أنواع توربينات الرياح HAWT و VAWT والمزيد موضحة

الاغلبية العظمى من الرياح التوربينات تُرى في مختلف أنحاء المقاطعة في مزارع الرياح (سواء على الشاطئ أو في عرض البحر) تصميمات قياسية بثلاث شفرات. ومع ذلك، يوجد عدد من الأنماط/الأنواع المختلفة من التوربينات والطريقة التي تستغل بها الطاقة الحركية من الرياح مختلفة تمامًا.

النوعان الرئيسيان من توربينات الرياح هما المحور الأفقي والمحور الرأسي. توربينات الرياح ذات المحور الأفقي تتميز توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بوجود محور دوار موجه أفقيًا. وتتميز عادةً بثلاث شفرات ومصممة لمواجهة الرياح. تتميز توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بوجود محور دوار موجه رأسيًا ومصممة لتسخير الطاقة الحركية في الاتجاه المعاكس.

بالإضافة إلى توربينات الرياح ذات المحور الأفقي والمحور الرأسي، هناك إصدارات أخرى من التوربينات تستحق الاستكشاف.

النوع الأكثر شيوعًا من توربينات الرياح هو "توربينات الرياح ذات المحور الأفقي". ويشار إليها بالمحور الأفقي لأن المحور الدوار يقع أفقيًا (انظر الرسم البياني أدناه)

تحتاج توربينات الرياح ذات المحور الأفقي إلى أن تتجه مباشرة نحو الرياح لكي تعمل بأقصى قدر من الكفاءة، كما أن الرأس بالكامل مصمم للالتفاف لمواجهة الرياح. ومع تغير اتجاه الرياح، يجب أن يدور الرأس (أو "يتأرجح") ليظل موجهًا نحو الرياح.

يتم اختيار توربينات الرياح ذات المحور الأفقي لمزارع الرياح البحرية ومزارع الرياح البرية حيث تكون الأرض مسطحة ومفتوحة إلى حد كبير، لأنها تعمل بكفاءة أكبر من توربينات المحور الرأسي في المناطق التي لا تكون فيها الرياح مضطربة.

مُصمم للحجم

في حين أن هناك الكثير من توربينات الرياح ذات المحور الأفقي الصغيرة الحجم المتاحة تجاريًا لأصحاب المنازل المهتمين بالطاقة، فإن إحدى مزاياها الكبيرة هي أنها قابلة للتطوير بشكل جيد للتصنيع ويمكن بناؤها بأحجام كبيرة جدًا. وهذا سبب آخر لاستخدامها في مزارع الرياح. إن بناء وتشغيل توربين واحد بقوة 10 ميجاوات (MW) أكثر فعالية من حيث التكلفة من بناء وتشغيل خمسة توربينات بقوة 2 ميجاوات (MW).

أكبر توربين رياح في العالم (اعتبارًا من صيف 2021) هو توربين فيستاس V236، بقوة مقدرة تبلغ 15 ميجاوات. يبلغ قطر دوار الشفرات 236 مترًا - أي أكثر من ضعف ارتفاع تمثال الحرية! ستوفر دورة واحدة من شفراته ما يكفي من الكهرباء لتشغيل منزل متوسط ​​لمدة يوم.

توربينات الرياح المحور الرأسي

التوربينات الأقل كفاءة والأقل شيوعًا هي "توربينات الرياح ذات المحور الرأسي". يشار إليها بالمحور الرأسي لأن المحور الدوار محاذي رأسيًا للأعلى.

لا يمكن بناء توربينات الرياح ذات المحور الرأسي على المقاييس الكبيرة التي نراها في مزارع الرياح ذات المحور الأفقي. أكبر توربين رياح ذو محور رأسي تم بناؤه على الإطلاق كان توربين "ÉOLE" بارتفاع 110 أمتار و3.8 ميجاوات في كيبيك، كندا. ومع ذلك، فشل محمل الدوار في عام 1993 تحت وزن 880 طن الذي كان عليه أن يتحمله. لم يتم تشغيله منذ ذلك الحين، وهو الآن فضول للسياح. من غير المرجح أن يحاول أي شخص بناء توربين ذو محور رأسي أكبر من هذا بسبب المشاكل الهندسية المرتبطة بدعم مثل هذه الأوزان الثقيلة مباشرة على محمل واحد.

مصممة للمرونة

على الرغم من صغر حجم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي، فإن الميزة الرئيسية التي تتمتع بها على المحور الأفقي هي أنها لا تحتاج إلى الانحراف. فهي تجمع طاقة الرياح من جميع الاتجاهات طوال الوقت. وبسبب الطريقة التي تم بها تصميم الشفرات، فإنها تدور دائمًا في نفس الاتجاه، بغض النظر عن المكان الذي تأتي منه الرياح.

وهذا يجعل توربينات الرياح ذات المحور الرأسي أفضل في التقاط طاقة الرياح في أسطح المدن والمناطق المبنية حيث تغير الرياح المضطربة اتجاهها طوال الوقت.

توربينات الرياح ذات المحور الرأسي تشغل مساحة أقل من توربينات المحور الأفقي ذات القدرة المكافئة، وغالبًا ما يتم اختيارها للمناطق التي تكون فيها المساحة محدودة.

أنواع مختلفة من توربينات الرياح المحورية العمودية

هناك تصميمان رئيسيان لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي، وهما سافونيوس وداريوس. ويختلف هذان التصميمان اختلافًا كبيرًا في طريقة التقاط طاقة الرياح.

مضخات الرياح العمودية سافونيوس

تستخدم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من طراز سافونيوس مبدأ السحب لتحويل طاقة الرياح إلى طاقة دورانية ميكانيكية. تعمل مثل المجرفة، مصممة لاحتجاز الرياح التي تدخل التوربين، مما يخلق السحب وبالتالي إجباره على الدوران (انظر الرسم البياني أدناه). بغض النظر عن الاتجاه الذي تأتي منه الرياح، فإنها ستضرب دائمًا كل من مقدمة المجرفة وخلفها - لكن الجزء الخلفي المستدير من المجرفة يخلق سحبًا أقل، وبالتالي يسمح للتوربين بالدوران. ومع ذلك، هذا يعني أن توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من طراز سافونيوس يمكنها فقط تحويل 15٪ في أفضل الأحوال من طاقة الرياح إلى طاقة دورانية ميكانيكية.

داريوس VAWTs

تستخدم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من طراز داريوس مبدأ الرفع لتحويل طاقة الرياح إلى طاقة دوران ميكانيكية، وهي أكثر كفاءة من توربينات المحور الرأسي من طراز سافونيوس. تستخدم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من طراز داريوس شفرات ذات مقطع عرضي على شكل جناح طائرة. عندما تمر الرياح فوق الشفرة، يخلق تأثير الجناح قوة رفع، وهذا ما يدور التوربين (انظر الرسم التخطيطي أدناه).

يمكن أن تكون شفرات الجناح في توربين داريوس مستقيمة، أو منحنية، أو حلزونية الشكل (انظر الرسم التخطيطي أدناه).

هذه كلها توربينات داريوس - شفرات الدوار كلها عبارة عن نفس الأجنحة التي تخلق الرفع، ولكن في تكوينات مختلفة.

ربما يكون التكوين الحلزوني هو الأكثر إثارة للاهتمام، لأنه يسمح باحتواء شفرة جناح أطول داخل نفس المنطقة الدورانية مثل التوربين ذو الشفرات المستقيمة، وبالتالي التقاط المزيد من الرياح وزيادة الكفاءة. 

تصميمات توربينية أخرى

في حين أن غالبية توربينات الرياح تندرج تحت هاتين الفئتين الرئيسيتين (المحور الرأسي والمحور الأفقي)، فقد كانت هناك تصميمات تجريبية مختلفة تبتعد عن التكوين الطبيعي لهذين التصميمين.

شجرة الريح

تعتمد "شجرة الرياح" التي بنتها شركة نيو وورلد ويند، ومقرها باريس، على توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من طراز سافونيوس، ولكنها جديدة لأنها تستخدم العديد من التوربينات الصغيرة المرتبة بحيث تبدو مثل أوراق الشجر على شجرة لتكوين ميزة حضرية زخرفية.

دوامة بلا شفرات

Vortex Bladeless هي شركة إسبانية استخدمت طريقة مختلفة تمامًا لاستخراج الطاقة الحركية من الرياح. لا يشبه "التوربين" الذي أنتجته الشركة التوربينات التقليدية على الإطلاق، لأنه لا يدور.

يستخدم نظام Vortex Bladeless صاريًا طويلًا على شكل عمود، يستخرج الطاقة من الرياح باستخدام تقنية تسمى الرنين الناتج عن الدوامة. عندما تمر الرياح عبر العمود، فإنها تسبب اضطرابًا خلفه، مما يتسبب في تذبذب العمود أو "اهتزازه" ذهابًا وإيابًا، وهذه الطاقة الميكانيكية هي التي تحرك مولدًا خطيًا، وبالتالي توليد تيار كهربائي.

وبما أنها لا تحتوي على شفرات دوارة، فإن هذا النمط من مولدات الرياح لا يشكل خطراً على الطيور المهاجرة أو الحياة البرية.

توربينات تعمل بالمركبات

لقد بدأت العديد من الشركات في تطوير توربينات الرياح ذات المحور الرأسي الصغيرة الحجم والتي يمكن وضعها في المناطق المركزية للطرق السريعة والطرق السريعة الحرة. وبدلاً من تشغيلها بواسطة الرياح "الطبيعية"، فإن الاضطرابات الناجمة عن التدفق المستمر للمركبات المارة بسرعة عالية هي التي تدير هذه التوربينات. وعلى هذا، ورغم أنها لا تزال توربينات رياح ذات محور رأسي تقليدية، فإن الموقف الذي يتم تطبيقها عليه هو الجديد.

توربينات الرياح ذات المحور المتقاطع (CAWT)

توربينات الرياح ذات المحاور المتقاطعة هي تصميم تجريبي لتوربينات ذات محاور رأسية تستخدم كل من شفرات التوربينات الأفقية والرأسية في تكوين مترابط متقاطع جديد. مع ثلاث شفرات رأسية وست شفرات أفقية، يمكنها التقاط طاقة الرياح القادمة من الاتجاهين الأفقي والرأسي. وجدت الدراسات أنها أكثر كفاءة بمقدار 2.5 مرة من توربينات المحور الرأسي التقليدية في نفس ظروف الرياح.

برج التبريد التوربيني الصاعد

يقترح هذا التصميم تكوينًا جديدًا لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي من نوع داريوس، والتي يتم توجيهها أفقيًا وتقع في الجزء العلوي من أبراج التبريد. يتم استخدام التيار الصاعد من تدفق الهواء الخارج من البرج، بدلاً من هدره في الغلاف الجوي، لتشغيل التوربين.