جنرال لواء

السبب العلمي لماذا تمتلك توربينات الرياح 3 ريش


ظل البشر يستخدمون طاقة الرياح لعدة قرون. من المراكب الشراعية إلى طواحين الهواء ، كانت الرياح مصدرًا مهمًا للطاقة عبر تاريخ البشرية.

في السنوات الأخيرة ، اكتسبت طاقة الرياح شعبية أكبر كبديل فعال ومستدام للوقود الأحفوري. بدأت مزارع الرياح في تحديد الخطوط الساحلية وقمم الجبال في جميع أنحاء العالم ، وربما لاحظت الآن تصميمها المميز.

فلماذا تحتوي توربينات الرياح على ثلاث شفرات ، في مقابل عدد أقل أو أكثر؟ تكمن الإجابة في الهندسة الكامنة وراء طاقة الرياح ، وكيفية تعظيم عوائد الطاقة. من أجل إنتاج أكبر قدر من الكهرباء بكفاءة ، هناك الكثير مما يجب أخذه في الاعتبار.

كيف تعمل توربينات الرياح؟: تاريخ طاقة الرياح والعلوم وراءها

توربينات الرياح المولدة للكهرباء أقدم مما قد يعتقده البعض. تم اختراع أول توربين من هذا القبيل في عام 1888 ، بواسطة Charles F. كان يحتوي على 144 شفرة خشبية رائعة ، ويمكن أن يولد 12 كيلوواط من الطاقة.

حتى منتصف الثلاثينيات من القرن الماضي ، كانت العديد من المساكن الريفية في أمريكا تعتمد على طاقة الرياح كمصدر وحيد للكهرباء. كانت التوربينات وسيلة سهلة الوصول وفعالة من حيث التكلفة لتشغيل المواقع البعيدة التي لم تكن تخدمها خطوط الكهرباء الرئيسية.

بعد توسع خطوط الكهرباء في جميع أنحاء الولايات المتحدة ، تلاشت توربينات الرياح الريفية فعليًا وأصبحت طاقة الرياح شيئًا من الماضي. في العقود الأخيرة فقط ظهر الاهتمام مجددًا بطاقة الرياح كبديل رخيص لأشكال أخرى من إنتاج الطاقة.

إن المبادئ الكامنة وراء إنتاج طاقة الرياح بسيطة اليوم كما كانت في القرن التاسع عشر. الرياح هي ببساطة هواء متحرك ، وحيث توجد حركة توجد طاقة حركية.

تم تصميم توربينات الرياح لتشكل عقبة أمام تلك الطاقة الحركية ، مما يؤدي إلى إبطائها وتحويلها إلى طاقة كهربائية. وتأتي هذه العقبة على شكل شفرات التوربينات المصممة خصيصًا لإنتاج أكبر قدر من الطاقة.

ومع ذلك ، فإن تصميم واستخدام شفرات التوربينات هو علم دقيق ، ويعتمد على عدد من العوامل مثل الديناميكا الهوائية ومقاومة الهواء.

تصميم شفرات التوربينات: السرعة والديناميكا الهوائية وسرعة الصوت

هناك عدد من العوامل التي تلعب دورًا عند تصميم شفرات لتوربينات الرياح. ربما يكون العامل الأكثر أهمية هو الديناميكا الهوائية.

تشير الديناميكا الهوائية إلى خصائص الجسم الصلب ويتفاعل الهواء المحيط به. مع وضع ذلك في الاعتبار ، تم تصميم شفرات توربينات الرياح بشكل يشبه إلى حد كبير أجنحة الطائرة.

الجزء الخلفي من الشفرة منحني أكثر من المقدمة ، بنفس الطريقة التي ينحني بها جناح الطائرة لأعلى في النهاية. يتسبب هذا الشكل المتنوع في اختلاف الضغط عندما يتحرك الهواء عبر الشفرة ، وهو ما يتسبب في تحرك الشفرات.

بسبب انسداد النصل ، يتحرك الهواء خلف الشفرة بسرعة أكبر من التي أمامه. هذا هو ما يحدد دوران الشفرات في الحركة ، ويبدأ عملية توليد الكهرباء.

ومع ذلك ، لا يكفي أن تحرك الريش الريش. يجب على المهندسين مراعاة السرعة والسحب في تصميم الشفرات لضمان أعلى مستوى من الكفاءة.

على سبيل المثال ، إذا تم إنشاء قدر كبير جدًا من السحب بسبب إعاقة الشفرات ، فسيكون إنتاج الطاقة أقل كثيرًا. إذا لم يتم إنشاء سحب كافٍ ، فقد تتحرك الشفرات بسرعة كبيرة ، مما يؤدي إلى كسر حاجز الصوت.

واحدة من أكبر فوائد توربينات الرياح هي كيف تعمل بهدوء. إذا قاموا بكسر حاجز الصوت ، فقد يجعل ذلك السكان بالقرب من مزارع الرياح المقترحة أكثر عرضة لمعارضة تنفيذ التوربينات.

اختيار العدد المثالي للشفرات

بشكل عام ، تعمل معظم توربينات الرياح بثلاث شفرات بشكل قياسي. كان قرار تصميم توربينات بثلاث شفرات في الواقع بمثابة حل وسط.

بسبب انخفاض السحب ، ستكون الشفرة الواحدة هي الرقم الأمثل عندما يتعلق الأمر بإنتاجية الطاقة. ومع ذلك ، يمكن أن تتسبب شفرة واحدة في عدم توازن التوربين ، وهذا ليس خيارًا عمليًا لاستقرار التوربين.

وبالمثل ، ستوفر نصلتان إنتاجية طاقة أكبر من ثلاثة ، لكنهما سيكون لهما مشكلات خاصة بهما. تعتبر توربينات الرياح ثنائية الشفرات أكثر عرضة لظاهرة تُعرف باسم الاستباقية الجيروسكوبية ، مما يؤدي إلى التذبذب. وبطبيعة الحال ، قد يؤدي هذا التذبذب إلى مزيد من مشكلات استقرار التوربين ككل. سيؤدي ذلك أيضًا إلى الضغط على الأجزاء المكونة للتوربين ، مما يؤدي إلى تآكلها بمرور الوقت وتصبح أقل فاعلية بشكل ثابت.

أي عدد من الشفرات أكبر من ثلاثة سيخلق مقاومة أكبر للرياح ، مما يؤدي إلى إبطاء توليد الكهرباء وبالتالي تصبح أقل كفاءة من التوربينات ثلاثية الشفرات.

لهذه الأسباب ، فإن التوربينات المصممة بثلاث شفرات هي الحل الوسط المثالي بين إنتاجية عالية من الطاقة وزيادة استقرار ومتانة التوربين نفسه.

مستقبل توربينات الرياح: ألا يمكن أن تكون الشفرات أفضل من ثلاثة؟

على الرغم من حقيقة أن التوربينات ثلاثية الشفرات أصبحت النموذج القياسي لإنتاج الطاقة النظيفة في السنوات الأخيرة ، فإن هذا لا يعني أنها ستظل كذلك دائمًا. لا يزال المهندسون يعملون على تصميمات أفضل وأكثر كفاءة لجهود توليد الطاقة في المستقبل.

أحد أشهر التصاميم المقترحة هو التوربينات الخالية من الشفرات. على الرغم من أن هذا قد يبدو مناقضًا للمقاومة اللازمة لتحويل طاقة الرياح إلى كهرباء ، إلا أن هناك بالفعل عددًا من الفوائد لإنشاء توربين بدون شفرات.

فائدة واحدة هي التكلفة والصيانة. يتم وضع التوربينات الحالية تحت ضغط كبير أثناء تشغيلها. يمكنهم أداء ما يصل إلى عشرين دورة في الدقيقة والوصول إلى سرعات تصل إلى 180 ميل في الساعة (289 كم / ساعة) مما ينتج عنه قوة هائلة. بالإضافة إلى التآكل الذي يعانون منه في ظل الظروف الجوية القاسية في الخارج ، من السهل فهم سبب تدهور جودة شفرات التوربينات بشكل كبير بمرور الوقت.

قامت شركات مثل Vortex Bladeless بإنشاء نماذج أولية من التوربينات الخالية من الشفرات والتي تستخدم في الواقع الحركة الجيروسكوبية لتوليد طاقة الرياح. يمكن أن يكلف إنتاج تصميمها ما يصل إلى 50٪ أقل من التوربينات التقليدية ، ولن يتدهور كثيرًا بمرور الوقت.

في حين أن التوربينات ثلاثية الشفرات هي بالتأكيد الحل الأكثر فعالية في الوقت الحالي ، فقد لا يكون هذا هو الحال دائمًا. حتى تصبح التوربينات الخالية من الشفرات هي المعيار ، لدينا كفاءة التوربينات ثلاثية الشفرات التي نشكرها على الغالبية العظمى من إنتاج طاقة الرياح لدينا.


شاهد الفيديو: كيف يتم رفع توربينات الرياح العملاقة جدا لن تصدق حجمها.!! (كانون الثاني 2022).