كيف تعمل فرامل توربينات الرياح؟

يُعد نظام الكبح في توربينات الرياح مشروعًا هندسيًا معقدًا ودقيقًا، وهو ليس مجرد "وسادة فرامل" بسيطة، بل هو نظام أمان تعاوني متعدد المستويات.

الهدف الأساسي هو إيقاف أو تقليل سرعة المروحة الكبيرة بشكل آمن ومتحكم فيه عند الحاجة.

عند الحاجة "تشمل عادةً الحالات التالية:

سرعة الرياح المفرطة (عادة ما تتجاوز 25 مترًا في الثانية): لمنع المروحة من الدوران بسرعة كبيرة والتسبب في أضرار هيكلية.

انقطاع التيار الكهربائي أو تعطل شبكة الكهرباء: يتطلب إيقاف تشغيل آمن.

الصيانة اليومية أو الإصلاح الشامل: توفير بيئة عمل آمنة للفنيين.

حالة الطوارئ: إذا اكتشف المستشعر عطلاً خطيراً (اهتزاز مفرط، ارتفاع درجة حرارة علبة التروس، إلخ).

تستخدم توربينات الرياح الحديثة واسعة النطاق بشكل أساسي طرق الكبح الثلاث التالية للعمل معًا:

1. الكبح الهوائي - الطرق الأساسية والرئيسية
هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا وأساسية للكبح، والتي يتم تحقيقها عن طريق تغيير الخصائص الديناميكية الهوائية للشفرات.

المبدأ: يمكن لنهاية كل شفرة أن تدور بزاوية معينة (عادةً 90 درجة) حول محورها. وتسمى هذه العملية "التجديف".

عملية:

في الظروف العادية، تواجه الشفرات الرياح بالزاوية المثلى (زاوية الهجوم)، مما يؤدي إلى التقاط طاقة الرياح بكفاءة.

عند الحاجة إلى الكبح، يقوم نظام التحكم بإصدار أوامر للشفرات بالدوران، مما يؤدي إلى دوران الحافة الأمامية باتجاه اتجاه الرياح أو دوران حافة الشفرة باتجاه اتجاه الرياح.

وبهذه الطريقة، تتحول الشفرات من "أجنحة" فعالة إلى "ألواح خشبية" ذات مقاومة عالية، مع انخفاض حاد في الرفع وزيادة كبيرة في السحب، مما يؤدي إلى انخفاض سريع في السرعة حتى تتوقف.

المزايا:

لا يوجد تآكل ميكانيكي: لأنه يستخدم مقاومة الهواء دون احتكاك مادي.

موثوقة: حتى في حالة انقطاع التيار الكهربائي، يمكن للبطارية توفير طاقة احتياطية لنظام المروحة.

قابل للتعديل: يمكن تعديل القوة عن طريق الكبح الجزئي، أو عن طريق الكبح الكامل لتحقيق الكبح الطارئ.

2. الفرامل الميكانيكية (فرامل القرص) - فرامل مساعدة وفرامل التوقف
تشبه فرامل الأقراص في السيارات، ولكنها لا تستخدم عادة كوسيلة أساسية للتباطؤ.

الموقع: يتم تركيبه على العمود عالي السرعة (بعد نهاية مخرج علبة التروس وقبل المولد)، حيث أن هذا العمود يتميز بسرعة عالية وعزم دوران منخفض، ويمكن تصغير حجم جهاز الفرامل المطلوب.

وظيفة:

التوقف: بعد أن توقف المكابح الهوائية المروحة تمامًا (حيث تنخفض السرعة إلى مستوى منخفض للغاية)، يقوم مكبس المكابح الميكانيكية بتثبيت قرص المكابح، مما يؤدي إلى قفل المروحة بإحكام لمنع الدوران البطيء الناتج عن النسيم الخفيف أو القصور الذاتي. وهذا أمر بالغ الأهمية للحفاظ على سلامة الأفراد.

النسخ الاحتياطي للطوارئ: في الحالات القصوى التي يفشل فيها الفرامل الهوائية تمامًا، فإنها بمثابة حاجز الأمان الأخير.

الخصائص: لتجنب التآكل المفرط وتوليد الحرارة، تعمل تصميمات المراوح الحديثة على تقليل تكرار الكبح الميكانيكي وعادة ما تستخدمه فقط بعد الإغلاق الكامل.

3. فرامل كهربائية (فرامل توليد الطاقة) - وضع الضبط المساعد
يتم تحقيق الكبح من خلال المولد نفسه.

المبدأ: عندما يتم فصل المولد عن شبكة الطاقة، يمكن استهلاك طاقة النظام الدوار عن طريق استهلاك الطاقة الكهربائية على مقاومة الكبح (تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية وتبديدها)، أو عن طريق التحكم في عزم الدوران العكسي للمولد من خلال أجهزة إلكترونية الطاقة للمساعدة في التباطؤ.

الوظيفة: يستخدم بشكل أساسي لضبط ومساعدة التباطؤ، وخاصة أثناء عملية الفصل، بالاقتران مع الفرامل الهوائية لتحقيق توقف سلس.

سير العمل التعاوني لنظام الكبح (مع أخذ إيقاف التشغيل في حالة الرياح القوية كمثال):
يكتشف مستشعر سرعة الرياح أن سرعة الرياح المستمرة تتجاوز سرعة الرياح المحددة (مثل 25 م/ث).

يقوم نظام التحكم أولاً بإصدار أمر لتفعيل الفرامل الهوائية: تبدأ الشفرات في الميلان وتقل سرعة المروحة.

وفي الوقت نفسه، قد يتم تفعيل المكابح الكهربائية للمساعدة في استهلاك الطاقة.

عندما تنخفض سرعة المروحة إلى ما يقارب الصفر (على سبيل المثال بضع دورات في الدقيقة)، يتم تنشيط الفرامل الميكانيكية، مما يؤدي إلى تثبيت قرص الفرامل لإيقاف المروحة تمامًا وقفلها.

تدخل المروحة في حالة إيقاف تشغيل آمنة.

حالة خاصة: الكبح أثناء فقدان الطاقة
تُعدّ السلامة الاعتبار الأساسي. تم تجهيز المروحة بوحدة تزويد طاقة غير منقطعة (UPS) أو بطارية احتياطية. حتى في حال انقطاع التيار الكهربائي الخارجي تمامًا، تستطيع وحدة التزويد الاحتياطية الطاقة اللازمة لنظام التحكم ونظام تغيير زاوية ميل الشفرات، مما يضمن دوران الشفرات بسلاسة وتحقيق الكبح الديناميكي الهوائي. هذا هو التصميم الأكثر أهمية في مجال السلامة ضد الأعطال.

ملخص
باختصار، إن كبح توربينات الرياح هو "ضربة مركبة":

القوة الرئيسية: الكبح الديناميكي الهوائي (التخفيف)، المسؤول عن غالبية عمليات الكبح والتحكم في الطاقة.

ركن السيارة: فرامل ميكانيكية، مسؤولة عن قفل السيارة بعد التوقف التام لضمان السلامة.

المساعدة: فرامل كهربائية للمساعدة في تسهيل عملية الكبح.

يضمن نظام السلامة المتعدد والمتكرر هذا أنه حتى في الظروف الجوية السيئة أو ظروف الأعطال، يمكن إيقاف تشغيل توربينات الرياح الضخمة بشكل آمن وموثوق.