دوامة توربينات الرياح بدون شفرة: طاقة الرياح

 دوامة توربينات الرياح بدون شفرة , أصبحت طاقة الرياح شائعة بشكل متزايد الآن بعد أن أصبح لدينا التكنولوجيا اللازمة لحصاد الكهرباء بكفاءة من طاقة الرياح. طاقة الرياح هي مورد طاقة قيم متجدد ويقلل من اعتمادنا على موارد الطاقة غير المتجددة مثل الوقود الأحفوري. وهذا أمر بالغ الأهمية نظرا لوجود اتجاه متزايد من موارد الطاقة غير المتجددة إلى موارد الطاقة المتجددة. كانت طاقة الرياح جزءا كبيرا من تسهيل هذا الاتجاه.

طاقة الرياح

تماما مثل الموارد المتجددة الأخرى ، يمكن استخدام طاقة الرياح بشكل لا نهائي دون خوف من نفادها. انها صديقة للبيئة تماما. تستخدم توربينات الرياح لتوليد الكهرباء من الرياح. تحول الرياح التوربينات المرتبطة بمولد كهربائي وأخيرا مولد يغطي تلك الطاقة الميكانيكية من التوربينات إلى كهرباء.

منذ بداية طاقة الرياح واستخدام توربينات الرياح لإنتاج الكهرباء ، استخدمنا توربينات الرياح ذات الشفرات التي تدور بمجرد مرور الرياح من خلالها. وقد أدى التطور الأخير في هذا القطاع إلى تطوير توربينات الرياح بدون شفرات.

دوامة بلا شفرة

دوامة بلا شفرات هي شركة بدأت في تطوير توربينات الرياح دون استخدام الشفرات والتروس والأعمدة. التوربينات في "توربينات دوامة بلا شفرات" هي في الواقع تسمية خاطئة لأن الدوامة بدون شفرة لا تدور ، ولكن للبساطة يطلق عليها توربينات بدون شفرة.

يعتمد تصميم ومبدأ دوامة بدون شفرة على ظواهر المقاومات المرنة الهوائية التي تسخر طاقة دوامات فون كارمان. وتسمى هذه العملية سفك الدوامة. هذا يسمح للجهاز أن يكون قادرا على التذبذب عند الحد الأدنى من سرعة الرياح بدون مواد التشحيم. في نهاية المطاف ، يسمح هذا بتوليد الكهرباء بشكل أكثر كفاءة من خلال نظام المولد.

هيكل وتصميم توربينات الرياح بدون شفرة

تم تصميم الأسطوانة من الخارج لتكون صلبة وتهتز أثناء تثبيتها على القضيب السفلي. قمة الأسطوانة غير مقيدة مما يسمح لها بالتذبذب عند أقصى سعة. تم بناء الهيكل باستخدام الراتنجات المعززة بألياف الكربون أو الزجاج. هذه المواد مشابهة لتلك المستخدمة في شفرات توربينات الرياح التقليدية كذلك.

يدعم الجزء العلوي من القضيب الكتلة بأكملها بينما يتم تثبيت الجزء السفلي من القضيب على الأرض. وهي مبنية من البوليمر المقوى بالكربون الذي يوفر لها مقاومة ممتازة للتعب والحد الأدنى من فقدان الطاقة في المناطق المحيطة أثناء تذبذبها. تصميم هذه التوربينات بدون شفرة فريد من نوعه ويختلف عن توربينات الرياح التقليدية. بدلا من البرج أو النخالة أو الشفرات ؛ يتكون الجهاز فقط من سارية مصنوعة من مواد خفيفة الوزن فوق قاعدة. هذا يتجنب حفر وبناء أساس أعمق أو استخدام المزيد من المواد الخام.

كيف تعمل توربينات الرياح بدون شفرة؟

تلتقط توربينات الرياح بدون شفرة الطاقة من رنين غناء الرياح (يهتز لتوليد الطاقة). يتم إنتاج هذا من خلال التأثير الديناميكي الهوائي المسمى تساقط الدوامة. تمر الرياح عبر جسم حاد ، ويتم تعديل التدفق ويمكن أن يولد نمطا دوريا من الدوامات. بمجرد أن يكون تردد هذه القوى مشابها أو قريبا من التردد الهيكلي للجسم ، فإن الجسم سوف يتأرجح (يهتز بطريقة محددة) ويدخل في رنين مع الرياح. ويشار إلى ذلك باسم الاهتزاز الناجم عن الدوامة (VIV).

تستخدم ظواهر  الاهتزاز الناجم عن الدوامة في الهندسة المعمارية وهندسة الطيران ويتم استخدام إمكاناتها بعناية في هذه التوربينات لالتقاط الطاقة.

تم تصميم هندسة الصاري بطريقة تحقق أقصى قدر من الأداء بمتوسط سرعات الرياح. وهو شديد التكيف مع التغير في اتجاه الرياح وتدفقات الهواء المضطربة التي تشاهد عادة في المناطق الحضرية.

اضطراب تيار الرياح في اتجاه المصب هو السبب في أننا قد نحتاج إلى تركيب توربينات الرياح العادية بعيدا عن بعضها البعض. هذا ليس هو الحال بالنسبة لتوربينات الرياح بدون شفرة حيث يتم تجنب "تأثير الاستيقاظ". تعمل الأجهزة بشكل أفضل بكثير عندما تكون قريبة من بعضها البعض وفي اتساق مع بعضها البعض.

المولد

يولد الجهاز الكهرباء من خلال نظام مولد كهربائي ، يتكون من ملف ومغناطيس مدمج بطريقة لا تتطلب أي تروس أو أعمدة أو أجزاء دوارة. يمكن اعتباره حتى "توربينات الرياح الصغيرة". الطريقة التي تستخدمها بها توربينات دوامة بلا شفرات هذه مبتكرة للغاية لأنها تسمح بتقليل الصيانة والحاجة إلى التشحيم.

دوامة سفك

ذهب ثيودور فون كارمان ، وهو رجل طيران لامع ، نزل 1911 لأول مرة لوصف وصياغة تأثير شارع الدوامة المعروف أيضا باسم سفك دوامة. يتم إنتاج التأثير من خلال قوة جانبية للرياح على جسم مغمور في نمط تدفق صفحي. يساعد تدفق الرياح على توليد نمط دوري من الدوامات التي قد تصبح تحديا هندسيا للهياكل النحيلة.

الفكرة وراء توربينات الدوامة هي أنه يمكن استخدام قوى الرياح هذه لإنتاج الطاقة. عندما تتطابق دوامات الرياح مع تردد الجهاز ، يتم إنشاء رنين داخل الهيكل مما يسبب التذبذب بحيث يمكن لتوربينات الرياح بدون شفرة تسخير الطاقة من تلك الحركة كما يفعل المولد العادي.

يتم استخدام تأثير سفك الدوامة باستمرار في الحياة اليومية ؛ قد تصادف أمثلة مختلفة تتعلق بهذا. وتشمل هذه الظواهر مثل قانون الرهان ، ومناطق الاضطرابات ، وتدرجات الرياح ، والديناميكا الهوائية للأجسام المحدودة.

مزايا توربينات دوامة بدون شفرة

صديقة للبيئة

تعتبر هذه التوربينات بديلا أكثر اخضرارا لطاقة الرياح. على الرغم من أنه يجب إجراء المزيد من الأبحاث لمواصلة تقييم البصمة الكربونية التي قد تكون لها على هذا الكوكب ، إلا أنها لا تزال تبدو مفيدة للغاية من وجهة نظر بيئية. من الممكن جدا وضعه فوق سطح أو منزل ؛ يمكن أن تعمل على الشبكة أو حتى خارج الشبكة بالاشتراك مع الطاقة الشمسية.

الأثر البيئي

يتطلب الحد الأدنى من المواد الخام ، بسبب تصميمه وخفة وزنه. يقال إن التوربينات بدون شفرة الدوامة أخف وزنا بنسبة 80٪ من التوربينات التقليدية. كما أن عملية التصنيع أقل تعقيدا نسبيا.

ليست هناك حاجة إلى مواد التشحيم نظرا لكونها بدون شفرة أيضا. صيانة توربينات الرياح العادية هي الكثير بسبب المواد الخام وتصميم الهيكل. ومع ذلك ، ليس هذا هو الحال عندما يتعلق الأمر بالتوربينات بدون شفرة. مع المعايرة والرسو المناسبين ، يعتقد أيضا أن التوربينات بدون شفرة دوامة خالية من الضوضاء تماما.

تأثير الحياة البرية

التأثير على الحياة البرية وخاصة على الطيور أصغر بكثير مع التوربينات بدون شفرة. ويرجع ذلك إلى تصميمها الذي يسمح بالحد الأدنى من التذبذب ويكون أقل عدوانية من توربينات الرياح التقليدية. وبالتالي ، فإن هذا لن يؤثر على الحياة البرية ويسمح للطيور والخفافيش بتجنبها بسهولة أثناء الطيران.

فعالة من حيث التكلفة

ترتبط توربينات الدوامة بتكاليف أقل. سيسمح ذلك للمستهلكين بالاستفادة من عائد أسرع على استثماراتهم. وهذا يجعل هذا الجهاز تنافسيا للغاية ، ليس فقط ضد موارد الطاقة المتجددة الأخرى ولكن التقنيات التقليدية أيضا.

يحدث هذا الانخفاض في التكلفة بسبب التصميم الذكي والاستخدام الممتاز للمواد. ليست هناك حاجة إلى باسنة أو هياكل الدعم أو الشفرات التي هي مكونات مكلفة للغاية في توربينات الرياح العادية. يسمح الوزن الخفيف للهيكل ومركز الثقل الأقرب إلى الأرض بسهولة التركيب والثبات في الأرض.

عمر

تحتاج التصميمات الحالية لتوربينات الرياح إلى أن تكون قادرة على تحمل أنواع مختلفة من مستويات الحمل ، تحت سرعات الرياح المختلفة ، والتي تضع متطلبات قوة ميكانيكية عالية على مكونات التوربينات. تخضع الأجزاء المتحركة المتعددة من التوربينات التقليدية للتآكل المستمر ، مما يتطلب تزييتا وصيانة عالية لإنتاج الكهرباء الكافية بكفاءة.

هذا ليس هو الحال مع شفرة أقل لأنها تقضي على استخدام العناصر المتحركة الميكانيكية التي تعاني من الاحتكاك. وهذا يعني أنها سيكون لها متانة أفضل ومتوسط العمر المتوقع مما يجعلها أرخص على المدى الطويل. يسمح استخدام قضيب من ألياف الكربون للمادة بالخضوع لتشوه منخفض للغاية تحت الضغط ، مما يمنع الفشل الميكانيكي للجهاز ويحسن العمر الافتراضي.

القدرة على التوليد

تجتاح دوامة حاليا 30٪ فقط من مساحة عمل توربينات الرياح التقليدية المكونة من 3 شفرات ذات الارتفاع المماثل. ونتيجة لذلك ، يسمح هذا بتركيب المزيد من التوربينات بدون شفرة في نفس المنطقة حيث قد لا يكون هناك العديد من توربينات الرياح العادية المثبتة. هذا يوفر تعويضا عن كفاءة مولد الطاقة.

التكيف مع الظروف

يمكن للتوربينات بدون شفرة دوامة التكيف بسرعة مع التغيرات في اتجاه الرياح وشدتها بغض النظر عن الاضطراب ، مما يجعلها مثالية للبيئات الحضرية.

تحتاج توربينات الرياح التقليدية إلى نظام توجيه لتقييم تدفق الرياح. هذا ليس هو الحال مع التوربينات بدون شفرة بسبب مقطعها العرضي الدائري ، مما يسمح لها بأن تكون أكثر جدوى في المناطق الحضرية ذات تدفقات المناطق المضطربة. حتى لو تم تثبيتها عن كثب مع بعضها البعض.

الاختلافات بين توربينات الرياح التقليدية وبدون شفرة

الاختلافات بين توربينات الرياح التقليدية وبدون شفرة

دوامة توربينات الرياح بدون شفرة توربينات الرياح التقليدية / العادية

بدون شفرة يتكون من شفرات

لا حاجة للناسيلات أو التروس أو العمود يحتوي على الكرات والتروس والعمود

أخف وزنا بنسبة 80٪ من التوربينات العادية أثقل من التوربينات عديمة الشفرة

لا يتطلب تزييت يتطلب تزييت بسبب تآكل الأجزاء المتحركة

صيانة منخفضة صيانة عالية

يجتاح مساحة أقل من الرياح (30٪ أقل من التوربينات التقليدية) يجتاح مساحة أكبر من الرياح - أكثر كفاءة في استخدام الطاقة

أكثر فعالية من حيث التكلفة أقل فعالية نسبيا من حيث التكلفة

يمكن تركيب المزيد في منطقة أصغر يتطلب التباعد؛ عدد أقل من التوربينات لكل وحدة مساحة

يمكن أن تتحمل تدفق الرياح المضطربة القضايا المتعلقة بتدفق الرياح المضطربة

ضوضاء أقل يخلق بعض الضوضاء عند دوران الشفرات

أكثر ملاءمة للبيئة أقل ملاءمة للبيئة

غير ضار للطيور شفرات ضارة بالطيور