ما هي الأنواع الشائعة لتوربينات الرياح؟

تنقسم توربينات الرياح الشائعة إلى فئتين رئيسيتين حسب اتجاه محور دورانها: توربينات ذات محور أفقي وتوربينات ذات محور رأسي، وتُعدّ التوربينات ذات المحور الأفقي هي الأكثر استخدامًا حاليًا. فيما يلي التصنيفات والخصائص الرئيسية:

1- توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT)
محور دوران توربينات الرياح موازٍ للأرض، وشفراتها تشبه مراوح الطائرات. وتمثل طاقة الرياح أكثر من 95% من القدرة المركبة العالمية في هذا المجال.

الأنواع الرئيسية:

1. نوع الريح المعاكس

تدور توربينات الرياح أمام البرج في مواجهة الرياح، مما يتطلب نظام توجيه لمقاومة الرياح.

المزايا: تقليل تأثير ظل البرج (تداخل البرج مع تدفق الهواء)، كفاءة عالية.

العيوب: يتطلب جهاز توجيه وله بنية معقدة.

تعتمد الغالبية العظمى من توربينات الرياح الحديثة واسعة النطاق (أكثر من 1.5 ميجاوات) هذا التصميم.

2. نوع الرياح الخلفية

تقع توربينات الرياح خلف البرج ويمكنها التكيف تلقائيًا مع الرياح (دون الحاجة إلى نظام توجيه نشط).

العيوب: يتسبب تأثير ظل البرج في تقلبات الإجهاد في الشفرات، مما يجعلها عرضة للإجهاد.

أقل شيوعًا في توربينات الرياح المبكرة أو الصغيرة.

2- توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT)
محور دوران توربينات الرياح عمودي على الأرض، ويمكنها التقاط الرياح من أي اتجاه دون الحاجة إلى نظام توجيه. وتُستخدم حاليًا بشكل رئيسي لتوليد الطاقة على نطاق صغير موزع، أو في حالات خاصة.

الأنواع الرئيسية:

نمط داريوس

تكون الشفرات منحنية (مثل شكل "Φ") وتدور بفعل الرفع الديناميكي الهوائي.

المزايا: سرعة عالية وكفاءة عالية.

العيوب: لا يمكن تشغيلها ذاتيًا، وتتطلب معدات مساعدة؛ الإجهاد الهيكلي مرتفع، مما يجعل التوسع صعبًا.

نوع سافونيوس

الشفرات على شكل حرف S وأسطوانية الشكل، وتعمل بمقاومة الرياح.

المزايا: عزم دوران بدء تشغيل عالٍ، سهولة التشغيل في سرعات الرياح المنخفضة، هيكل بسيط.

العيوب: كفاءة منخفضة (أقل من 15٪)، وتستخدم عادة في أجهزة قياس سرعة الرياح أو أجهزة الشحن الصغيرة.

على شكل حرف H (نصل مستقيم داريوس)

اعتماد مزيج من الشفرات المستقيمة وقضبان الدعم لتسهيل عملية التصنيع.

في السنوات الأخيرة، كان هناك تركيز متجدد على دمج المباني أو اختبار طاقة الرياح العائمة في عرض البحر.

3- مصنفة حسب سيناريو التطبيق والحجم
توربينات رياح كبيرة متصلة بالشبكة

عادةً ما تكون الطاقة ≥ 1 ميغاواط، بقطر توربينات الرياح من 80 إلى 200 متر، وتستخدم في مزارع الرياح.

النوع السائد هو النوع ذو المحور الأفقي ثلاثي الشفرات والمواجه للريح، والذي يتميز بتقنية ناضجة.

توربينات رياح صغيرة ومتوسطة الحجم موزعة

الطاقة ≤ 100 كيلوواط، وتستخدم في المناطق الريفية، ومحطات الاتصالات الأساسية، والمزارع، وما إلى ذلك.

بما في ذلك المحاور الأفقية أو الرأسية (مثل النوع H، نوع سافونيوس).

توربينات الرياح البحرية

معظمها عبارة عن توربينات رياح كبيرة ذات محور أفقي (5-15 ميجاوات أو أكثر) مع هياكل أساس خاصة (ركيزة واحدة، عائمة، إلخ).

يتطلب الأمر تصميمًا مقاومًا للتآكل والأعاصير، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الصيانة.

مروحة خاصة

النوع المحسن من الموزع: يعمل الهيكل ذو الشكل الشبيه بالغطاء على تسريع تدفق الهواء، وتحسين الكفاءة، ولكنه يأتي بتكلفة عالية.

طاقة الرياح على ارتفاعات عالية: استخدام الطائرات الورقية أو بالونات الهيليوم لحمل المولدات، في المرحلة التجريبية.

4- الاتجاهات التكنولوجية والتصاميم الناشئة
على نطاق ضخم: وصلت قدرة الوحدة الواحدة لتوربينات الرياح البحرية إلى 15-18 ميغاواط، مع أطوال شفرات تتجاوز 120 مترًا.

الأساس العائم: مناسب لتوليد الطاقة من الرياح في أعماق البحار، مع تركيب توربينات الرياح على منصات عائمة.

تصميم المحور الرأسي الهجين: يجمع بين مزايا الرفع والسحب، مما يحسن أداء بدء التشغيل والكفاءة.

الذكاء: استخدام أجهزة الاستشعار وخوارزميات الذكاء الاصطناعي لتحسين زوايا الانحراف والشفرات، والتكيف مع ظروف الرياح المعقدة.

5- ملخص ومقارنة
1. توربين رياح ذو محور أفقي بثلاث شفرات

المزايا: تتميز طاقة الرياح بأعلى كفاءة في تحويل الطاقة (تصل إلى 50٪ أو أكثر)، والتكنولوجيا ناضجة للغاية، كما أن حجمها واقتصادياتها هما الأفضل، وهي حاليًا التيار السائد المطلق لمشاريع طاقة الرياح واسعة النطاق.

العيوب: يتطلب نظام انحراف دقيق للتوافق مع اتجاه الرياح، مع ضوضاء عالية نسبياً، وتكاليف صيانة عالية (خاصة للوحدات الكبيرة)، ومتطلبات تقنية عالية.

التطبيقات الرئيسية: مزارع الرياح البرية المركزية، ومزارع الرياح البحرية (النماذج الأساسية الحالية والمستقبلية).

2. توربين رياح ذو محور رأسي - من نوع داريو

المزايا: يمكنها التقاط الرياح من أي اتجاه دون الحاجة إلى نظام توجيه. يمكن وضع المولد والمعدات الأخرى على الأرض لسهولة الصيانة، كما أن مستوى الضوضاء أثناء التشغيل منخفض نسبيًا.

العيوب: كفاءتها الإجمالية أقل من كفاءة المروحة ذات المحور الأفقي، وعادةً لا تبدأ التشغيل تلقائيًا. وعندما يزداد حجمها، يزداد الضغط الهيكلي، وتقلّ فرص تسويقها.

التطبيقات الرئيسية: توليد الطاقة الموزعة على نطاق صغير، وطاقة الرياح المدمجة في المباني، والمشاريع التجريبية، والبيئات الخاصة.

3. توربينات الرياح ذات المحور الرأسي - من نوع سافونيوس

المزايا: عزم دوران بدء تشغيل عالٍ، القدرة على البدء حتى في ظل سرعة رياح منخفضة وتدفق مضطرب، هيكل بسيط ومتين للغاية، تكاليف تصنيع وصيانة منخفضة.

العيوب: كفاءة تحويل طاقة الرياح منخفضة للغاية (عادة أقل من 20٪)، والسرعة بطيئة.

التطبيقات الرئيسية: أجهزة الشحن الصغيرة، وأجهزة التهوية، وأجهزة قياس سرعة الرياح، وغيرها من سيناريوهات الطاقة المنخفضة.

باختصار، تهيمن توربينات الرياح ذات المحور الأفقي ثلاثية الشفرات على سوق طاقة الرياح العالمي بفضل كفاءتها العالية وسلسلة صناعتها المتطورة. أما توربينات الرياح ذات المحور الرأسي، وخاصةً من نوع داريو، فقد خضعت لبحوث ودراسات مستمرة في تطبيقات موزعة ومصغرة وخاصة، وذلك لما تتمتع به من مزايا فريدة، وتُعدّ إضافةً مهمةً لتطوير تكنولوجيا طاقة الرياح المتنوعة.