تصميم عنفة الرياح
حجم العنفة > مواد الشفرة

بشكل عام ، يجب أن تستوفي المواد المعايير التالية:
توافر واسع ومعالجة سهلة لتقليل التكلفة والصيانة
انخفاض الوزن أو الكثافة لتقليل قوى الجاذبية
قوة عالية لتحمل الرياح وتحميل الجاذبية
مقاومة عالية للإجهاد لتحمل التحميل الدوري
صلابة عالية لضمان استقرار الشكل والتوجيه الأمثل للشفرة والتخليص مع البرج
صلابة عالية الكسر
القدرة على تحمل التأثيرات البيئية مثل الصواعق والرطوبة ودرجة الحرارة
طواحين الهواء القديمة كانت تستخدم أشرعة خشبية وقماشية في صنع الشفرات. كانت هذه المواد متوفرة ورخيصة وسهلة التصنيع. وبإمكاننا صنع شفرات أصغر باستخدام مواد خفيفة مثل الألومنيوم. ومع ذلك، فإن هذه المواد تتطلب صيانة متكررة. الشفرات الخشبية والقماشية تجعل الشكل العام للشفرة مسطحًا، وهذا يجعلها تسحب الهواء بكفاءة منخفضة نسبيًا مقارنة بالشفرات الصلبة. أما الشفرات الصلبة فتحتاج إلى مواد غير مرنة مثل المعادن أو المواد المركبة للبناء. وبعض الشفرات تحتوي على موصلات للبرق.
زيادة طول الشفرة في طواحين الهواء يؤدي إلى زيادة إنتاج الطاقة. عندما تكون الشفرة أطول، فإنها تمتد لتغطي مساحة أكبر في الهواء. هذا يسمح بالحصول على سرعة أكبر للهواء على طول الشفرة، وبالتالي زيادة إنتاج الطاقة. يمكن استخدام برامج محسِّنة مثل HyperSizer و التي تستعمل في تصميم مركبات خارج الغلاف الجوي للأرض لتحسين تصميم الشفرة وجعلها أكثر كفاءة في توليد الطاقة. يمكن أن نتخيل ذلك كأننا نضيف قطعة أطول إلى مروحة، حيث تلتقط المروحة كمية أكبر من الهواء وتدفعه لتوليد الطاقة بشكل أفضل.
اعتبارًا من عام 2015 ، بلغ قطر الدوار لريش عنفات الرياح البرية 130 مترًا ،  بينما وصل قطر العنفات البحرية إلى 170 مترًا.  في عام 2001 ، تم استخدام ما يقدر بنحو 50 مليون كيلوغرام من صفائح الألياف الزجاجية في شفرات عنفات الرياح.
السيطرة على وزن الشفرة أمر مهم لأنه يؤثر على كيفية عمل الطاحونة وقدرتها على توليد الطاقة.
في الواقع، يجب أن يكون لدينا توازن بين وزن الشفرة ونصف قطر العنفة. إذا كانت الشفرة ثقيلة جدًا بالنسبة لحجم العنفة، فإن الجاذبية ستؤثر على أداء الطاحونة. قد يكون من الصعب على العنفة أن يتحرك بحرية ويدور بسرعة كافية لتوليد الطاقة المطلوبة.
ر. عندما نتحدث عن أحمال الجاذبية في طواحين الهواء، نعني القوى التي تؤثر على العنفات بسبب وجود وزنها وحركتها. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من أحمال الجاذبية التي تؤثر على العنفات.
الأحمال المحورية هي القوة التي تعمل على الدوران الأفقي للعنفة، مما يعني الدوران حول محورها المركزي. يمكننا أن نتخيل ذلك كأننا نحاول تدوير كرة على عصا من وسطها. القوة التي نشعر بها عندما نحاول تدوير الكرة هي الأحمال المحورية.
أما الشد / الضغط (أعلى / أسفل الدوران) فهي القوة التي تعمل على سطح العنفة من الأعلى والأسفل، وتؤثر على الحركة الرأسية للعنفة. هذا يمكن تصوره كأننا نضغط على رأس عنفة لأسفل أو نشدّها من الأعلى.
أما الانحناء (المواضع الجانبية) فهو القوة التي تعمل على الجوانب الجانبية للعنفة، وتؤثر على الانحناء والاستدارة الجانبية للعنفة.
هذه الأحمال تتغير بشكل دوري مع دوران العنفة، وتتكرر كل 180 درجة من الدوران. وتأتي الرياح وتؤثر على شفرات العنفة حوالي 10^9 دورات في حياة التصميم التقريبية للعنفة التي تبلغ حوالي 20 عامًا
عندما نتحدث عن الرياح وتأثيرها على شفرة العنفة، نرى أن الرياح تسبب أحمال إضافية على الشفرة. هناك نوعان رئيسيان من هذه الأحمال: الرفع والانحناء.
عندما تضرب الرياح الشفرة، تحدث قوة الرفع التي تسبب انحناء الشفرة بعيدًا عن مستوى دورانها المعتاد. يمكننا أن نتخيل ذلك مثل الورقة الورقة الخفيفة التي تحاول أن تطير عندما تهب الهواء عليها بسرعة.
أما تدفق الهواء حول الشفرة فيسبب انحناءًا حادًا في مستوى دوران الشفرة نفسه. هذا يشبه الرياح القوية التي تضرب شجرة وتجعل أغصانها تتحرك بشدة.
عندما تنحني الشفرة، يحدث شد على الجانب المواجه للرياح وضغط على الجانب الآخر. يمكن أن نتخيل ذلك مثل الشد الذي نشعر به عندما نواجه الرياح، والضغط الذي نشعر به عندما نكون في الداخل وراء حائط يحمينا من الرياح.
أحد أنواع الانحناء يسمى "ثني Edgewise" ويحدث عندما يكون هناك شد على الحافة الأمامية للشفرة وضغط على الحافة الخلفية.
عندما نتحدث عن أحمال الرياح، فإننا نقصد القوة التي تسببها الرياح على شفرة العنفة. هذه القوة تختلف بشكل دوري بسبب تغير سرعة الرياح وتوزيعها على طول الشفرة.
عندما يكون لدينا تغير في سرعة الرياح، قد تكون هناك أماكن في الدوران حيث تكون الرياح أسرع. قد تلاحظ أنه عندما تكون في الجزء العلوي من الدوران، تشعر بسرعة أكبر ويكون الدوران أشد وهذا يشبه قص الرياح، حيث تكون سرعات الرياح أعلى في الجزء العلوي من الدوران لشفرة العنفة.
يعد الفشل في التحميل النهائي لشفرات عنفات الرياح الدوارة المعرضة للرياح وتحميل الجاذبية حالة فشل يجب مراعاتها عند تصميم ريش الدوار. تُظهر سرعة الرياح التي تسبب ثني ريش الدوار تباينًا طبيعيًا ، وكذلك استجابة الإجهاد في ريش الدوار. كما أن مقاومة ريش الدوار ، من حيث قوة شدها ، تُظهر تغيرًا طبيعيًا.  مع زيادة حجم إنتاج عنفات الرياح، يصبح فشل الشفرات أمرًا مهمًا عند تقييم مخاطر السلامة. الفشل الأكثر شيوعًا هو فقدان الشفرة أو جزء منها. يجب أن يتم أخذ هذا في الاعتبار أثناء تصميم العنفات لضمان سلامتها وعملها الجيد.
لذلك يبحث المختصون عن مواد فعالة من حيث التكلفة مع نسب قوة إلى كتلة أعلى.