عنفة رياح

عنفة الرياح  جهاز يحول طاقة الرياح إلى حركة منحنية، ثم تزود إما بمولد كهرباء، أو لتشغيل الآلات مباشرة، لأغراض مثل طحن الحبوب أو ضخ المياه (طالع طاحونة هوائية ومضخة هوائية).
تطورت هذه الفكرة لأكثر من الف عام ،في هذه الايام يتم تصنيع عنفات الهواء بشكل واسع وبأنواع مختلفة من التوربنات العمودية والافقية المحور. العنفات الصغيرة تستخدم لتطبيقات مثل شحن البطاريات أو كطاقة احتياطية أو لإبحار القوارب الصغيرة. أما الشبكات الكبيرة ممن العنفات المتصلة أصبحت مصدر كبير لإنتاج الطاقة التي تخدم المباني التجارية.
فأكبر عنفات الرياح يمكن أن تولد ما يصل إلى قوة 6 ميجاوات (بلمقارنة بالوقود الأحفوري يولد ما بين 500 و 1300 ميجاوات، ومع تزايد القلق حول المشاكل البيئية وأهمها الاحتباس الحراري حيث تقترب نسب الوقود الأحفوري في النضوب فتعتبر الطاقة الريحية ذات اهتمام عالي باعتبارها مصدرا للطاقة المتجدده والغير ملوثة للبيئة، وهو يشكل صورة أكثر فائدة في توفير ما يكفي من الطاقة لمناطق عديدة من العالم.
أحد المجالات التي أصبحت ذات شعبية في جميع أنحاء الغرب الأوسط للولايات المتحدة نظرا لكميات كبيرة من الرياح فالعنفات أصبحت مفيدة جدا.
العنفات الريحية هو جهاز دوارة يستخرج الطاقة من الرياح. إذ تم استخدام الطاقة الميكانيكية مباشرة عن طريق الآلات، لإعادة ضخ المياه مثلا، وقطع الخشب أو طحن الحجارة، والآلة تسمى طاحونة هواء. إذا كان يتم تحويل الطاقة الميكانيكية بدلا من الكهرباء، ويسمى الجهاز مولد الرياح، وعنفات الرياح، ومولد العنفات طاقة الرياح(WTG)، وحدة طاقة الرياح (WPU)، ومحول طاقة الرياح (مجلس الطاقة العالمي).

طريقة عملها

المكونات الرئيسية لعنفة الرياح أو عنفة الرياح هي مروحة ذات 3 شفرات محملة على عامود أو برج عالي ، و مولد كهربائي يعمل على تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية . فعندما تمر الرياح على الشفرات تجعل المروحة تدور ، وهذا الدوران يدير المولد الكهربائي ، وبذلك تتحول طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية. تصميم الشفرات مصمم للاستفادة أكبر استفادة من الريح .
تعتمد كمية الطاقة الكهربائية المنتجة من عنفة الرياح على سرعة الرياح وتصميم الشفرات؛ لذلك تنشأ عنفات الرياح التي تستخدم كهربائها لتشغيل المصانع أو للإنارة فوق أبراج؛ لأن سرعة الرياح تزداد مع الارتفاع عن سطح الأرض. ويتم إنشاء تلك العنفات بأعداد كبيرة على مساحات واسعة من الأرض لإنتاج كمية أكبر من الكهرباء لتغذية عدد كبير من المنازل والمصانع بالكهرباء.

حقول كبيرة

تنتشر حقول كبيرة لإنتاج الطاقة الكهربائية بواسطة عنفات الريح حول العالم في بلاد مثل الدانمارك الولايات المتحدة الأمريكية و ألمانيا ، و أسبانيا و الصين و الهند . كما تزمع تلك الدول ودول أخرى بإنشاء حقول بحرية .
تنتج الولايات المتحدة وحدها سنويًّا حولي 3 مليار كيلو وات في الساعة (تلك الكمية تكفي لسد احتياجات مليون شخص من الكهرباء)، وذلك من حقول الرياح الموجود معظمها في كاليفورنيا، عادة يتم تخزين الكهرباء الزائدة عن الاستخدام في بطاريات، ولأن هناك بعض الأوقات التي تقل فيها سرعة الرياح، مما يصعب معه إنتاج الطاقة الكهربية، فإن مستخدمي طاقة الرياح يجب أن يكون لديهم مولدًا احتياطيًّا يعمل بالديزل أو بالطاقة الشمسية لاستخدامه في تلك الأوقات. المكان الأفضل لوضع العنفات (عمل حقل رياح) يجب ألا يقل متوسط سرعة الرياح فيه سنويًّا عن 12 ميل في الساعة.
وغير إنتاج الطاقة الكهربية فإن عنفات الرياح يمكنها إنتاج طاقة ميكانيكية تستخدم في عدد كبير من التطبيقات، مثل ضخ المياه، الري، تجفيف الحبوب وتسخين المياه.

عنفة أحادية الشفرة

وهي العنفات ذات الشفرة الواحدة

عنفة ثنائية الشفرات

وهي العنفات ذات الشفرتين

عنفة ثلاثية الشفرات

وهي العنفات بثلاث شفرات

العنفات العمودية

يعتمد هذا التصميم على توجيه محور الدوران بشكل عمودي على الأرض، بحيث تدور ريش العنفة حول هذا المحور. يهدف هذا التصميم إلى إعادة تموضع علبة السرعة والمولد عند قاعدة برج العنفة مما يسهل من عمليات الصيانة والتوصيلات. بالإضافة أن هذا التصميم يلغي الانحناءات. لكن يتعرض هذا النوع من العنفات الريحية إلى عزوم إيروديناميكية متغيرة مما يسبب إلى أضرار في الريش ناتج عن التعب بالإضافة إلى الصعوبة في التحكم في التوجيه الإيروديناميكي.

الآثار الإقتصادية

على الرغم من أن أول عنفة ريحية لغرض توليد الطاقة الكهربائية شيدت في اسكتلندا سنة 1887 على يد جيمس بليث، إلا أن استخدام العنفات الريحية لم يتم بشكل موسع حتى سنة 1970 بسبب ضعف كفائتها ومردودها الطاقي. ومنذ ذلك الوقت تسارعت الاستثمارات في حقل الطاقة الريحية ليصل مجموع الاستثمارات العالمي في سنة 2008 إلى 51.8 مليار دولار أمريكي والطاقة العالمية المنتجة وصلت إلى 121 جيجا واط. وقد شيدت معظم محطات الطاقة الريحية في القارة الأوروبية في سنة 2007 لتشكل المحطات الريحية 40% من مجمل مختلف المحطات الطاقية المشيدة. كما شكلت المحطات الريحية 30% من مجمل المحطات المشيدة في الولايات المتحدة الإمريكية في نفس الفترة. في حين شهدت سنة 2010 تزايد العنفات الريحية خارج موطنها التقليدي في أوروبا وأمريكيا، لتشيد الصين نصف المحطات المنشأة عالمياً في هذا العام.

الأنواع

عنفات الرياح يمكن أن تدور حول المحور الافقي أو المحور العمودي, ولكن المذكور أولا هو الأكثر استخداما والأكثر شيوعا من الثاني.. [13]
المحور الأفقي

 
عنفات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT) لديها عمود الدوران الرئيسي والمولدات الكهربائية في الجزء العلوي من البرج، ويجب أن يتوجه إلى مهب الريح. العنفات الصغيرة توضع امام مراوح هوائية بسيطة، في حين أن العنفات الكبيرة عموما تستخدم أجهزة استشعار الرياح بالإضافة إلى استخدام محرك السيرفو. معظمها تحتوي على علبة المسننات، التي تقوم بتحويل الدوران البطئ للشفرات إلى دوران أسرع الامر الذي يجعله أكثر ملائمة لتوليد الطاقة الكهربائية. [14]
بما ان البرج ينتج اضطراب خلفه، يتم عادة وضع العنفات عكس اتجاه الريح للبرج الداعم لها. تصنع شفرات العنفات بحيث تكون صلبة جدا حتى تحول دون اندفاعها في حالات الرياح العنيفة والقوية. وبالإضافة إلى ذلك، يتم وضع شفرات في مسافات كبيرة أمام البرح وفي بعض الأحيان تكون مائلة نحو الرياح بكمية قليلة.
وقد تم بناء آلات توجيه الرياح، على الرغم من مشكلة الاضطراب، لأنها لا تحتاج إلى آلية إضافية لابقائها في اتجاه خط الريح، ولأن في الرياح القوية الشفرات من الممكن ان تنحني وبالتالي تقلل من مساحة الاجتياح وهكذا من مقاومتها للرياح، (تكرار هذه العملية (الاضطراب) قد يؤدي إلى الفشل واجهاد النظام، ومعظم HAWTs تصمم بحيث تكون بعكس اتجاه الرياح.
العنفات المستخدمة في ((wind farms للإنتاج التجاري للطاقة الكهربائية وعادة ما يكون لديها ثلاث شفرات وتوضع باتجه حركة الرياح ويتم التحكم بها عن طريق أجهزة الكمبيوتر، وهذه العنفات لها سرعات عالية أكثر من 320 كم / ساعة (200 ميلا في الساعة)، وكفائتها عالية جدا، شفراتها عادة ما تكون ذات لون رمادي فاتح لكي تنسجم مع الغيوم وتتراوح في طولها 20-40 مترا (66 حتي 130 قدم) أو أكثر. وأنبوبي مجموعة الأبراج الفولاذية 60 حتي 90 مترا (200 إلى 300 قدم) طويلة القامة. وتناوب الشفرات بالدوران يكون 10 حتي 22 دورة في الدقيقة. في 22 دورات في الدقيقة سرعة الرأس يتجاوز 90 مترا في الثانية الواحدة (300 قدم / ثانية). [15] [16] ومن الشائع استخدام صندوق المسننات حتى يقوم بزيادة سرعة المولد على الرغم من التصاميم ويمكن أيضا استخدام محرك مباشرة من حلقي المولد. بعض النماذج تعمل على سرعة ثابتة، ولكن يمكن جمع المزيد من الطاقة من قبل عنفات متغيرة السرعة. وقد تم تجهيز كافة العنفات مع ملامح وقائية لتلافي وقوع ضرر على سرعات الرياح العالية، وذلك بوضع فرامل على الشفرات في حالات الرياح القوية تقوم هذه الفرامل بالتحكم بسرعة الشفرات.
تصميم المحور العمودي
عنفات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs) لديها محور دوران عمودي مرتبة عموديا.المزايا الرئيسية لهذا الترتيب هي أن العنفات ليست في حاجة إلى ان تكون باتجاه الرياح حتى تكون فعالة. هذه الميزة ملائمة جدا في المناطق التي تكون فيها الراح متقلبة بشكل كبير، على سبيل المثال عنداندماج المباني مع بعضها. العيوب الرئيسية تشمل انخفاض سرعة دوران مع عزم دوران يترتب على ذلك ارتفاع التكلفة، وبطبعتها معامل الطاقة لها منخفض، وتناوب 360 درجة للaerofoil في تدفق الرياح خلال كل دورة، وصعوبة وضع نماذج تدفق الرياح بدقة، وبالتالي تحديات تحليل وتصميم الدوار قبل افتعال نموذج أولي. [17]
مع محور عمودي، يمكن وضع المولد وعلبة االمسننات بالقرب من سطح الأرض، باستخدام محرك أقراص مباشرة.عمود الدوران علبة التروس الأرضية، وبالتالي تحسين إمكانية الوصول للصيانة.
عندما يتم تحميل عنفة على سطح أحد المنازل، وبناء الموجهات عموما الرياح فوق السقف وهذا يمكن أن تتضاعف سرعة الرياح في العنفة. إذا كان ارتفاع سقف العنفات ما يقرب من 50٪ من ارتفاع المبنى، وهذا هو القرب الأمثل لطاقة الرياح القصوى والدنيا في اضطراب الرياح. وينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أن سرعة الرياح في البيئة المبنية بشكل عام أقل بكثير من المناطق الريفية حيث انها في مواقع عرضة للخطر بشكل أكبر. [18] [19]
نوع آخر من المحور الرأسي العنفات هو الموازي مماثل لمروحة cross flow))أو مروحة الطرد المركزي يستخدم تأثير الأرض. وقد حاول عنفات المحور الرأسي من هذا النوع لسنوات عديدة: تم بناء وحدة كبيرة تنتج ما يصل إلى 10 كيلوواط ،. [21]
فروع أخرى لتصميم التوربنات ذات المحاور الرأسية تشمل:
Darius عنفات الرياح
كان اسمه عنفة "Eggbeater" أو عنفات Darrieusقام بتصميمه مخترع فرنسي, عنفة Darius لديه كفاءة جيدة، ولكن إنتاجه كبير مما يؤثر على عزم الدوران للعمود وبالتالي يقوم باجهاد البرج ،. كما يتطلب بعضها عموما مصدر طاقة خارجي، لأن عزم الدوران البداية يكون منخفض جدا. يتم تقليل عزم الدوران من خلال استخدام ثلاثة أو أكثر من الشفرات مما يؤدي إلى زيادة صلابة من الدوار. ويتم قياس صلابته من قبل منطقة شفرة مقسوما على منطقة الدوار. أحدث عنفات نوع Darrieus لا تقام من قبل أسلاك غيولكن لديها بنية فوقية خارجية متصلة تحملها كبير.. [23]
Giromill
نوع فرعي من العنفات Darrieus ولكن يكون شفراته مستقيمة، بدلا من الشفرات المنحنية، cycloturbine متغيرللحد من نبض عزم الدوران والاكتفاء الذاتي في البداية [24] مزايا الملعب المتغير هي: ارتفاع عزم الدوران بداية، واسعة، منحنى عزم الدوران ثابتا نسبيا، بسرعة أقل نسبة شفرة؛ أعلى معامل الأداء.، وأكثر كفاءة تشغيل في الرياح العاصفة، وسرعة أقل نسبة شفرة مما يقلل الضغوط الانحناء شفرة. مباشرة، يمكن استخدام V، أو شفرات منحنية. [25]
Savonius عنفات الرياح
هذه السحب من نوع الأجهزة مع المجارف (أو أكثر) 2 التي تستخدم في مقاييس شدة الريح، والمخارج Flettner (ينظرعادة على أسطح المباني الحافلة والشاحنة)، وفي بعض العنفات عالية الموثوقية منخفضة الطاقة ذات الكفاءة. هم دائماالذاتي انطلاق إذا كان هناك على الأقل ثلاث المجارف

عنفات الرياح الصغيرة

ويمكن استخدام عنفات الرياح الصغيرة لمجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك على المساكن أو خارج الشبكة، وأبراجالاتصالات، والمنصات البحرية والمدارس والعيادات الريفية، والرصد عن بعد وغيرها من الأغراض التي تتطلب طاقة التي لا يوجد فيها شبكة الكهرباء، أو التي تكون فيها شبكة غير مستقر. قد عنفات الرياح الصغيرة تكون صغيرة مثل مولد 50 واط لقارب أو قافلة استخدام. وزارة الطاقة الأميركية في المختبر الوطني للطاقة المتجددة (المختبر الوطني) يعرف عنفات الرياح الصغيرة مثل تلك أصغر من أو يساوي 100 كيلو وات. وحدة [32] الصغيرة غالبا ما يكون مولدا تدفع مباشرة، والإنتاج الحالية مباشرة، شفرات aeroelastic،، واستخدام شفرة موجهة إلى الريح.

المسافات بين عنفات الهواء

في المزارع windturbine معظمها يكون بشكل أفقي، والمباعدة بين المولدات حوالي 6-10 متراو يعتمد في كثير من الأحيان قطر الدوار. ومع ذلك، ينبغي لمزارع الرياح ان تكون ذات مساحات كبيرة من نحو 15 بأقطار الدوار تكون أفضل من ناحية اقتصادية، مع الأخذ بعين الاعتبار عنفات الرياح النموذجية وتكلفة الأرض. وقد تم التوصل إلى هذا الاستنتاج من خلال البحث [33] التي أجرتها Meneveau تشارلز من جامعة جونز هوبكنز (34) ويوهان مايرز من جامعة لوفين في بلجيكا، على أساس المحاكاة الحاسوبية [35] أن تأخذ في الاعتبار التفاعلات مفصل بين عنفات الرياح (وكذلك مع كامل المضطربطبقة حدود الغلاف الجوي. وعلاوة على ذلك، الأبحاث الأخيرة التي Dabiri جون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يشير إلى أنه يمكن وضع العنفات الهوائية الرأسية أكثر من ذلك بكثير معا بشكل وثيق طالما نمط بالتناوب يتم إنشاء العنفات المجاورة للتحرك في الاتجاه نفسه لأنها تقترب من بعضها البعض. [36 ]