مبینا ایزدپناه، ورودی ۹۷ مهندسی مکانیک
بیست سال پیش، انرژی باد عمدتاً یک صنعت خاص بود که کمتر از 1٪ به کل تقاضای برق در ایالات متحده کمک می‌کرد؛ اما اکنون باد به عنوان یک رقیب جدی برای توسعه‌ی منابع انرژی تمیز و تجدیدپذیر ظاهر می‌شود که می‌تواند شبکه را حفظ کند و تقاضای جهانی انرژی را که به‌طور فزاینده‌ای افزایش می‌یابد، تأمین کند. شرکت‌های انرژی در سراسر کشور آمریکا، توربین‌های عظیم‌الجثه‌ای نصب کرده‌اند و سال گذشته، انرژی بادی 7٪ تقاضای برق خانگی را تأمین کرده است.
به گفته‌ی مهندس جاناتان ناتون در دانشگاه وایومینگ، به‌زودی انرژی باد یک مؤلفه‌یمهم تولید انرژی خواهد بود. وی اذعان کرده است با اینکه افراد به کارایی منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید شک دارند، زیرا ماهیتاً وابسته به هوا و متغیر هستند و کنترل و پیش‌بینی آن‌ها دشوار است؛ اما راه‌هایی برای غلبه بر این مشکلات وجود دارد.
ناتون و چارلز منوو در دانشگاه جان هاپکینز در مریلند، یک مینی‌سمپوزیوم در هفتادوسومین نشست سالانه‌ی بخش مکانیک‌سیالات انجمن فیزیک آمریکا ترتیب دادند و چالش‌های انرژی باد را توصیف کردند.
برای اینکه انرژی باد پذیرفته شود، محققان باید سیستم‌هایی را طراحی کنند که هم کارآمد و هم ارزان باشد. پس لازم است که درک بهتری از پدیده‌های فیزیکی حاکم بر توربین‌های بادی، به دست آید. سه سال پیش، آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر وزارت انرژی ایالات متحده (NREL)، هفتاد متخصص از سراسر جهان را گرد هم آورد تا در مورد وضعیت این علم بحث کنند. در سال 2019، این گروه چالش‌های بزرگی را منتشر كرد که مانع از تأمین نیمی از انرژی برق مورد نیاز جهان از طریق انرژی بادی شده‌اند.
چالش اول، درک بهتر اثر اتمسفر بر کار توربین‌ها بود. به گفته‌ی ناتون، باد در واقع یک مسئلهی مکانیک‌سیالات در سطح اتمسفر است؛ اما برای تحلیل نحوه‌ی رفتار باد در سطوحی که توربین‌ها کار می‌کنند، ما به اطلاعات بیشتری نیاز داریم.
چالش دوم، عدم مطالعه‌ی نیروگاه‌های بادی در مقیاس‌های وسیع است. به گفته‌ی پاول ویرز، مهندس ارشد مرکز ملی فناوری باد (NREL) که در این سمپوزیوم به بررسی اجمالی چالش‌ها پرداخت، توربین‌های امروزی می‌توانند تیغه‌هایی به طول 50 تا 70 متر داشته باشند و برج‌هایشان 100 متر یا بیشتر از اطراف خود را اشغال می‌کنند. مزیت توربین‌های بزرگتر این است که ساخت و نگهداری نیروگاه‌های بادی با توربین‌های بزرگ و دسترسی آن‌ها به بادهای قدرتمند بالای سطح زمین، به ماشین‌آلات کمتری نیاز دارد؛ اما این نیروگاه‌های بزرگ در مقیاسی کار می‌کنند که به‌خوبی مطالعه نشده است. در واقع ما توانایی خوبی در درک و کار با اتمسفر در مقیاس‌های عظیم داریم و دانشمندانی مانند ناتون و منوو کارهای شگفت‌انگیزی در زمینه‌ی مکانیک‌سیالات انجام داده‌اند تا مقیاس‌های کوچک را درک کنند؛ اما بین این دو نقطه، بازه‌ای وجود دارد که خیلی مورد مطالعه قرار نگرفته است.
چالش سوم، مطالعه‌ی رفتار گروه‌های توربین است. هر توربین یک ویک* (wake) در اتمسفر ایجاد می‌کند و ترکیب ویک توربین‌ها در مقیاس بزرگ ممکن است در کار توربین‌های دیگر اختلال ایجاد کند.
در پایان، ناتون انرژی باد را «مسئلهی نهایی مقیاس» خواند؛ زیرا که مسائل مقیاس‌کوچک مانند فعل و انفعالات توربین‌ها با هوا را به مسائلی در مقیاس عظیم مانند مدل‌سازی اتمسفر متصل می‌کند. این انرژی برای حل چالش‌هایش به متخصصانی از زمینه‌های مختلف احتیاج دارد. باد از ارزان‌ترین اشکال انرژی است؛ اما با بلوغ فناوری استفاده از آن، سوالات مطرح‌شده سخت‌تر می‌شوند.
* اثر ویک (Wake): کاهش سرعت باد پس از عبور از توربین‌ها که تابعی از فاصله و ابعاد توربین‌ها و سرعت ابتدایی باد است.
منابع:
