توربينات الرياح ذات المحور الأفقي والعمودي: مقارنة
تعتبر طاقة الرياح مصدراً متجدداً ونظيفاً للطاقة يمكن أن يقلل من انبعاثات غازات الدفيئة وإعتماد الوقود الأحفوري. تُعد التوربينات الريحية آلات تحول الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية. هناك نوعان رئيسيان من التوربينات الريحية بناءً على اتجاه محورها: الأفقي والعمودي.
ما هي التوربينة الريحية ذات المحور الأفقي؟
تُعرف التوربينة الريحية ذات المحور الأفقي (HAWT) بأنها توربينة ريحية لها محور دوران أفقي أو موازٍ للأرض. تعتبر التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي الأكثر شيوعًا للاستخدام في توليد الكهرباء على نطاق واسع. عادة ما تحتوي هذه التوربينات على ثلاثة أجنحة تشبه المراوح الطائرة، رغم أن بعضها قد يكون له جناحان أو جناح واحد فقط.
العناصر الرئيسية للتوربينة الريحية ذات المحور الأفقي هي:
الروتر، الذي يتكون من الأجنحة والمركز الذي يربطها بالمحور.
النصل الذي يحتوي على المولد والعلبة السرعة والفرامل وجهاز التوجيه وأنظمة أخرى ميكانيكية وكهربائية.
البرج الذي يدعم النصل والروتر ويقوم برفعهما فوق الأرض لاستقبال المزيد من الرياح.
الأساس الذي يقوم بتثبيت البرج بالأرض ونقل الأحمال من التوربينة الريحية.
يعتمد مبدأ عمل التوربينة الريحية ذات المحور الأفقي على القوة الرافعة، وهي القوة التي تدفع الجسم لأعلى عندما تتدفق الهواء فوق سطحه. يتم تصميم أجنحة التوربينة الريحية ذات المحور الأفقي مثل الأجنحة الجوية، مما يخلق فرق ضغط بين سطحيها العلوي والسفلوي عند تدفق الرياح. هذا الفرق الضغطي يؤدي إلى دوران الأجنحة حول المحور الأفقي، مما يدفع المحور والمولد لإنتاج الكهرباء.
يجب أن يكون مستوى الروتر في التوربينة الريحية ذات المحور الأفقي محاذاً مع اتجاه الرياح لتحقيق كفاءتها القصوى. لذلك، تحتوي التوربينة الريحية ذات المحور الأفقي على مستشعر رياح ونظام توجيه يقوم بتعديل اتجاه النصل وفقًا لاتجاه الرياح. كما تحتوي التوربينة الريحية ذات المحور الأفقي على نظام قياس الزاوية الذي يغير زاوية الهجوم للأجنحة لتحكم في سرعتها الدورانية وإخراج الطاقة.
من مزايا التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي:
لديها كفاءة أعلى من التوربينات الريحية ذات المحور العمودي (VAWTs) لأنها تستطيع التقاط طاقة رياح أكثر بأقل مقاومة.
لديها أقل تذبذب في العزم وتوتر ميكانيكي من التوربينات الريحية ذات المحور العمودي لأنها لديها تغييرات أقل في القوى الديناميكية خلال كل دورة.
يمكن تركيبها في البحر على منصات عائمة أو أسس ثابتة حيث تكون سرعة الرياح أعلى وأكثر استقراراً.
من عيوب التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي:
تحتاج إلى برج طويل ومساحة كبيرة من الأرض لتجنب الاضطراب والتداخل من المباني القريبة أو التضاريس.
هي أكثر تكلفة ومعقدة في التركيب والصيانة من التوربينات الريحية ذات المحور العمودي لأنها تحتوي على أجزاء متحركة وأجزاء كهربائية أكثر.
هي أكثر عرضة للإجهاد والتلف بسبب الرياح القوية والعواصف والبرق والطيور أو الجليد.
ما هي التوربينة الريحية ذات المحور العمودي؟
تُعرف التوربينة الريحية ذات المحور العمودي (VAWT) بأنها توربينة ريحية لها محور دوران عمودي أو متعامد بالنسبة للأرض. تعتبر التوربينات الريحية ذات المحور العمودي أقل شيوعًا من التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي، لكنها تتمتع بمزايا للاستخدام في التطبيقات الصغيرة والحضرية. عادة ما تحتوي هذه التوربينات على جناحين أو ثلاثة أجنحة تكون إما مستقيمة أو منحنية.
العناصر الرئيسية للتوربينة الريحية ذات المحور العمودي هي:
الروتر، الذي يتكون من الأجنحة والمحور العمودي الذي يربطها بالمولد.
المولد، الذي يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية للروتر إلى طاقة كهربائية.
القاعدة، التي تقوم بدعم الروتر والمولد وتوصيلهما بالأرض.
يعتمد مبدأ عمل التوربينة الريحية ذات المحور العمودي على القوة المقاومة، وهي القوة التي تعارض حركة الجسم عندما تتدفق الهواء فوق سطحه. تكون أجنحة التوربينة الريحية ذات المحور العمودي متماثلة أو غير متماثلة، مما يخلق كميات مختلفة من القوة المقاومة عند مواجهة الرياح أو معارضة اتجاهها. هذا الاختلاف في القوة المقاومة يؤدي إلى دوران الأجنحة حول المحور العمودي، مما يدفع المولد لإنتاج الكهرباء.
لا يحتاج مستوى الروتر في التوربينة الريحية ذات المحور العمودي إلى أن يكون محاذاً مع اتجاه الرياح لأنه يستطيع التقاط الرياح من أي اتجاه. لذلك، لا تحتوي التوربينة الريحية ذات المحور العمودي على نظام توجيه أو مستشعر رياح. ومع ذلك، قد تحتوي التوربينة الريحية ذات المحور العمودي على نظام قياس الزاوية الذي يغير زاوية الهجوم للأجنحة لتحكم في سرعتها الدورانية وإخراج الطاقة.
من مزايا التوربينات الريحية ذات المحور العمودي:
لديها تكاليف تركيب وصيانة أقل من التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي لأنها تحتوي على أجزاء متحركة وأجزاء كهربائية أقل.
لديها مستويات ضوضاء أقل من التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي لأنها تدور بسرعات أبطأ.
يمكن تركيبها على الأسطح أو بالقرب من المباني لأنها تكون بأرتفاعات أقل ومناطق أصغر من التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي.
من عيوب التوربينات الريحية ذات المحور العمودي:
لديها كفاءة أقل من التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي لأنها لديها مقاومة أكبر ورفع أقل.
لديها تذبذب عزم أكبر وتوتر ميكانيكي أعلى من التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي لأنها لديها تغييرات أكثر في القوى الديناميكية خلال كل دورة.
لا يمكن تركيبها في البحر لأنها أقل استقراراً ومتانة من التوربينات الريحية ذات المحور الأفقي.
أنواع التوربينات الريحية ذات المحور العمودي
هناك نوعان رئيسيان من التوربينات الريحية ذات المحور العمودي بناءً على تصميم الأجنحة: داريوس وساڤونيوز.
توربينات داريوس
توربينات داريوس هي توربينات ريحية ذات محور عمودي تحتوي على أجنحة منحنية تشبه الخفاش أو التروكويد. تم اختراعها من قبل المهندس الفرنسي جورج داريوس عام 1931. تستخدم توربينات داريوس الرفع وكذلك القوة المقاومة لدوران أجنحتها. يمكن أن تحقق سرعات دوران عالية، ولكنها تحتاج إلى آلية بدء خارجية، مثل محرك كهربائي أو توربين آخر، لأنها لا تستطيع بدء نفسها.
من مزايا توربينات داريوس:
لديها معامل قوة أعلى من توربينات ساڤونيوز لأنها تستخدم الرفع وكذلك القوة المقاومة.
لديها نسبة صلابة أقل من توربينات ساڤونيوز لأنها تحتوي على أجنحة أقل مع فجوات أكبر بينها.
من عيوب توربينات داريوس:
