای محیط‌های شهری با جهت‌های باد متغیر و تلاطم باد بسیار مناسب است و می‌توان آن را روی پشت بام‌ها نصب کرد.
سرعت باد کم در هنگام شروع به کار: برخی از انواع (مانند نوع S) می‌توانند با نسیم ملایمی شروع به کار کنند.
معایب:
نقطه ضعف اصلی: راندمان پایین.
یک ریسک ساختاری وجود دارد: برخی از طرح‌ها در طول چرخش با سرعت بالا، تنش زیادی را در ریشه پره‌ها تجربه می‌کنند که می‌تواند به راحتی منجر به مشکلاتی شود.
بنابراین، نتیجه‌گیری نهایی این است:
اگر می‌خواهید یک مزرعه بادی بزرگ بسازید و به دنبال حداکثر کردن تولید برق و مزایای اقتصادی باشید، توربین‌های بادی محور افقی «با راندمان بالا» تنها انتخاب اصلی هستند. به همین دلیل است که تقریباً تمام آسیاب‌های بادی که در طبیعت می‌بینیم، محورهای افقی دارند.
اما اگر به یک ژنراتور «غیرسخت‌گیر و با سرویس آسان» برای سناریوهای توزیع‌شده، مانند تأمین برق چراغ‌های خیابان، ساختمان‌ها، ایستگاه‌های پایه از راه دور، به ویژه در شهرهایی با جهت باد ناپایدار، نیاز دارید، یک فن محور عمودی «با راندمان پایین اما محکم و بادوام» در واقع می‌تواند انتخاب مناسب‌تری باشد.
به طور خلاصه، محور افقی نشان دهنده «دانش آموزان برتر» است که عملکرد و مقیاس را دنبال می‌کنند، در حالی که محور عمودی نشان دهنده «دانش آموزان با استعداد» است که با محیط‌های خاص سازگار می‌شوند. از نظر کارایی خالص، طرفداران محور افقی عملکرد بهتری دارند.
