التوربين هو آلة تُحوّل الطاقة الحركية لسائل دوار إلى شغل أو طاقة مفيدة عبر نظام دوار. يُمكّن الترس الميكانيكي أو الحث الكهرومغناطيسي التوربينات من توليد الطاقة بهذه الطريقة. هناك أنواع مختلفة من التوربينات، ولكن الأنواع الشائعة تُصنّف إلى توربينات رياح أفقية ورأسية المحور. في هذه المقالة، ستتعرف على توربينات الرياح الأفقية المحور ووظائفها، بالإضافة إلى أنواعها.
ما هي توربينات الرياح ذات المحور الأفقي؟
يُعدّ توربين الرياح ذو المحور الأفقي (HAWT) النوع الأكثر شيوعًا من توربينات الرياح العاملة اليوم. يحتوي هذا النوع على دوّار مزوّد بشفرات انسيابية (أي أسطح انسيابية) يمكن توجيهها إما باتجاه الرياح أو عكسها. عادةً ما تحتوي توربينات الرياح عالية الارتفاع على شفرتين أو ثلاث شفرات تدور بسرعات عالية جدًا. تُمكّن الشفرات المخروطية في الدوّارات المواجهة للرياح التوربين من التوجيه الذاتي باتجاه الرياح، بينما تحتاج الدوّارات المواجهة للرياح إلى ذراع توجيه أو ريشة ذيل لتوجيهها في الاتجاه الصحيح. مع ذلك، لوحظ أن الدوّارات المواجهة للرياح تميل إلى الانحراف عند محاذاتها مع الرياح بسرعات منخفضة، مما يؤدي إلى انخفاض إنتاج الطاقة عند هذه السرعات.
تتميز توربينات الرياح المحورية (HAWTs) بأعمدة تثبيت أفقية عمودية على الأرض. وكما هو الحال مع توربينات الرياح المحورية العمودية، يمكن أن تحتوي توربينات الرياح المحورية على شفرتين أو ثلاث شفرات. حتى الآن، أثبت توربين الرياح المحوري ثلاثي الشفرات أنه التصميم الأكثر فعالية، إلا أن كلاً من طرازي الدوار ثنائي الشفرات والدوار المواجه للرياح حققا بعض النجاح. يمكن لتوربينات الهيكل مواجهة الريح (في الأمام) أو مع اتجاه الريح (في الخلف). لا حاجة لنظام توجيه ميكانيكي في توربينات الرياح ذات المحور الأفقي لأنها تشير دائمًا إلى اتجاه الريح. يُعد الاهتزاز المستمر الناتج عن هبات الرياح أكبر عيوبه لأنه يؤدي إلى مزيد من التعب. الآن، دعونا نتعرف على أنواع توربينات الرياح ذات المحور الأفقي.
ما هي أنواع توربينات الرياح ذات المحور الأفقي؟
تتميز توربينات الرياح ذات المحور الأفقي بتصميم فعال للغاية وشهرة واسعة في السوق. وكما هو الحال مع توربينات الرياح الأخرى، هناك أيضًا أنواع منها. وهي كالتالي:
1. توربينات الرياح العكسية
يُركّب دوّار توربين الرياح المواجه للريح أعلى البرج . والهدف الأساسي لهذا التوربين هو منع الرياح من إلقاء ظلالها على الجانب الخلفي للبرج. ولأنه صلب ومثبت على مسافة من البرج، يُستخدم هذا التصميم حاليًا في معظم توربينات الرياح الأفقية.
2. توربينات الرياح
يُوضع دوّار توربين الرياح الموجه للرياح عند قاعدة الهيكل . يوجّه هذا التوربين الرياح أولاً نحو البرج ثم إلى شفرات الدوّار. ونظرًا لمرور الدوّار عبر مظلة الرياح الخاصة بالبرج، يتعرض هذا التوربين لبعض التغيرات في طاقة الرياح. وتنتج هذه التغيرات عن موقع الدوّار خلف غلاف البرج. من المفترض أن يكون هذا قد ساعدك على فهم أنواع توربينات الرياح ذات المحور الأفقي.
اقرأ أيضاً: نوعان من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي
ما هو مبدأ عمل توربينات الرياح ذات المحور الأفقي؟
بعد فهم أنواع توربينات الرياح ذات المحور الأفقي، دعونا نتعرف على مبدأ عملها. تُحوّل طاقة الرياح إلى عزم دوران بواسطة الدوّار ، الذي يُنقل بدوره إلى عمود بطيء الحركة. يحمي غلاف التوربين علبة التروس، والعمود عالي السرعة، والمولد الذي يستقبل الطاقة من العمود منخفض السرعة. تُثبّت الشفرات على الدوّار والعمود. يُعرف هذا العمود بالعمود منخفض السرعة لأن مجموعة الدوران تُدار بواسطة الرياح بسرعة منخفضة تتراوح بين 10 و20 دورة في الدقيقة فقط.
لتحقيق تردد الخرج المطلوب البالغ 60 هرتز، يُوصل عمود الدوران منخفض السرعة بعلبة التروس، التي تحتوي على نظام تروس يزيد سرعة دوران العمود إلى حوالي 1,800 دورة في الدقيقة (أو 1,500 دورة في الدقيقة إذا كان التردد 50 هرتز). ولهذا السبب، يُشار غالبًا إلى العمود الخارج من علبة التروس باسم عمود الدوران عالي السرعة. أخيرًا، يُوصل عمود الدوران عالي السرعة بالمولد ، الذي يحول الحركة الدورانية إلى تيار متردد. إذا استُخدمت هذه السرعة لتشغيل المولد مباشرةً، فإن تردد خرج التيار المتردد يتناسب طرديًا مع معدل دوران المولد.
على سبيل المثال، تستخدم توربينات الرياح ذات الدفع المباشر عادةً مولد تيار مستمر بدلاً من مولد تيار متردد، وتفتقر إلى علبة تروس. من غير الواضح ما إذا كان محول التيار المتردد إلى تيار مستمر جزءًا من هذه التوربينات (والذي يمكن وضعه في قاعدة البرج). تُستخدم وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) أو حاسوب كوحدة تحكم في التوربينات الصناعية. تستخدم وحدة التحكم قراءات مقياس سرعة الرياح، والتي تحدد بعد ذلك الاتجاه الذي يجب أن يواجهه توربين الرياح، وكمية الطاقة التي يجب أن يجمعها، وما إذا كان يجب السماح له بالتسارع أثناء الرياح القوية. هذا هو مبدأ عمل توربينات الرياح ذات المحور الأفقي. بعد ذلك، دعونا نستكشف مكونات توربينات الرياح ذات المحور الأفقي.
ما هي مكونات توربينات الرياح ذات المحور الأفقي؟
تشتمل مكونات توربينات الرياح ذات المحور الأفقي على قاعدة وبرج وغطاء ومولد وشفرات دوارة ومحور وعمود وعلب تروس ومقاييس سرعة الرياح.
1. القاعدة: يزن البرج والمكونات الأخرى لتوربينات الرياح عددًا كبيرًا من الأطنان؛ وبالتالي، يجب تثبيتها بإحكام على قاعدة صلبة كالصخر.
٢. البرج: هيكل شاهق يحمل محور الدوار والمحرك في مكانهما. قد يُصنع من شبكة فولاذية أو خرسانة أو فولاذ أنبوبي. يُعد ارتفاع البرج أحد الجوانب الرئيسية لتصميم توربينات الرياح ذات المحور الأفقي. فزيادة ارتفاع البرج تُمكّن التوربينات من امتصاص المزيد من طاقة الرياح وإنتاج المزيد من الكهرباء، لأن سرعة الرياح تزداد مع الارتفاع. وعادةً ما تؤدي زيادة ارتفاع نظام الرياح إلى توليد كمية أكبر من الطاقة، كما تُقلل من اضطراب الرياح.
3. شفرات الدوّار: تلتقط شفرات توربينات الرياح الطاقة الحركية للرياح وتحولها إلى طاقة ميكانيكية. تُصنع هذه الشفرات من مزيج الخشب والإيبوكسي أو البوليستر المقوى بالألياف الزجاجية. وبحسب التصميم، قد تحتوي توربينات الرياح على شفرة واحدة، أو زوج من الشفرات، أو ثلاث شفرات، أو أكثر. وتُعدّ توربينات الرياح الأفقية ذات الثلاث شفرات هي الأكثر شيوعًا. تُثبّت هذه الشفرات على محور الدوّار. في الماضي، استُخدمت فكرة الشفرات المتعددة لضخ المياه، وطحن الطعام، والقيام بمهام أخرى.
٤. غلاف التوربين: غلاف التوربين هو الهيكل الذي يضم المكونات الرئيسية للتوربين. تُركّب علبة التروس، وعمودا الدوران عالي ومنخفض السرعة، والمولد، ووحدة التحكم، والمكابح في أعلى البرج. يُجهّز غلاف التوربين بمقياس سرعة الرياح ومؤشر اتجاه الرياح.
٥. محور الدوران: يتطلب توصيل شفرة الدوار بعمود توربين الرياح محور دوران. يتكون محور الدوران من المحور، والمسامير، ومحامل الشفرات، ونظام تغيير زاوية ميل الشفرات، والمكونات الداخلية. يُستخدم الفولاذ والحديد والفولاذ المطروق في صناعة محاور الدوران ، وتُعد عملية اللحام أساسية. فيما يلي بعض الأمثلة على محاور الدوران:
٦. الأعمدة: ينقل العمود الطاقة إلى عجلات القيادة، وتكون مستويات عزم الدوران والإجهاد في هيكله الفولاذي المجوف أو المصمت عالية للغاية. وباستخدام أعمدة القيادة، يمكن إرسال الطاقة الميكانيكية من محور الشفرة إلى المولد، مما يسمح له بتحويل الحركة الدورانية إلى تيار كهربائي. عادةً ما تحتوي توربينات الرياح على عمودين.
٧. علب التروس: يُوصل عمود خرج علبة التروس بالمولد لنقل الطاقة الميكانيكية الدورانية. ويعتمد مبدأ عملها على قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي . وهي جهاز يُنتج الكهرباء من الطاقة الميكانيكية. أما بالنسبة لتوربينات الرياح، فتوجد أنواعٌ عديدة من علب التروس: علبة التروس الكوكبية، وعلبة التروس الحلزونية، وعلبة التروس الدودية.
٨. مقياس سرعة الرياح: تعتمد كمية الطاقة الحركية للرياح بشكل كبير على سرعتها. يتناسب مكعب سرعة الرياح طرديًا مع مقدار الطاقة التي تحملها. عند اختيار موقع، من الضروري مراعاة متوسط سرعة الرياح في المنطقة. مقياس سرعة الرياح هو أداة تُستخدم لتحديد سرعة تيار الرياح. عادةً ما توجد هذه المقاييس فوق غطاء المحرك.
انظر أيضًا: مزايا وعيوب طاقة المد والجزر
ما هي استخدامات توربينات المحور الأفقي؟
لتحقيق أقصى قدر من إنتاج الطاقة وكفاءة الطاقة، غالبًا ما تستخدم محطات طاقة الرياح واسعة النطاق توربينات رياح أفقية المحور. تُرى هذه التوربينات عادةً في
- مرافق التصنيع
- مزارع الرياح الشاسعة
- المباني التي ترعاها الحكومة
بهذا تكون قد تعرفت على استخدامات توربينات المحور الأفقي. بعد ذلك، يمكنك التعرف على مزايا وعيوب توربينات الرياح ذات المحور الأفقي.
ما هي مزايا وعيوب توربينات الرياح ذات المحور الأفقي؟
كما هو الحال مع الأجهزة الأخرى، فإن مزايا وعيوب توربينات الرياح ذات المحور الأفقي واضحة تمامًا. دعونا نتعرف عليها بالتفصيل هنا.
مزايا توربينات الرياح ذات المحور الأفقي
1. أجيال قوية
بحسب التطبيق، يمكن إنشاء توربينات الرياح ذات المحور الأفقي بقدرة تتراوح بين 2 و8 ميغاواط. ويمكن لتوربين رياح بري بقدرة 2.5 إلى 3.0 ميغاواط أن يولد حوالي 6 ملايين كيلوواط ساعة سنويًا، وهو ما يكفي لتزويد 1,500 منزل أوروبي نموذجي بالطاقة. ويعتمد ذلك على حجم التوربين وسرعة الرياح.
2. موثوق به بدرجة كافية
سيطرت توربينات الرياح ذات المحور الأفقي على السوق لسنوات عديدة، مما أدى إلى تطور تصميمها وتطويرها بشكل ملحوظ. ويجري حاليًا دراسة جدوى وفائدة توربينات الرياح ذات المحور الأفقي، المتوفرة حاليًا في السوق، وإمكانات تطويرها المستقبلي.
3. رياح تشغيلية قوية بشكل استثنائي
تستفيد توربينات الرياح ذات المحور الأفقي من سرعات الرياح العالية نظرًا لارتفاع دواراتها. وهذا يعني أنها ستعمل بكفاءة عالية عند سرعات رياح مرتفعة، مما يُحسّن أداءها بشكل ملحوظ. كما أن تدفق الهواء في الطبقات العليا من الغلاف الجوي يكون عادةً منتظمًا، مما يجعل توربينات الرياح ذات المحور الأفقي مصدرًا أكثر موثوقية للطاقة المتجددة.
4. الكفاءة على مستوى عالٍ جدًا
يستحيل تحويل الطاقة دون هدر جزء منها. وينصبّ التركيز الرئيسي لتطوير المنتجات الجديدة في قطاع طاقة الرياح على كيفية رفع كفاءة تحويل الطاقة. في الوقت الراهن، تُعدّ توربينات الرياح ذات المحور الأفقي الأكثر إنتاجية، إذ تتمتع بكفاءة عالية تُمكّنها من تحويل ما بين 40 و50 بالمئة من طاقة الرياح الواردة إلى كهرباء قابلة للاستخدام.
اقرأ أيضاً: مزايا وعيوب طاقة الهيدروجين
عيوب توربينات الرياح ذات المحور الأفقي
1. يصعب نقله وتركيبه والحفاظ عليه في حالة تشغيل جيدة
نظراً لضخامة حجم توربينات الرياح ذات المحور الأفقي ، فإنها تُشكّل تحديات لوجستية وتقنية كبيرة أثناء الشحن والتركيب. إذ يصل طول شفرات هذه التوربينات إلى 70 متراً، ووزنها إلى 20 طناً، مما يجعل تركيبها على الطرق الضيقة والمتعرجة التي تشتهر بها المناطق الجبلية، أو على شوارع المدن العادية المزدحمة بالمنازل وخطوط المرافق وأعمدة الإنارة، أمراً غير وارد.
2. إلحاق الضرر بالبيئة
لا يزال هناك جدل واسع النطاق حول تأثير توربينات الرياح ذات المحور الأفقي على البيئة المحيطة . فهدير الشفرات الضخمة وهي تشق الهواء، والظلال الكثيفة التي تلقيها، والاضطراب الذي تُحدثه في الحياة البرية والنظم البيئية المحيطة، كلها أمور تدعو للقلق.
3. التغير في النظام البيئي البحري
من المرجح أن تعمل توربينات الرياح البحرية على تغيير النظام البيئي البحري بطرق لا نفهمها بعد، في حين تمثل شفرات توربينات الرياح ذات المحور الأفقي خطر الاصطدام بالمخلوقات الطائرةتوصلت دراسات متعددة إلى أن توربينات الرياح ليست مسؤولة بشكل مباشر عن أكثر من واحد في المائة من الوفيات السنوية للطيور في الولايات المتحدة الناجمة عن حوادث مع أشياء وممارسات من صنع الإنسان.
4. متطلبات صارمة للإعداد
قد تشكل اللوائح المنظمة لتطوير وتركيب توربينات الرياح عقبات، على الرغم من أن الحكومات حول العالم قد قدمت حوافز لتشجيع التحول إلى الطاقة المتجددة . فعلى سبيل المثال، بالنسبة لتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي، عادةً ما تكون المسافة المطلوبة بينها وبين المنازل المجاورة أربعة أضعاف ارتفاع التوربين. ويتعين على حكومة المدينة إجراء دراسة للضوضاء قبل السماح بإنشاء مزرعة رياح في الموقع. ومن الضروري مراعاة كل من الضوضاء المحيطة والضوضاء التي ستولدها توربينات الرياح. ورغم وجود قاعدة عامة جيدة في كثير من الأحيان، إلا أن السياسة قد تختلف تبعًا لعوامل عديدة، منها المناخ السياسي والاجتماعي والطبيعي.
ستلعب توربينات الرياح المحورية الأفقية دورًا كبيرًا في مستقبل الطاقة المتجددة. من الضروري فهم كل ما يتعلق بهذه التقنيات، مثل مزايا وعيوب توربينات الرياح ذات المحور الأفقي، وأنواعها، وغيرها. فهي تساعدك على الاستعداد للمستقبل القريب.
