أنواع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي: وظيفتها، إيجابياتها وسلبياتها

يُعد تطوير مصادر الطاقة المتجددة أمرًا بالغ الأهمية لمكافحة الاحتباس الحراري والحفاظ على الموارد الطبيعية لكوكبنا. تشهد تقنيات حصاد طاقة الرياح والطاقة الشمسية تطورًا متزايدًا، مما يؤدي إلى تزايد الطلب على أنواع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي. دعونا نتعرف عليها أكثر.

أنواع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي

يوجد نوعان من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي في السوق وهما توربينات داريوس وتوربينات سافونيوس.

يُعدّ توربين الرياح ذو المحور الرأسي أحد أنواع توربينات الرياح الأكثر استخدامًا للأغراض السكنية . يحتوي هذا النوع على شفرتين أو ثلاث شفرات وعمود دوّار يتحرك عموديًا. في توربين الرياح ذي المحور الرأسي، يُوضع المولد في الأسفل وتُغطّى الشفرات حول عمود البرج.

تُركّب هذه التوربينات عادةً على فواصل الطرق السريعة ، وتتسبب حركة المركبات في دوران شفرات التوربين المنحنية وتوليد الطاقة. ويستغل التوربين سرعات الرياح المختلفة بطرق متنوعة حسب الاحتياجات.

1. توربينات الرياح داريوس (نوع المصعد)

استمدت هذه التوربينة الهوائية اسمها من جورج داريوس ، مخترعها. تتميز توربينات داريوس الهوائية بشفرات طويلة ومنحنية متصلة بأعلى وأسفل عمود الدوار . وتُعرف أيضاً باسم "مضرب البيض"، حيث يتصل طرفا هذه التوربينة بعمود الدوار.

تدور توربينات داريوس بفضل قوة الرفع الناتجة عن القوة الديناميكية الهوائية. يُولّد تدفق الرياح قوة شفط على الجانب الأمامي للتوربين، مما يؤدي إلى دوران الشفرات في الاتجاه المعاكس.

2. توربينات الرياح سافونيوس (نوع السحب)

تتميز هذه التوربينة بسطح صلب لاستقبال الرياح، وتلتف شفراتها حول العمود الرأسي بفضل تصميمها الحلزوني . وتعتمد توربينات سافونيوس بشكل أساسي على مقاومة تدفق الهواء لتشغيل محركاتها.

هذا ضروري، بالإضافة إلى قوة الرياح الديناميكية التي تعمل كقوة فعّالة لتدوير الدوارات. يواجه الجانب الخلفي للشفرات قوة مقاومة هوائية في آنٍ واحد. ولهذا السبب، تدور هذه التوربينات بشكل متناسب مع سرعة الرياح.

تتميز كلتا التوربينتين الهوائيتين بأشكال أجنحة محددة تقلل من مقاومة الهواء. وبمجرد بدء الدوران، تزداد سرعة التوربينة لتتجاوز سرعة الرياح، مما يحسن الأداء.

مبدأ عمل توربينات الرياح ذات المحور الرأسي

دعونا نلقي نظرة على مكونات توربينات الرياح ذات المحور الرأسي.

1. صندوق التروس – يقوم بزيادة سرعة دوران عمود منخفض السرعة ليتم توصيله بعمود عالي السرعة، والذي يكون متصلاً بالمولد.
2. مولد كهرباء - تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية في توربينات الرياح.
3. بطارية قابلة للشحن - يقوم بتخزين الطاقة الكهربائية الناتجة عن المولد.
4. دائرة LDR يعمل على تشغيل/إيقاف الإضاءة في النظام. يتكون من مقاومة ضوئية (LDR)، وبطارية، ومصباح LED، وترانزستور، ومقاومة.

اقرأ المزيد عن المبدأ الأساسي لتحويل طاقة الرياح.

العمل

يتصل توربين الرياح المحوري العمودي بعلبة التروس التي تتضمن تروسًا، وتتصل هذه العلبة مباشرةً بعمود المولد الكهربائي. تبدأ الرياح بتدوير التوربين، مولدةً طاقة ميكانيكية.

يُحسّن صندوق التروس دورات التوربين داخليًا، وينقلها إلى المولد كمدخل ميكانيكي. يستخدم المولد هذه الطاقة ويحوّلها إلى طاقة كهربائية، تُخزّن بعد ذلك في البطاريات. تُستخدم هذه الطاقة المخزنة عبر نظام إضاءة آلي.

عمل الدائرة

يُوصل باعث الترانزستور بالأرضي (GND)، ويُوصل المُجمّع بالطرف السالب للصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). تُوصل أطراف المقاومة مباشرةً بمصدر الجهد، ويُوصل مستشعر الضوء (LDR) بالطرف السالب. بمجرد توصيل دائرة مستشعر الضوء (LDR) مباشرةً بالبطارية، يُمكنه استشعار وجود الضوء. بعد ذلك، يُضاء الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) تلقائيًا بمجرد انخفاض شدة الضوء (ضوء الشمس) المُستقبل.

تطبيقات توربينات الرياح ذات المحور الرأسي

فيما يلي قائمة بالتطبيقات المثالية لأنواع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي.

• في مشاريع الرياح الصغيرة ومنشآت طاقة الرياح الأقل اتساعًا
• في البناء أو الاستخدام في المباني السكنية.
• في المناطق ذات الظروف الجوية أو الرياح غير المستقرة لتوليد الطاقة.

مزايا توربينات الرياح ذات المحور الرأسي

تتمثل إيجابيات توربينات الرياح ذات المحور الرأسي فيما يلي:

1. دوار متعدد الاتجاهات

تتميز شفرات الدوار في توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بقدرتها على التقاط الرياح القادمة من أي اتجاه . وبالتالي، يمكن لهذه التوربينات توليد الطاقة في ظروف جوية غير مستقرة، مثل الرياح العاصفة والمضطربة. علاوة على ذلك، فهي مثالية للمناطق الساحلية والجبلية.

2. تباعد أقرب

تُوضع كل توربينة على مسافة خمسة أقطار عرضية باتجاه الرياح، وعشرة أقطار تقريبًا في اتجاهها السفلي. يساعد هذا التوزيع على تجنب اضطراب تدفق الهواء، ويقلل من احتمالية انخفاض سرعة الرياح نتيجة احتكاك التوربينات ببعضها. وبفضل التقارب بين التوربينات، تستطيع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي التقاط طاقة أكبر لكل متر مربع من الأرض بكفاءة عالية.

وفقًا لبحث أجرته آنا كريج، طالبة الدكتوراه في الهندسة الميكانيكية بجامعة ستانفورد، عام 2017 ، يمكن لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي أن تولد طاقة أكبر بعشر مرات لكل وحدة أرض مقارنة بمجموعة من توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (المتباعدة على نطاق واسع).

3. خفض سرعة الرياح عند البدء

تبلغ سرعة الرياح الابتدائية لتوربينات المحور الرأسي من 2 إلى 3 أمتار في الثانية، مما يسمح لها بتوليد الطاقة حتى مع ضعف الرياح. ورغم أن إجمالي الإنتاج يكون أقل عند سرعات الرياح المنخفضة، إلا أن هذه التوربينات ليست عديمة الفائدة في ظروف الرياح الضعيفة، على عكس نظيراتها.

4. تأثير أقل على البيئة

تتميز توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بصغر حجمها مقارنةً بالتوربينات التقليدية . ولأنها مصممة حول العمود، فإن شفرات الدوار لا تُلقي بظلالها على الأرض. كما يسهل على الطيور رؤية الشفرات، مما يقلل من احتمالية وقوع إصابات . إضافةً إلى ذلك، تعمل هذه التوربينات بأقل قدر من الضوضاء، وبالتالي فهي لا تُسبب تلوثًا ضوضائيًا.

5. سهلة التركيب والصيانة

بفضل صغر حجمها، يسهل نقل هذه التوربينات وتركيبها وصيانتها . إذ يمكن لشاحنة كبيرة واحدة نقل توربين كامل بسهولة في جولة واحدة. ولا حاجة لتسلق ارتفاعات شاهقة لإصلاحها أو صيانتها. وبالتالي، يسهل صيانة توربينات المحور الرأسي.

6. قيود أقل على التثبيت

نظراً لصغر حجمها، يُسمح بسهولة بتركيب أنواع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي مقارنةً بأنواع التوربينات الأخرى . وتختلف القواعد واللوائح المتعلقة بالارتفاع الأقصى للبناء من منطقة لأخرى. ولأن التوربينات الرأسية ليست شاهقة الارتفاع، يُسمح بتركيبها في معظم الولايات.

7. الاستئناف الجمالي

تتميز توربينات الرياح العمودية بتصاميم هندسية حديثة تمنحها أداءً أفضل ومظهراً جمالياً جذاباً. ويتناغم مظهرها بشكل جميل مع البنى التحتية المجاورة مثل حرم المدارس والجامعات والحدائق والمباني الأخرى.

اقرأ المعلومات الشيقة حول دمج توربينات الرياح مع الألواح الشمسية ونتائج ذلك.

عيوب توربينات الرياح ذات المحور الرأسي

على الرغم من فوائدها في العديد من الأماكن، إلا أن عيوب توربينات الرياح ذات المحور الرأسي تُعيق أدائها. دعونا نكتشف ذلك.

1. كفاءة دوران أقل

بسبب تصميم دوّارها، لا تتلقى جميع الشفرات الرياح الواردة في وقت واحد . فالشفرات المواجهة للرياح تدور بينما تتبعها الشفرات الأخرى فقط، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الدوران. علاوة على ذلك، تتعرض توربينات سافونيوس الهوائية لمقاومة أكبر بسبب أسطح شفراتها العريضة.

2. الوصول إلى سرعة رياح أقل

تُركّب توربينات الرياح ذات المحور الرأسي على مستوى سطح الأرض، ولذلك لا يمكنها استغلال سرعات الرياح العالية التي تهب على ارتفاعات شاهقة . وهذا يجعل عمل التوربينات محصوراً في مستويات منخفضة من سرعة الرياح.

3. التآكل السريع للمكونات

نظراً لأن توربينات الرياح العمودية تُركّب في المناطق المأهولة بالسكان على مستوى سطح الأرض، فإنها تواجه مشاكل أكثر مثل الاهتزازات والاضطرابات . وتتحمل الشفرات قوة أكبر، كما تتحمل المحامل بين الصاري والدوار ضغطاً أعلى. وهذا قد يؤدي أحياناً إلى تشققات أو انحناءات في الشفرات.

4. كفاءة إجمالية أقل

تتميز توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بكفاءة أقل مقارنة بتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT) بسبب تصميمها وخصائص تشغيلها.

5. آلية التشغيل اليدوي

تتميز توربينات الرياح داريوس بآلية تشغيل يدوية نظرًا لتصميم أجنحتها الذي لا يُولّد عزم دوران كافٍ للدوران التلقائي. ولا تعمل هذه التوربينات تلقائيًا مثل توربينات سافونيوس والأفقية.

لذا، يُعدّ هذان النوعان من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي حلاً مستدامًا وسهلاً لتوليد الطاقة على الطرق السريعة. ومع ذلك، فإن تصميمهما وبنائهما يعملان لصالحهما وضدهما. ومع ذلك، فهما الخيار الأفضل مقارنةً بالحلول القائمة على الوقود الأحفوري.

موصى به : توربينات الرياح البرية مقابل توربينات الرياح البحرية: كل ما تحتاج لمعرفته