أنواع توربينات الرياح HAWT وVAWT وغيرها موضحة

الغالبية العظمى من توربينات الرياح تُرى في جميع أنحاء البلاد في مزارع الرياح (سواء على اليابسة أو البحرية) التصاميم القياسية ذات الثلاثة شفرات. ومع ذلك، هناك عدد من الأنماط والأنواع المختلفة للتوربينات، وطريقة استغلالها للطاقة الحركية للرياح تختلف بشكل كبير.

هناك نوعان رئيسيان من توربينات الرياح: ذات المحور الأفقي وذات المحور الرأسي. توربينات الرياح ذات المحور الأفقي لديها محور الدوران موجه أفقياً. عادة ما تحتوي على ثلاث شفرات وهي مصممة لمواجهة الرياح. أما توربينات الرياح ذات المحور الرأسي فلديها محور دوران متماشٍ عمودياً وهي مصممة لاستغلال الطاقة الحركية في الاتجاه المعاكس.

بالإضافة إلى توربينات الرياح ذات المحور الأفقي والرأسي، هناك تصاميم أخرى للتوربين تستحق الاستكشاف.

أنشط نوع من توربينات الرياح هو "توربينة الرياح ذات المحور الأفقي". ويُشار إليها بأنها ذات محور أفقي لأن المحور الدوار يكمن أفقياً (انظر الرسم التوضيحي أدناه).

تحتاج توربينات الرياح ذات المحور الأفقي إلى أن تشير مباشرة نحو الرياح لتعمل بكفاءة قصوى، وتصمم المجموعة بأكملها للدوران لمواجهة الرياح. عندما تتغير اتجاهات الرياح، يجب أن تدور المجموعة (أو "الانحراف") لتبقى موجهة نحو الرياح.

تُختار توربينات الرياح ذات المحور الأفقي للمزارع البحرية والمزارع البرية حيث تكون الأرض في الغالب مسطحة ومفتوحة، لأنها تعمل بكفاءة أكبر من توربينات المحور العمودي في المناطق التي لا تكون فيها الرياح مضطربة.

مبنية لأجل الحجم

بينما هناك العديد من التوربينات الهوائية ذات المحور الأفقي الصغيرة المتاحة تجارياً للأشخاص المهتمين باستخدام الطاقة بكفاءة، فإن أحد مزاياها الكبيرة هو أنها تتوافق بشكل جيد مع الإنتاج ويمكن بناؤها بحجم جد ضخم. هذا سبب آخر لاستخدامها في مزارع الرياح. فمن الأوفر تكلفة بناء وتشغيل توربين واحد قدرته 10 ميجاوات (MW) بدلاً من خمسة توربينات بقدرة 2 MW لكل منها.

أكبر توربين هواء في العالم (حتى صيف 2021) هو توربين Vestas V236، بقوة إخراجية تبلغ 15 ميجاوات (MW). قطر شفراته يصل إلى 236 مترًا - وهو أكثر من ضعفي ارتفاع تمثال الحرية! دورة واحدة لشفراته توفر كهرباء كافية لتشغيل منزل عادي ليوم كامل.

توربينات الرياح ذات المحور العمودي

نوع أقل كفاءة وانتشارًا هو 'توربين الرياح ذو المحور الرأسي'. يُطلق عليه اسم محور رأسي لأن المحور الدوار يكون محاذاً عموديًا للأعلى.

لا يمكن بناء توربينات محور عمودي بالمقاييس الكبيرة التي نراها في مزارع الرياح ذات التوربينات الأفقية. كان أكبر توربينة ذات محور عمودي تم بناؤها هو توربينة "ÉOLE" التي يبلغ ارتفاعها 110 أمتار وقوتها 3.8 ميجاوات، الموجودة في كيبك، كندا. ومع ذلك، فشل محمل الدوار عام 1993 تحت وزن 880 طن الذي كان يجب عليه دعمه. وقد أصبحت غير قادرة على العمل منذ ذلك الحين، وهي الآن عجيبة للسياح. من غير المحتمل أن يحاول أحد بناء توربينة ذات محور عمودي أكبر من هذه بسبب المشكلات الهندسية المتعلقة بدعم مثل هذه الأوزان الثقيلة مباشرة على محامل واحدة.

مبنية للمرونة

على الرغم من صغر حجمها، فإن الفائدة الرئيسية للتوربينات ذات المحور العمودي مقارنة بتلك الأفقية هي أنها لا تحتاج إلى الدوران حول محورها (اليو). فهي تجمع طاقة الرياح من جميع الاتجاهات في كل وقت. وبسبب تصميم الشفرات، فإنها دائمًا ما تدور بنفس الاتجاه، بغض النظر عن مصدر الرياح.

هذا يجعل توربينات الرياح ذات المحور الرأسي أفضل في التقاط طاقة الرياح على أسطح المباني في المدن والمناطق المكتظة حيث يتغير اتجاه الرياح المتurbulent باستمرار.

توربينات الرياح ذات المحور العمودي تستهلك مساحة أقل من التوربينات الأفقية ذات القوة المكافئة، وغالبًا ما يتم اختيارها للمناطق التي تكون فيها المساحة محدودة.

أنواع مختلفة من VAWTs

هناك تصميمان رئيسيان لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي، يُسميان سافونيوس وداريوس. هذه التصاميم تختلف بشكل كبير في الطريقة التي تلتقط بها طاقة الرياح.

توربينات VAWT من نوع سافونيوس

تستخدم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بنمط سافونيوس مبدأ السحب لتحويل طاقة الرياح إلى طاقة دورانية ميكانيكية. تعمل مثل المغرفة، حيث يتم تصميمها لالتقاط الهواء الداخل إلى التوربينة، مما يسبب السحب وبالتالي إجبارها على الدوران (انظر الرسم التوضيحي أدناه). بغض النظر عن اتجاه الريح، فإنها دائمًا ستضرب كلا الجانبين الأمامي والخلفي للمغرفة - ولكن الجزء الخلفي المستدير للمغرفة يسبب سحبًا أقل، مما يسمح للتوربينة بالدوران. ومع ذلك، فهذا يعني أن توربينة الرياح ذات المحور الرأسي من نوع سافونيوس يمكنها تحويل ما يصل إلى 15٪ فقط من طاقة الرياح إلى طاقة دورانية ميكانيكية.

داريوس VAWTs

تستخدم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من نوع داريوس مبدأ الرفع لتحويل طاقة الرياح إلى طاقة دورانية ميكانيكية، وهي أكثر كفاءة من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من نوع سافونيوس. تستخدم توربينات الرياح من نوع داريوس شفرات لها قسم عرضي على شكل جناح طائرة. عند مرور الرياح عبر الشفرة، يخلق التأثير الهوائي رفعًا، وهذا ما يجعل التوربين يدور (انظر الرسم التوضيحي أدناه).

يمكن أن تكون شفرات الأجنحة الهوائية لتوربين داريوس إما مستقيمة أو منحنية أو حلزونية الشكل (انظر الرسم التوضيحي أدناه).

هذه كلها توربينات داريوس - حيث تكون شفرات الدوار هي نفسها الأجنحة التي تولد الرفع، ولكن بتكوينات مختلفة.

التكوين الحلزوني هو الأكثر اهتمامًا، لأنه يسمح بشفرة هوائية أطول لتكون محتجزة ضمن نفس منطقة الدوران مثل التوربين ذي الشفرات المستقيمة، مما يلتقط المزيد من الرياح ويزيد من الكفاءة.

تصاميم أخرى للتوربينات

بينما ينتمي معظم توربينات الرياح إلى هاتين الفئتين الرئيسيتين (محور عمودي ومحور أفقي)، تم تنفيذ تصاميم تجريبية متنوعة تبتعد عن التكوين القياسي لهاتين الفئتين.

شجرة الرياح

تعتمد ‘شجرة الرياح‘ التي بنتها الشركة الباريسية New World Wind على توربين رياح محوري عمودي من نوع سافونيوس، لكنها جديدة في أنها تستخدم العديد من التوربينات الصغيرة الموزعة لتبدو وكأنها أوراق على شجرة، مما يجعلها ميزة زخرفية حضرية.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless هي شركة إسبانية استخدمت طريقة مختلفة تماماً لاستخراج الطاقة الحركية من الرياح. لا يبدو ‘التوربين‘ الخاص بهم مثل التوربينات التقليدية على الإطلاق، لأنه لا يدور.

يستخدم نظام Vortex Bladeless عمودًا طويلًا على شكل مачة، والذي يستخرج الطاقة من الرياح باستخدام تقنية تُسمى اهتزاز الدوامة المُحَفَّز. عندما تمر الرياح عبر العمود، تسبب اضطرابًا خلفه، مما يجعل العمود يهتز ذهابًا وإيابًا، ويعتبر هذا الطاقة الميكانيكية التي تُشغل مولدًا خطيًا، وبالتالي يتم إنتاج تيار كهربائي.

بما أن لديها لا شفرات دوارة، فإن هذا النوع من مولدات الرياح لا يشكل خطرًا على الطيور المهاجرة أو الحياة البرية.

المراوح المدعومة بالمركبات

بدأت العديد من الشركات في تطوير توربينات صغيرة الحجم ذات محور عمودي يمكن وضعها في الجزء الأوسط من الطرق السريعة والطرق السريعة. بدلاً من أن تُدار بواسطة 'الرياح الطبيعية'، فإنها تعتمد على الاضطراب الناتج عن تدفق مستمر للمركبات بسرعة عالية، وهو ما يدور هذه التوربينات. لذا، وعلى الرغم من أنها لا تزال توربينات رياح عادية ذات محور عمودي، فإن الوضع الذي يتم تطبيقها فيه هو الجديد.

توربين رياح محور العبور (CAWT)

التوربين المزدوج المحاور هو تصميم تجريبي لتوربين عمودي يعتمد على استخدام شفرات أفقية وشفرات عمودية في تكوين متقاطع جديد. باستخدام ثلاث شفرات عمودية وست شفرات أفقية، يمكنه التقاط طاقة الرياح القادمة من الاتجاهات الأفقية والعمودية. وقد وجدت الدراسات أنه أكثر كفاءة بمقدار 2.5 مرة من التوربين العمودي التقليدي في نفس ظروف الرياح.

توربين تيار صاعد برج التبريد

يقترح هذا التصميم تكويناً جديداً لتوربين داريوس العمودي المحور، والموجه أفقياً وموقع أعلى أبراج التبريد. يتم استخدام التيارات الصاعدة الناتجة عن تدفق الهواء المستنزف من البرج، بدلاً من هدرها في الغلاف الجوي، لتشغيل التوربين.