ما هو الأكثر كفاءة، توربينات الرياح ذات المحور الرأسي أم المحور الأفقي؟

في الوقت الحاضر، كفاءة توربينات الرياح ذات المحور الأفقي ذات الشفرات الثلاث أعلى بكثير من كفاءة توربينات الرياح ذات المحور الرأسي.

تُعدّ فجوة الكفاءة هذه جوهرية. المؤشر الرئيسي لقياس الكفاءة هو "معامل استخدام طاقة الرياح"، الذي يُمثل كمية الطاقة التي يُمكن لتوربين الرياح التقاطها من الرياح. يُمكن لمراوح المحور الأفقي الحديثة واسعة النطاق تحقيق كفاءة تتراوح بين 45% و50%، وهي قريبة من الحد النظري (59.3%، المعروف بحد بيز). في المقابل، تكون كفاءة مراوح المحور الرأسي أقل بكثير، وعادةً ما تتراوح بين 15% و40% فقط، وذلك حسب نوع تصميمها.

لماذا كفاءة المراوح ذات المحور الأفقي عالية جدًا؟

يرجع هذا بشكل أساسي إلى مبدأ عمله:

تقطع جميع الشفرات الرياح في آنٍ واحد بزاوية مثالية: صُممت شفرات مروحة المحور الأفقي لتشبه أجنحة الطائرة (الجناح الانسيابي). عندما تهب الرياح، تُولّد قوة رفع هائلة، وهي القوة الدافعة الرئيسية لدوران الشفرات. ونظرًا لأن الشفرات تدور دائمًا في نفس الاتجاه، فإن معظم الشفرة بأكملها قادرة على التقاط طاقة الرياح بشكل مستمر وفعال.

سرعة عالية: يمكن للمراوح ذات المحور الأفقي تحقيق سرعات عالية جدًا، مما يجعلها فعالة جدًا في تشغيل المولد لتوليد الكهرباء.

لماذا تكون كفاءة المراوح ذات المحور الرأسي أقل؟

يختلف أسلوب عمل مراوح المحور الرأسي (التي تشير بشكل أساسي إلى "نوع داريو" الذي يشبه مضرب البيض):

تتحرك الشفرات ذهابًا وإيابًا مع اتجاه الريح: فبينما تدور في مواضع مختلفة، تتغير زاويتها مع اتجاه الريح باستمرار. ولا تتمكن الشفرات من التقاط طاقة الرياح بكفاءة إلا عند زوايا محددة؛ أما في مواضع أخرى (مثل الدوران إلى الجانب المواجه للريح)، فستولد الشفرات مقاومة. هذه الخاصية المتمثلة في "التنافس مع الذات" تحد من كفاءتها بشكل كبير.

أداء بدء التشغيل ضعيف: لا يمكن للعديد من مراوح المحور الرأسي البدء تلقائيًا وتتطلب بعض المساعدة الخارجية.

على الرغم من وجود فجوة كبيرة في الكفاءة، إلا أن مراوح المحور الرأسي لا تخلو من مزايا. فهي تتمتع بمجموعة من الميزات الفريدة التي تجعلها لا غنى عنها في بعض الحالات المحددة.

مميزات وعيوب مراوح المحور الأفقي:

المزايا:

المزايا الأساسية: كفاءة عالية للغاية وأفضل جدوى اقتصادية لتوليد الطاقة على نطاق واسع.

العيوب:

ضرورة التوافق مع اتجاه الريح: يجب تجهيز "نظام انحراف" معقد لضبط المقصورة باستمرار لتتوافق مع اتجاه الريح، تمامًا مثل علامة اتجاه الريح.

البنية المعقدة وتكاليف الصيانة المرتفعة: يتم تركيب المولدات وعلب التروس الثقيلة في أعلى الأبراج التي يبلغ ارتفاعها عشرات أو حتى مئات الأمتار، مما يجعل الصيانة والإصلاح صعبة ومكلفة للغاية.

ضوضاء عالية: سوف ينتج طرف الشفرة الدوارة عالية السرعة الكثير من الضوضاء.

متطلبات عالية لبيئة التثبيت: هناك حاجة إلى ظروف رياح مستقرة وسلسة، والتي قد لا تعمل بشكل جيد في المدن ذات الرياح المضطربة والمضطربة.

مميزات وعيوب مراوح المحور الرأسي:

المزايا:

لا حاجة للرياح: يمكن للرياح من أي اتجاه أن تجعلها تدور، مما يزيل الحاجة إلى نظام الانحراف.

هيكل بسيط وسهولة الصيانة: يتم تثبيت المعدات الرئيسية مثل المولد وعلبة التروس على الأرض السفلية، ولا يحتاج أفراد الصيانة إلى الصعود إلى أعلى، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الصيانة.

انخفاض الضوضاء: عادة ما تكون السرعة أبطأ والتشغيل أكثر هدوءًا.

التكيف مع ظروف الرياح المعقدة: فهو مناسب جدًا للبيئات الحضرية ذات اتجاهات الرياح المتغيرة والاضطرابات، ويمكن تركيبه على أسطح المنازل.

سرعة الرياح المنخفضة عند بدء التشغيل: يمكن لبعض الأنواع (مثل النوع S) أن تبدأ في نسيم لطيف.

العيوب:

العيب الأساسي: انخفاض الكفاءة.

هناك خطر هيكلي: تتعرض بعض التصميمات لضغط كبير في جذر الشفرات أثناء الدوران بسرعة عالية، مما قد يؤدي بسهولة إلى حدوث مشاكل.

والخلاصة النهائية هي:

إذا كنت ترغب في بناء مزرعة رياح كبيرة والسعي إلى تعظيم إنتاج الطاقة وتحقيق منافع اقتصادية، فإن توربينات الرياح ذات المحور الأفقي "عالية الكفاءة" هي الخيار السائد الوحيد. ولهذا السبب، فإن جميع طواحين الهواء التي نراها تقريبًا مزودة بمحاور أفقية.

ولكن إذا كنت بحاجة إلى مولد "ليس صعب الإرضاء، وسهل الخدمة" للسيناريوهات الموزعة، مثل توفير الطاقة لأعمدة الإنارة في الشوارع والمباني ومحطات القاعدة البعيدة، وخاصة في المدن ذات اتجاهات الرياح غير المستقرة، فقد تكون المروحة ذات المحور الرأسي "منخفضة الكفاءة ولكنها قوية ومتينة" في الواقع خيارًا أكثر ملاءمة.

باختصار، يُمثل المحور الأفقي "الطلاب المتفوقين" الذين يسعون إلى الأداء والتوسع، بينما يُمثل المحور الرأسي "الطلاب الموهوبين" الذين يتكيفون مع بيئات محددة. من حيث الكفاءة البحتة، تتفوق مراوح المحور الأفقي في الأداء.