تصميم عنفة الرياح
التحكم في الطاقة > الإنهيار

عندما نتحدث عن "الإنهيار" في سياق الهندسة والطيران، فإننا نشير إلى ظاهرة معينة تحدث في أجنحة الطائرات والعنفات وغيرها. عندما يحدث إنهيار، يفقد الجناح أو الشفرة القدرة على إنتاج الرفعة اللازمة للطيران أو توليد القوة في حالة العنفات. هذا يحدث عندما يكون زاوية المواجهة للجناح أو الشفرة أكبر من الزاوية المثلى، مما يؤدي إلى فصل التدفق الهوائي وتشتته، وبالتالي فقدان الرفعة أو القوة. يشبه الأمر محاولة إطلاق طائرة ورقية في الهواء بشكل مائل للغاية، مما يؤدي الى فقدان الطائرة القدرة على الطيران ثم تسقط.
يحدث الإنهاير على الجناح الحامل عندما يمر الهواء فوقه بطريقة تقل سرعة توليد الرفع . عادة ما يكون هذا بسبب زاوية مواجهة عالية (AOA) ، ولكن يمكن أن ينتج أيضًا عن تأثيرات ديناميكية . قد تم تصميم شفرات العنفات بطريقة تسمح لها بالتوقف عن الدوران عندما تكون سرعة الرياح مرتفعة جدًا. هذا التوقف في الدوران يحدث لأنه في حالة وجود سرعات رياح عالية، يمكن أن يتعرض العنفة لقوات كبيرة تؤثر على شفراته. ولحماية العنفة وضمان سلامته، يتم تصميم الشفرات بحيث تتوقف عن الدوران عندما تكون الرياح قوية جدًا.
هذه آلية بسيطة وآمنة تساعد في منع الضرر. ومع ذلك، على عكس الأنظمة التي يتم التحكم في ميلها بطريقة ديناميكية، لا يمكن لهذه الآلية أن تولد قدرة ثابتة عند مجموعة واسعة من سرعات الرياح، وهذا يجعلها غير مناسبة لتطبيقات شبكة الطاقة على نطاق واسع.
لأن هذه العنفات لا يمكن أن تعمل بكفاءة ثابتة في جميع الأوقات، فهو يعتمد على شدة الرياح. في الأيام أو في الأوقات التي تكون فيها شدة الرياح ضعيفًة، فإن الأداء العام للتوريبنات هذه تتأثر. هذا يعني أنه قد لا يكون مناسبًا للاعتماد عليه في تشغيل شبكة كهربائية كبيرة.
هذه آلية بسيطة وآمنة من الفشل للمساعدة في منع الضرر. لكن لا يمكنها إنتاج خرج طاقة ثابت على نطاق كبير من سرعات الرياح ، مما يجعلها أقل ملاءمة لتطبيقات شبكة الطاقة على نطاق واسع.
عندما يكون لدينا مولد رياح هوائي ذو محور أفقي (HAWT)، فإن سرعته الثابتة يعني أن زاوية مواجهة شفراته تزداد عند زيادة سرعة الرياح مع زيادة سرعة دوران الشفرات. لذلك، الاستراتيجية الطبيعية هنا هي السماح للشفرات بالتوقف عندما تزيد سرعة الرياح عن حد معين. تم استخدام هذه التقنية بنجاح في العديد من مولدات الرياح ذات المحور الأفقي في البداية. ومع ذلك، يوجد عيب واحد محتمل، وهو أن زيادة زاوية ميل الشفرات قد تؤدي إلى زيادة مستويات الضوضاء.
لنفترض أن لدينا مروحة تعمل بالكهرباء ولها شفرات تدور. إذا زادت سرعة الهواء الذي يضرب الشفرات، فإن الشفرات ستتحرك بسرعة أكبر وبزاوية ميل أكبر. وعندما يكون الهواء سريعًا جدًا، فإن الشفرات يمكن أن تتوقف عن الدوران تمامًا لتجنب أي أضرار قد تحدث بسبب السرعة العالية. وهذا ما يحدث أيضًا في مولدات الرياح ذات المحور الأفقي، حيث يسمح للشفرات بالتوقف عندما تكون سرعة الرياح مرتفعة جدًا. ولكن، قد يكون لهذا النوع من الشفرات عيب واحد، وهو أنه يمكن أن يكون لديها مستويات عالية من الضوضاء عندما يتغير زاوية ميلها بشكل كبير.
يمكن استخدام مولدات الدوامة للتحكم في خصائص رفع الشفرة. إذا أردنا أن نتحكم في مدى قوة رفع الشفرة، يمكننا استخدام شيء يسمى "VGs"، وهي اختصار لـ "مولد الزوابع" باللغة الإنجليزية.
الـ VGs هي عبارة عن قطع صغيرة يمكن وضعها على الشفرة. إذا وضعناها على الجانب السفلي (المسطح) من الشفرة، فإنها تساعد في زيادة قوة الرفع. يمكن تخيلها مثل الصغيرات اللاصقة التي يمكنك وضعها على الأظافر لإضافة زخم وتأثير جميل. وبالتالي، إذا وضعنا الـ VGs بطريقة صحيحة على الجناح، فإنها تساعد في رفع الهواء بشكل أفضل وتزيد من كفاءة المروحة.
على الجانب الآخر، إذا وضعنا الـ VGs على الجانب العلوي (الحدبة العلوية) من الشفرة، فإنها تقلل من القوة الرفعية. يمكن أن نتخيلها مثل القطع اللاصقة على عجلات السيارة التي تستخدم لإبطاء السيارة في السباقات لمنعها من التغيير بسرعة كبيرة. وبالتالي، يمكن استخدام الـ VGs للتحكم في قوة الرفع للمروحة وتنظيم كيفية تأثيرها على الهواء.
لذلك يمكن وضع الـ VGs على الجانب السفلي لزيادة الرفع، أو على الجانب العلوي للحد من الرفع. (الحدبة الأعلى).