طراحی اولین توربین بادی شهری جهان توسط هوش مصنوعی
متخصصان طراحی هوش مصنوعی EvoPhase و سازندگان فلزات دقیق KwikFab اولین توربین بادی شهری طراحی‌شده با هوش مصنوعی را معرفی کرده‌اند که به‌طور خاص برای شرایط باد منحصر به فرد یک منطقه جغرافیایی طراحی شده است. این تیم نام آن را Birmingham Blade گذاشته است.
این توربین بادی، به‌طور خاص برای شرایط باد ضعیف و تلاطم‌های ناشی از ساختمان‌ها در مناطق شهری ساخته شده است. این نوآوری قادر است تا ۷ برابر کارآمدتر از توربین‌های بادی سنتی عمل کند و انرژی باد را به طور مؤثری در محیط‌های شهری جذب کند.
استفاده از هوش مصنوعی نه تنها فرآیند طراحی را تسریع کرده، بلکه امکان بهبود بهره‌وری انرژی و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی را فراهم ساخته است. طراحی جمع‌وجور و کارایی بالای آن، این توربین بادی را به یک راه‌حل عالی برای بهره‌برداری از انرژی پاک در شهرها تبدیل کرده است.
تحول فناوری توربین‌های بادی تا ورود هوش مصنوعی
برای درک بهتر تحولاتی که منجر به طراحی هوشمند توربین‌های بادی شهری شده است، بهتر است ابتدا مختصری درباره تکامل تاریخی این فناوری بدانیم. توربین‌های بادی از هزاران سال پیش با آسیاب‌های بادی در ایران و خاورمیانه شروع شدند که برای آسیاب غلات و پمپاژ آب استفاده می‌شدند.
در قرون وسطی، این فناوری به اروپا گسترش یافت و در هلند برای مدیریت سطح آب به کار رفت. با شروع انقلاب صنعتی، از توربین‌های بادی در مقیاس کوچک برای تولید انرژی مکانیکی و سپس برق استفاده شد.
در سال ۱۸۸۸، چارلز براش (Charles F. Brush) اولین توربین بادی تولید برق را ساخت. در قرن بیستم، پیشرفت‌های زیادی در طراحی و بهره‌وری این فناوری رخ داد و در دهه ۱۹۸۰، توسعه تجاری آن آغاز شد.
در اوایل قرن ۲۱، توربین‌های بادی مدرن با پره‌های بلند و توان بالا به یکی از منابع مهم انرژی پاک تبدیل شدند. با این حال، محدودیت‌هایی نظیر وابستگی به بادهای شدید و مشکلات زیست‌محیطی وجود داشت. ظهور هوش مصنوعی این چالش‌ها را برطرف کرده و باعث تحولی اساسی در طراحی و عملکرد توربین‌های بادی شد.
نقش هوش مصنوعی در بهینه‌سازی توربین‌های بادی
انرژی باد به عنوان یکی از منابع اصلی انرژی‌های تجدیدپذیر و سوخت‌های پاک شناخته می‌شود که می‌تواند به طور مؤثری برای تولید برق استفاده شود. هر نیروگاه بادی معمولاً از ۴۰ تا ۱۰۰ توربین بادی تشکیل می‌شود تا بتواند برق تولید کند.
برآوردهای کارشناسان نشان می‌دهد که ۵۰ درصد انرژی مورد نیاز جهان را می‌توان از باد تأمین کرد. با توجه به این ظرفیت، پژوهشگران به دنبال استفاده از فناوری هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی تولید انرژی از باد هستند. استفاده از هوش مصنوعی می‌تواند به افزایش توان خروجی توربین بادی و کاهش قابل توجه هزینه‌های تولید برق از این منبع تجدیدپذیر کمک کند.
دو مورد از کاربردهای هوش مصنوعی در دستیابی به این هدف عبارتند از:
طراحی بهینه چیدمان مزارع بادی
چیدمان مزارع بادی یکی از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر توان خروجی توربین‌های بادی است. در هنگام طراحی این مزارع باید به نحوه قرارگیری توربین‌های بادی توجه ویژه‌ای شود تا هیچ توربینی در مسیر باد دیگری قرار نگیرد و باد به طور بهینه به توربین‌ها برسد.
هوش مصنوعی می‌تواند به گونه‌ای توربین‌ها را در مزرعه جایگذاری کند که کمترین تداخل را در مسیر باد ایجاد کرده و از کمترین میزان سایه‌بانی بین توربین‌ها جلوگیری کند. این فرآیند باعث افزایش کارایی توربین‌ها و تولید بیشتر برق می‌شود.
بهینه‌سازی عملکرد توربین بادی
پره‌های توربین‌های بادی باید در ساعات مختلف روز با توجه به تغییر جهت و سرعت باد بچرخند تا بتوانند بیشترین میزان انرژی الکتریکی را تولید کنند. در این راستا، هوش مصنوعی می‌تواند به طور هوشمندانه‌ای مدیریت چرخش پره‌ها را بهینه‌سازی کرده و موجب افزایش راندمان توربین‌های بادی شود.
این فناوری با استفاده از الگوریتم‌های پیچیده، توربین‌های بادی را قادر می‌سازد تا در پاسخ به تغییرات باد به طور مؤثرتر و کارآمدتر حرکت کنند و از این طریق تولید برق به حداکثر برسد.
چگونه هوش مصنوعی توربین‌های بادی شهری را متحول می‌کند؟
متخصصان EvoPhase و KwikFab با همکاری یکدیگر در تلاشند تا یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در صنعت انرژی سبز را حل کنند: چگونه می‌توان توربین‌های بادی کوچک، مقرون‌به‌صرفه و تولیدکننده انرژی پاک را طراحی کرد؟ طراحی بلید بیرمنگام این مشکل را با استفاده از فناوری هوش مصنوعی به‌طور مؤثر برطرف کرده است
EvoPhase از یک فرآیند طراحی پیشرفته مبتنی بر هوش مصنوعی استفاده کرده تا طرح‌هایی ایجاد کند که نه تنها در سرعت باد پایین شهر بیرمنگام عملکرد بهینه داشته باشند، بلکه بتوانند آشفتگی باد ناشی از ساختمان‌های اطراف را نیز مدیریت کنند.
در این منطقه، سرعت باد به طور متوسط ۳.۶ متر در ثانیه است، که در مقایسه با سرعت موردنیاز ۱۰ متر در ثانیه‌ای توربین‌های بادی سنتی، بسیار کمتر است. این چالش‌ها باعث شد که تیم EvoPhase به جای استفاده از روش‌های قدیمی، به هوش مصنوعی روی بیاورد تا راه‌حلی جدید خلق کند.
چرا طراحی هوشمند برای شهرهای آینده ضروری است؟
با افزایش جمعیت و نیاز روزافزون به انرژی در شهرها، استفاده از انرژی‌های پاک به یک ضرورت اجتناب‌ناپذیر تبدیل شده است. در این میان، طراحی هوشمند توربین‌های بادی شهری به‌عنوان یک راه‌حل نوآورانه و مؤثر برای بهره‌برداری از انرژی باد در شهرها شناخته می‌شود.
این فناوری قادر است وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد و به تبع آن، انتشار گازهای گلخانه‌ای را محدود کند، که گامی مؤثر در راستای مقابله با تغییرات اقلیمی است.
علاوه بر این، هزینه تولید انرژی را به‌طور چشمگیری کاهش داده و با بهینه‌سازی عملکرد در شرایط مختلف، بهره‌وری بالاتری را ارائه می‌دهند، که این امر می‌تواند به کاهش فشار بر شبکه‌های انرژی شهری کمک کند و راه‌حلی پایدار برای آینده فراهم سازد.
قابلیت‌های توربین بادی شهری بیرمنگام
توربین بادی طراحی‌شده توسط EvoPhase و KwikFab با ویژگی‌های منحصر به‌فرد خود، تفاوت‌های زیادی با توربین‌های بادی سنتی دارد. این توربین بادی به‌ویژه در شرایط باد ضعیف عملکرد بسیار خوبی دارد و قادر است انرژی باد را در سرعت‌های پایین (حدود ۳.۶ متر بر ثانیه) جذب کند. این ویژگی آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای نصب در مناطق شهری با شرایط باد متغیر تبدیل می‌کند.
به‌علاوه، این توربین بادی می‌تواند در برابر تلاطم‌های ناشی از ساختمان‌ها در مناطق شهری که مسیر باد را تغییر می‌دهند، عملکرد مؤثری داشته باشد و از انرژی باد به بهترین شکل بهره‌برداری کند.
طراحی جمع‌وجور و ابعاد کوچک این توربین بادی، آن را برای نصب در فضاهای محدود شهری مانند پشت‌بام‌ها یا مناطق پرجمعیت شهری مناسب می‌سازد. این ویژگی، آن را به یک راه‌حل بسیار کارآمد برای بهره‌برداری از انرژی باد در محیط‌های شهری تبدیل کرده است.
علاوه بر این، این طراحی خاص به‌گونه‌ای است که می‌تواند به راحتی در هر نوع فضای شهری نصب شود و نیازهای انرژی شهری را تأمین کند بدون اینکه فضای زیادی را اشغال کند.
ویژگی‌های تیغه بیرمنگام (Birmingham Blade)
لئونارد نیکوزان (Leonard Nicusan)، مدیر ارشد فناوری EvoPhase، در توضیح این پروژه گفت:
“ما به توربینی نیاز داشتیم که بتواند بادهای نسبتا ضعیف بیرمنگام را جذب کند و در عین حال تلاطم‌های ناشی از ساختمان‌های اطراف را کنترل کند. طراحی باید جمع‌وجور و سبک باشد تا بتوان آن را روی پشت‌بام‌ها نصب کرد“.
بطور کلی سه ویژگی کلیدی زیر را می‌توان برای توربین بادی بیرمنگام بر شمرد:
- ابعاد جمع‌وجور و وزن سبک: مناسب برای نصب روی پشت‌بام‌ها.
- تیغه‌های خمیده: طراحی منحصربه‌فردی که تا ۷ برابر کارایی بیشتری نسبت به توربین‌های رایج دارد.
- طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی: فرآیندی پیشرفته که ۲,۰۰۰ طراحی مختلف را در عرض چند هفته آزمایش و بهینه‌سازی کرده است.
طراحی نوآورانه توربین بادی بیرمنگام
EvoPhase موفق شده است توربینی طراحی کند که شامل شش بازو است که به‌طور موازی با سطح زمین به یک محور عمودی مرکزی متصل شده‌اند. هر بازو دارای یک تیغه عمودی است که سطح آن دو موج دارد که زاویه حمله آن‌ها در ارتفاع و طولشان تغییر می‌کند.
این شرکت اعلام کرده که این طراحی جدید تا هفت برابر کارآمدتر از طرح‌های فعلی در منطقه بیرمنگام عمل می‌کند، که دستاوردی بزرگ در بهره‌وری انرژی شهری است.
اهمیت زیست‌محیطی توربین بادی شهری
نوآوری‌های مبتنی بر هوش مصنوعی همچون توربین بادی شهری بلید بیرمنگام، به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در مصرف شهری کمک می‌کنند.
این فناوری به شهرهای پرجمعیت امکان می‌دهد که با بهره‌برداری بهینه از بادهای ضعیف شهری، نیازهای انرژی خود را بدون تخریب محیط‌زیست تأمین کنند. کاهش آلودگی صوتی و بصری این توربین‌های بادی، نسبت به مدل‌های سنتی، از دیگر عواملی است که آن را برای استفاده در مناطق مسکونی مناسب‌تر کرده است.
هوش مصنوعی، راهی نو در طراحی توربین‌های بادی
استفاده از هوش مصنوعی در این پروژه، امکان کنار گذاشتن تعصبات طراحی سنتی را فراهم کرده است. این فناوری به تیم EvoPhase این امکان را داده که به شکلی بی‌سابقه، فراتر از محدودیت‌های آزمایش‌های انسانی، به طراحی‌های نوآورانه دست پیدا کنند.
لئونارد نیکوزان توضیح می‌دهد:
“ما توانستیم بیش از ۲,۰۰۰ طرح توربین بادی را تنها در چند هفته تولید، آزمایش و اصلاح کنیم. این فرآیند به طرز چشمگیری روند توسعه را تسریع کرد و به نتیجه‌ای رسیدیم که در روش‌های معمول، سال‌ها زمان و میلیون‌ها پوند هزینه می‌برد“.
جادوی طراحی تکاملی برای کارآمدترین طرح
این پروژه توسط گروه تحقیقاتی به رهبری دکتر کیت ویندوز-یول (Kit Windows-Yule) در دانشگاه بیرمنگام توسعه یافته است. طراحی تکاملی هدایت‌شده توسط هوش مصنوعی روشی است که بر اساس ایده‌ای مشابه با انتخاب طبیعی استوار است.
این فرآیند با تولید هزاران نسخه مختلف از طراحی آغاز می‌شود که هرکدام بر اساس یک تابع “تناسب برای بقا” ارزیابی می‌شوند، که تعیین می‌کند هر نسخه تا چه حد اهداف پروژه را برآورده می‌کند. هوش مصنوعی بهترین گزینه‌ها را انتخاب می‌کند تا به‌عنوان مبنای نسخه‌های جدید استفاده شود، ویژگی‌ها را دوباره ترکیب و تغییر می‌دهد تا نسخه‌های بهبود یافته ایجاد کند.
این مراحل تا زمانی که هوش مصنوعی به راه‌حلی برسد که به بهینه‌سازی تمام پارامترها، مانند کارایی آیرودینامیکی، پایداری ساختاری، وزن یا فشردگی، دست یابد، تکرار می‌شوند.
تولید و آزمایش نمونه اولیه
KwikFab اولین نسخه از تیغه بیرمنگام را تولید کرده است تا قابلیت ساخت این طراحی را به نمایش بگذارد. نسخه‌ای از این توربین از جنس آلومینیوم بر روی یک سقف در بیرمنگام برای ارزیابی و آزمایش نصب خواهد شد و محصول نهایی پیش‌بینی می‌شود تا پایان سال ۲۰۲۵ آماده عرضه باشد.
پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که نمونه اولیه توربین بادی بیرمنگام قادر است انرژی یک خانه اروپایی متوسط را تأمین کند یا معادل ۱۰,۰۰۰ مایل انرژی برای خودروی برقی همچون تسلا مدل ۳ در طول سال تولید کند. با این حال، هنوز ارزیابی نهایی خروجی آن در دست انجام است.
موفقیت‌های پروژه و جایزه منچستر
این موفقیت بخشی از دستاورد خود را مدیون جایزه منچستر است که تیم EvoPhase را به‌عنوان یکی از فینالیست‌ها در اولین سال برگزاری این جایزه در ماه مه ۲۰۲۴ معرفی کرد.
قابلیت‌های آینده‌نگر
این پروژه می‌تواند راهگشای توسعه گسترده‌تر توربین‌های بادی در سطح جهانی باشد. طراحی‌های مشابه برای مناطق مختلف جغرافیایی در دست بررسی است، و پیش‌بینی می‌شود با تکمیل آزمایش‌ها، این فناوری بتواند نقش حیاتی‌تری در تامین انرژی جهانی ایفا کند. از طرفی، همکاری EvoPhase با سایر صنایع، چشم‌اندازهای تازه‌ای برای استفاده از هوش مصنوعی در طراحی تجهیزات دیگر ایجاد کرده است.
فرصتی برای توسعه جهانی
از زمان راه‌اندازی در سال ۲۰۲۳، EvoPhase رویکرد طراحی تکاملی مبتنی بر هوش مصنوعی خود را به صنایع مختلف گسترش داده است. این شرکت اکنون در حال بهینه‌سازی تجهیزات برای صنایع غذایی، داروسازی و شیمیایی است. همکاری EvoPhase و KwikFab، روند طراحی و نمونه‌سازی سریع را برای پروژه‌های مشابه فراهم کرده است.
این تیم هم‌اکنون در حال کار روی طراحی توربین بادی دیگری برای شرایط آب‌وهوایی متفاوت در ادینبورگ (Edinburgh) است.
پل جارویس (Paul Jarvis) از KwikFab می‌گوید:
“بیرمنگام توانایی و زیرساخت لازم را دارد تا چرخه‌ای سریع از طراحی تا تولید نمونه‌های توربین‌های بادی مخصوص شرایط محلی سراسر جهان را فراهم کند“.
آینده‌ای سبزتر با طراحی هوشمند توربین‌های بادی
توربین بادی بلید بیرمنگام، اولین توربین بادی شهری طراحی‌شده با هوش مصنوعی، به عنوان یک نوآوری برجسته در عرصه انرژی سبز شناخته می‌شود. این طراحی منحصر به فرد، به طور خاص برای شرایط باد پایین در مناطق شهری مانند بیرمنگام بهینه‌سازی شده است.
با استفاده از فرآیند طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی، این توربین بادی قادر است تا هفت برابر کاراتر از طراحی‌های معمولی عمل کند و به شکلی موثر از انرژی باد استفاده کند.
این پروژه نه تنها راه‌حلی برای مشکلات انرژی‌های تجدیدپذیر در محیط‌های شهری ارائه می‌دهد، بلکه کارایی بالای طراحی‌های هوش مصنوعی را در صنایع مختلف به نمایش می‌گذارد.
توانایی این تیم در طراحی سریع، آزمایش و بهینه‌سازی بیش از ۲,۰۰۰ طرح مختلف توربین بادی در مدت زمان کوتاه، نشان‌دهنده پتانسیل عظیم این فناوری برای تسریع روند نوآوری و کاهش هزینه‌های توسعه است.
بلید بیرمنگام نه تنها یک نمونه اولیه، بلکه یک راه‌حل پیش‌بینی‌کننده و آماده برای استفاده واقعی است که می‌تواند به تغییرات چشمگیری در نحوه تولید و مصرف انرژی در شهرها منجر شود.
با توجه به گسترش کاربردهای هوش مصنوعی و بهبود مداوم این فناوری، می‌توان انتظار داشت که این نوع طراحی‌ها به زودی در سطح جهانی گسترش یابند و نقش مهمی در پیشبرد انرژی‌های پایدار و کاهش وابستگی به منابع انرژی غیر تجدیدپذیر ایفا کنند.
سوالات متداول
1. چگونه هوش مصنوعی عملکرد توربین‌های بادی را بهینه می‌کند؟
هوش مصنوعی با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته، جهت و سرعت چرخش پره‌های توربین‌ها را با توجه به شرایط باد در زمان واقعی تنظیم می‌کند. این فرآیند باعث می‌شود تا توربین‌ها بیشترین انرژی الکتریکی ممکن را تولید کنند.
2. طراحی مزارع بادی با کمک هوش مصنوعی چه مزیتی دارد؟
هوش مصنوعی می‌تواند جایابی توربین‌ها را بهینه کند تا تداخل باد بین توربین‌ها به حداقل برسد. این امر باعث افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌های عملیاتی مزارع بادی می‌شود.
3. آیا هوش مصنوعی می‌تواند هزینه تولید انرژی از باد را کاهش دهد؟
بله، هوش مصنوعی با بهینه‌سازی عملکرد توربین‌ها و کاهش نیاز به تعمیرات غیرضروری، هزینه‌های تولید انرژی را به طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.
4. استفاده از هوش مصنوعی در انرژی باد چه تأثیری بر محیط زیست دارد؟
هوش مصنوعی به بهبود کارایی توربین‌های بادی و افزایش تولید انرژی پاک کمک می‌کند. این فناوری با کاهش وابستگی به منابع انرژی فسیلی، تأثیرات منفی بر محیط زیست را کاهش می‌دهد.
5. آیا هوش مصنوعی می‌تواند در مناطق با باد کم نیز مؤثر باشد؟
بله، هوش مصنوعی می‌تواند طراحی و عملکرد توربین بادی را برای بهره‌وری در شرایط باد کم بهینه کند. این قابلیت باعث می‌شود تا توربین‌ها در مناطق با سرعت باد پایین نیز کارایی بالایی داشته باشند.