در دنیای امروز، نیاز به منابع انرژی پایدار و تجدیدپذیر بیش از هر زمان دیگری احساس می‌شود. تغییرات اقلیمی، افزایش جمعیت و محدودیت‌های منابع فسیلی، جوامع را به سمت استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر سوق داده است. در این میان، توربین‌های بادی به عنوان یکی از مؤثرترین روش‌های تولید انرژی پاک شناخته می‌شوند. با پیشرفت فناوری، از اوایل دهه 2000، توربین‌های بادی در ابعاد خود، هم از نظر ارتفاع و هم طول پره‌ها، رشد قابل توجهی داشته‌اند و انرژی بیشتری تولید می‌کنند. توربین بادی بزرگ‌تر نه تنها می‌تواند انرژی بیشتری تولید کند، بلکه از نظر اقتصادی نیز به صرفه‌تر است. این مقاله به بررسی مزایا و چالش‌های توربین‌های بادی بزرگ‌تر، تأثیر آنها بر تولید انرژی و نقش آنها در تحقق اهداف توسعه پایدار می‌پردازد. با توجه به روندهای جهانی و نیاز به تغییرات اساسی در سیستم‌های انرژی، درک بهتر از این فناوری می‌تواند به تصمیم‌گیری‌های مؤثر و راهبردی در آینده کمک کند.
افزایش ارتفاع هاب توربین‌های بادی
ارتفاع هاب یک توربین بادی، فاصله‌ای است که از سطح زمین تا وسط روتور توربین اندازه‌گیری می‌شود. ارتفاع هاب برای توربین‌های بادی بزرگ مقیاس در زمین از سال 1998 تا 1999 به میزان 83 درصد افزایش یافته و در سال 2023 به حدود 103.4 متر رسیده است. این ارتفاع حتی از مجسمه آزادی هم بلندتر است. پیش‌بینی می‌شود که ارتفاع هاب برای توربین‌های بادی دریایی در ایالات متحده نیز افزایش یابد؛ از 100 متر در سال 2016 به حدود 150 متر در سال 2035.
توربین‌ها به دلیل اینکه بادها معمولاً با افزایش ارتفاع بیشتر می‌شوند، در حال بلندتر شدن هستند. تغییر سرعت باد با ارتفاع به نام “شیب باد” شناخته می‌شود. در ارتفاعات بالاتر از سطح زمین، باد می‌تواند آزادانه‌تر جریان یابد و اصطکاک کمتری از موانع موجود بر روی سطح زمین مانند درختان، ساختمان‌ها و کوه‌ها دارد. بیشتر توربین‌های بادی با ارتفاع بالای 100 متر در مناطق میانه و شمال شرقی ایالات متحده متمرکز شده‌اند، که این دو منطقه دارای شیب باد بالاتری هستند.
افزایش قطر روتور توربین‌های بادی
قطر روتور یک توربین، یا عرض دایره‌ای که توسط پره‌های چرخان ایجاد می‌شود (دایره‌هایی که در شکل‌های فوق دیده می‌شوند)، نیز در طول سال‌ها افزایش یافته است. در سال 2013، هیچ‌یک از توربین‌های ایالات متحده از روتورهایی با قطر 115 متر یا بزرگ‌تر استفاده نمی‌کردند، اما در سال 2023، 98 درصد از توربین‌های تازه نصب‌شده دارای چنین روتورهایی بودند. در سال 2023، متوسط قطر روتور توربین‌های تازه نصب‌شده بیش از 133.8 متر بود، یعنی، ابعادی طولانی‌تر از یک زمین فوتبال و تقریباً به اندازه هرم بزرگ جیزه!
قطرهای بزرگ‌تر روتور به توربین‌ها اجازه می‌دهد تا مساحت بیشتری را پوشش دهند، باد بیشتری را جذب کنند و برق بیشتری تولید کنند. یک توربین با پره‌های بلندتر قادر خواهد بود تا حتی در مناطقی که باد کمتری وجود دارد، انرژی بیشتری را نسبت به پره‌های کوتاه‌تر از باد جذب کند. توانایی برداشت بیشتر باد در سرعت‌های پایین‌تر می‌تواند تعداد مناطق قابل توسعه برای انرژی بادی را در سطح کشور افزایش دهد.
افزایش ظرفیت نامی توربین‌های بادی
علاوه بر افزایش ارتفاع و ابعاد، توربین‌های بادی همچنین از اوایل دهه 2000 در حداکثر قدرت نامی یا ظرفیت خود نیز افزایش یافته‌اند. ظرفیت متوسط توربین‌های بادی تازه نصب‌شده در ایالات متحده در سال 2023 برابر با 3.4 مگاوات (MW) بود که نسبت به سال 2022، 5 درصد و نسبت به سال 1998، 375 درصد افزایش یافته است. در سال 2023، نسبت توربین‌های نصب‌شده در دسته ظرفیت 3.5 مگاوات یا بزرگ‌تر افزایش یافته است. توربین‌های با ظرفیت بالاتر به این معنی است که برای تولید همان مقدار انرژی در یک نیروگاه بادی، نیاز به تعداد کمتری توربین است که در نهایت منجر به کاهش هزینه‌ها می‌شود.
چالش‌های حمل و نصب توربین‌های بادی
اگرچه بزرگ‌تر بودن توربین‌های بهتر است، اما ابعاد توربین‌ها محدود است و نمی‌تواند بزرگ‌تر و بزرگ‌تر شود. اگرچه ارتفاع و قطر روتور در حال افزایش است، اما چند محدودیت اساسی وجود دارد. حمل و نصب پره‌های بزرگ توربین برای توربین‌های بادی زمینی آسان نیست، زیرا این پره‌ها پس از ساخت نمی‌توانند چند تکه، تا و یا خم شوند. این موضوع مسیرهای حمل‌ونقل کامیون‌ها و شعاع چرخش آنها را محدود می‌کند. همچنین قطر برج‌های توربین نیز حمل و نقل آنها را دشوار می‌کند، زیرا ممکن است نتوانند از زیر پل‌ها یا تقاطع‌های بزرگراه عبور کنند.
وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در حال رسیدگی به این چالش‌ها از طریق پروژه‌های تحقیقاتی است. به‌عنوان مثال، DOE در حال تحقیق بر روی توربین‌هایی با پره‌های باریک‌تر و انعطاف‌پذیرتر است که می‌توانند از منحنی‌های جاده‌ها و خطوط ریلی عبور کنند، چیزی که پره‌های معمولی قادر به انجام آن نیستند. DOE همچنین از تلاش‌ها برای توسعه برج‌های بلند توربین که می‌توانند در محل تولید شوند حمایت کرده است، که این امر مشکلات حمل و نقل برج را برطرف می‌کند. دو شرکتی که در این زمینه پیشگام هستند شامل Keystone Power Systems هستند که از جوشکاری مارپیچی برای کاهش نیاز به فولاد گران‌قیمت استفاده می‌کند و GE Renewables که از چاپ سه‌بعدی برای ایجاد پایه‌های سفارشی برج استفاده می‌کند.
