How do wind turbines work? - Rebecca J. Barthelmie and Sara C. Pryor

Translator: Farid Rajabi Reviewer: Masoud Motamedifar

Every 24 hours, wind generates enough kinetic energy

در هر ۲۴ ساعت، باد به اندازه کافی انرژی جنبشی تولید می‌کند

to produce roughly 35 times more electricity than humanity uses each day.

که می‌توان تقریبا بیش از ۳۵ برابر برق مصرفی دنیا در طول هر روز را تولید کرد.

And unlike coal or oil, this resource is totally renewed each day.

و برخلاف زغال‌سنگ و نفت، این منبع هر روز بطور کامل تجدید می‌شود.

So how can we harness this incredible amount of energy,

چگونه این مقدار شگفت‌انگیز از انرژی را تحت کنترل در بیاوریم،

and is it possible to create a world powered entirely by wind?

و آیا ممکن است که بتوانیم دنیایی بسازیم که بطور کامل با باد تغذیه می‌شود؟

The basic principle of wind energy is simple.

اصول پایه‌ی انرژی باد، ساده هستند.

A series of sails or blades mounted around a rotor catch the wind

یک سری از بادبان‌ها و یا تیغه‌ها که روی محور چرخان سوار هستند، باد را می‌گیرند

and translate its kinetic energy into rotational energy.

و انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی تبدیل می‌کنند.

Traditional windmills use that rotational energy to grind wheat or pump water.

آسیاب سنتی از انرژی دورانی برای آسیاب گندم و یا بالا کشیدن آب استفاده می‌کند.

But in modern wind turbines, it turns a generator that creates electricity.

اما در توربین‌های جدید، باد، ژنراتور را می‌چرخاند و الکتریسیته تولید می‌کند.

This conversion from wind to rotational energy to electricity

این تبدیل از باد به انرژی چرخشی و به الکتریسیته

has defined wind turbines since their invention in the late 19th century.

اساس کار توربین‌های بادی از زمان اختراعشان در اواخر قرن ۱۹ بوده است.

And there are three primary factors that determine just how much energy

و سه عامل مهم تعیین میکنند که آن‌ها چه مقدار انرژی

they can produce: the size and orientation of the blades,

می‌توانند تولید کنند: اندازه و جهت پره‌ها،

the blade’s aerodynamic design, and the amount of wind turning the rotor.

طراحی آیرودینامیک پره‌ها و مقدار بادی که محور را می‌چرخاند.

First up, blade orientation.

اول، جهت پره.

Wind turbines can be designed with their rotor

توربین‌های بادی می‌توانند با محوری طراحی شوند

on a vertical axis or a horizontal axis.

که بر روی محور عمودی باشند و یا بر روی محور افقی.

Vertical blades can pick up wind coming from any direction,

پره‌های عمودی میتوانند باد را از هر جهتی که می‌وزد، بگیرند،

but with much less efficiency than horizontal axis rotors.

ولی بهره‌وری کمتری نسبت به محور افقی دارند.

Horizontal designs allow blades to capture the wind’s full force

طراحی افقی اجازه می‌دهد که پره‌ها کل انرژی باد را بگیرند

by tracking the wind’s direction and turning to face it.

که با دنبال کردن جهت باد و چرخیدن و روبرو شدن با آن صورت می‌گیرد.

This turning process is called yawing,

این فرآیند چرخش، “خمیاز کشیدن” نامیده می‌شود

and older windmills achieved it through manual monitoring.

که در آسیاب بادی‌ها با کنترل دستی انجام می‌شد.

Today, wind sensors and computer systems automatically adjust the blades

امروزه، حسگرهای باد و کامپیوترها بطور خودکار، پره‌ها را تنظیم می‌کنند

with expert precision to capture as much energy as possible.

که با دقتی بالا، به هدف جذب بیش‌ترین انرژی ممکن انجام می‌شود.

Outside rotor orientation,

بجز جهت چرخنده،

the blades themselves need to be shaped to maximize efficiency.

شکل پره‌ها نیز برای بهره‌وری حداکثری اهمیت دارد.

While early designs used flat blades,

در طراحی‌های اولیه از پره‌های تخت استفاده ‌می‌شد،

modern blades are curved like airplane wings.

پره‌های جدید بصورت خمیده مثل بال‌های هواپیما طراحی می‌شوند.

Wind travels faster over the curved surface,

باد بر روی سطح خمیده سریع‌تر حرکت می‌کند

creating a low-pressure pocket above the blade that forces it upwards.

که کیسه‌ی هوایی کم‌فشار بالای تیغه، آن را به سمت بالا حرکت می‌دهد.

Since the amount of lift depends on the angle

چون میزان بالابری به زاویه‌ای بستگی دارد

at which the wind is moving relative to the blade,

که باد نسبت به پره می‌وزد،

modern blades also incorporate a twist,

پره‌های جدید، پیچش هم دارند

optimizing how much of the blade can cut into the wind.

که تعیین می‌کند چه مقدار از پره می‌تواند باد را بشکافد.

Made of fiberglass and resin layers, these blades are strong enough

پره‌های ساخته شده از فایبرگلاس و رزین به میزانی مقاوم هستند که

to operate through rain, lightning, and blistering sunlight for over 20 years.

می‌توانند در باران، رعد و برق و تابش خورشید، بیش از ۲۰ سال کار کنند.

Even with aerodynamic blades and a horizontal rotor,

حتی با پره‌های آیرودینامیک و چرخاننده افقی،

a wind turbine can only capture wind if it's in a windy environment.

یک توربین بادی فقط وقتی می‌تواند باد را بگیرد که در محیط بادخیز باشد.

Wind speeds typically increase the higher into the atmosphere you travel.

با افزایش ارتفاع در اتمسفر، سرعت وزش باد افزایش پیدا می‌کند.

So today, most turbines are well over 100 meters tall,

امروزه، ارتفاع اکثر توربین‌ها تقریبا به ۱۰۰ متر می‌رسد

with equally large rotor diameters.

که با روتوری با شعاع زیاد همراه هستند.

A turbine of this height and size can capture a huge amount of wind,

توربینی با این ارتفاع و اندازه می‌تواند مقدار زیادی از باد را به دام بیاندازد.

generating enough electricity every year to power 750 American homes.

به میزانی که می‌توان در هر سال، انرژی مورد نیاز ۷۵۰ خانه آمریکایی را تامین کرد.

A wind farm of 200 similarly sized turbines

یک مزرعه بادی متشکل از ۲۰۰ توربین یکسان

could power over 150,000 American homes— or twice as many European homes—

می‌تواند انرژی بیش از ۱۵۰۰۰۰ خانه آمریکایی یا دو برابر همان تعداد خانه اروپایی

for an entire year.

را برای یک سال تولید کند.

Offshore wind farms contain an even greater number of even larger turbines.

توربین‌هایی که دور از ساحل هستند، حتی اندازه بزرگ‌تری هم دارند.

In 2019, the largest wind turbine ever built

در سال ۲۰۱۹، بزرگ‌ترین توربین بادی ساخته شده

began operating off the coast of the Netherlands.

در کنار ساحل هلند شروع بکار کرد.

With a rotor diameter of 220 meters, just one of these turbines

با روتوری به شعاع ۲۲۰ متر، فقط یکی از این توربین‌ها

can meet the annual power needs of 16,000 European households.

می‌تواند نیاز سالانه انرژی ۱۶,۰۰۰ خانوار اروپایی را تامین کند.

Despite its amazing potential, wind energy still faces challenges.

با وجود این پتانسیل شگفت‌انگیز، انرژی بادی هنوز با چالش‌هایی روبرو است.

Wind may be a free and unlimited fuel,

باد شاید سوختی رایگان و تمام‌نشدنی باشد

but no matter how large or efficient a turbine is

اما اهمیتی ندارد که یک توربین چقدر بزرگ و یا موثر است

there's a mathematical limit to how much wind it can convert into electricity.

چون محدودیت ریاضیاتی برای تبدیل انرژی باد به الکتریسیته وجود دارد.

German physicist Albert Betz calculated

فیزیکدان آلمانی، آلبرت بتز محاسبه کرده است

that since some wind must remain to keep the blades spinning,

چون مقداری باد باید باقی بماند تا پره ها به چرخش ادامه دهند،

a turbine can only ever capture 59.3% of the wind’s energy.

یک توربین می‌تواند فقط ۵۹/۳% انرژی باد را جذب کند.

Additionally, some people feel turbines disrupt natural scenery,

بعلاوه، بعضی افراد بر این باورند که توربین‌ها، مناظر طبیعی را خراب می‌کنند

and wind energy’s intermittent availability

و در دسترس نبودن همیشگی انرژی باد

can make it difficult to integrate into electrical grids.

می‌تواند ادغام آنها را به شبکه الکتریکی با مشکل مواجه کند.

But even with these challenges, modern wind turbines have made wind energy

با وجود این چالش‌ها، توربین‌های بادی جدید توانسته‌اند انرژی باد را

the most efficient and inexpensive source of electricity.

به موثرترین و ارزان‌ترین منبع انرژی الکتریسیته تبدیل کنند.

Wind turbines already provide essential energy for communities around the world.

در حال حاضر، توربین‌های بادی، انرژِی ضروری جوامعی در سراسر دنیا را تامین می‌کنند.

And for many farmers, hosting a wind turbine

و برای کشاورزان زیادی، داشتن توربین

can be a reliable source of additional income.

می‌تواند منبعی برای مقدار بیشتری درآمد باشد.

With continued improvements in wind forecasting,

با پیشرفت ادامه دار در پیش‌بینی وزش باد،

electrical grid infrastructure and energy storage,

زیرساخت شبکه الکتریکی و مخازن انرژی،

wind power might blow away all our energy problems.

شاید انرژی باد، همه مشکلات ما بر سر انژری را با خود ببرد.