تصميم عنفة الرياح
التحكم في الطاقة > اللف

اللف هو عملية تقوم بها الشفرة في مروحة الرياح للتحكم في قوتها وحمايتها في حالة عاصفة رياح قوية. عندما تكون الرياح قوية جدًا، تكون العاصفة الهوجاء، يمكن أن تكون لها تأثير كبير على شفرات المروحة.
في هذه الحالة، اللف يعمل كحماية للشفرة. يتم تغيير زاوية مواجهة الشفرة، أي زاوية توجه الشفرة إلى الرياح، بحيث يتم تقليل مساحة سطح الشفرة المعرضة للهواء. يمكن تخيل ذلك عندما نمتد يدينا بشكل مسطح عندما نريد أن نمسك بشيء من الرياح القوية، سنجعل أيدينا تتحرك بزاوية صغيرة بدلاً من مدها بشكل كامل.
هدف اللف هو تقليل السحب، أي القوة التي تعمل عكس اتجاه الحركة، وتقليل المقطع العرضي للشفرة، أي المساحة التي تقطعها الشفرة عبر الهواء. بتقليل هذين العاملين، يمكن للشفرة أن تتحمل العواصف الرياح القوية بشكل أفضل دون أن تتعطل أو تتوقف.
واحدة من المشاكل الرئيسية التي تواجهها الشفرات في العواصف الرياحية هي أنها قد تتوقف تمامًا أو تدور بسرعة ضعيفة جدًا. وعندما تتوقف الشفرة تمامًا، فإن الهواء العاصف يضغط بقوة على حافة الشفرة وقد يتسبب في حدوث أضرار على هيكلها.
يمكن تقليل الأحمال عن طريق جعل النظام الهيكلي أكثر ليونة أو أكثر مرونة.  يمكن تحقيق ذلك باستخدام شفرات ذات تصميم خاص يسمح لها بالتكيف مع سرعات الرياح العالية. هناك طريقتان شائعتان للتحكم في سرعة الشفرات وتقليل زاوية هجومها في سرعات الرياح العالية.
الأولى هي استخدام شفرات منحنية تلتف بشكل طبيعي. عندما يكون الريح قوية، تلتف  بشكل أقوى، مما يقلل من زاوية هجومها. هذا يجعلها أكثر مرونة وتحملًا للرياح العاصفة.
الطريقة الثانية هي استخدام دوارات في اتجاه الرياح. المراوح العملاقة في مزارع الرياح. عندما تكون الرياح قوية، تبدأ المراوح في الدوران بسرعة لتقليل زاوية هجوم الشفرات والتأثير السلبي الذي يمكن أن يحدثه الهواء العاصف على الشفرات.
هذه الأنظمة ليست بسيطة مثل الأنظمة الخطية الأخرى، وتتطلب أدوات تصميم خاصة لجعل سلوكها غير الخطي و غير المنتظم نموذجيا.
عندما تكون الرياح قوية جدا فقد تكون مشكلة لأن الشفرات تحتاج إلى التحكم ، وهنا يأتي دور شيء يسمى "التحكم في درجة زاوية الميل المرجعية".
و التحكم في درجة زاوية الميل المرجعية يعني الضبط الدقيق لزاوية الشفرات للتأكد من أنها تعمل بشكل صحيح. يتم ذلك باستخدام جهاز يسمى "محرك النغمة". يمكن لهذا المحرك أن يغير زاوية الشفرات بدقة شديدة حتى عندما يكون هناك ضغط كبير عليها. تستخدم بعض عنفات الرياح أيضًا أنظمة هيدروليكية. تحتوي هذه الأنظمة على نوابض ، لذلك إذا فشلت الطاقة الهيدروليكية ، فلا يزال بإمكان الشفرات الدوران تلقائيًا.
هناك أيضًا عنفات رياح بها محركات كهربائية احتياطية لكل شفرة. لديهم بطارية في حالة انقطاع التيار الكهربائي من الشبكة. عادة ما تكون هذه العنفات أصغر ، وتولد أقل من 50 كيلوواط من الطاقة. يستخدمون أنظمة تعمل بقوة الطرد المركزي ، إما باستخدام أوزان أو تصميمات هندسية ذكية. بهذه الطريقة ، لا يحتاجون إلى أدوات تحكم كهربائية أو هيدروليكية.
لذلك ، باختصار ، تمتلك عنفات الرياح آليات للتحكم في زاوية ريشها ، إما باستخدام محركات الملعب ، أو الأنظمة الهيدروليكية ، أو المحركات الكهربائية الاحتياطية. تضمن هذه الآليات أن العنفات يمكنها العمل بأمان وكفاءة حتى في ظل الرياح القوية ".
توجد بعض الفجوات في طريقة التحكم في زاوية الشفرة في عنفات الرياح، وهذه المشاكل تؤثر على تكلفة إنتاج الطاقة بشكل عام. وفقًا لتقرير يمول من مركز أتكينسون لمستقبل مستدام، يركز العلماء حاليًا على تحسين طريقة التحكم بميل الشفرة بشكل كامل. هذا يعني أنهم يحاولون إيجاد طرق لتعديل زاوية الشفرة بشكل دقيق لتحسين أداء العنفات التجارية.
تمت دراسة تحسين طريقة التحكم في ميل الشفرة بواسطة المحاكاة، حيث يتم إنشاء نماذج افتراضية للشفرات والبرج ونظام الدفع. وقد تبين أن تحسين طريقة التحكم في ميل الشفرة يمكن أن يقلل من تحميل العنفات ويزيد من كفاءتها في جمع الطاقة. ومع ذلك، لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحقيق أقصى استفادة من جمع الطاقة وتقليل أحمال التعب على العنفات.
على سبيل المثال، التحكم في زاوية ميل السلم. إذا كانت السلمة مائلة بزاوية مناسبة، يمكننا أن نصعد السلم بسهولة ونتحرك بسرعة. ولكن إذا كانت السلمة غير مائلة بشكل صحيح، فقد يكون من الصعب أو المتعب صعود السلمة.
لذا، يعمل العلماء على تحسين طريقة التحكم في زاوية الشفرة للعنفات، بحيث تكون الشفرات في الزاوية المثلى لجمع أكبر كمية من الطاقة بأقل قدر من الجهد والتعب. هذا سيساعد في زيادة كفاءة الدواران و بالتالي انتاج طاقة أكثر.
عند التحدث عن التحكم في زاوية الملعب، يعني ذلك أننا نحاول التحكم في زاوية ميل الشفرات في عنفات الرياح بطريقة معينة. وفي هذا النص، يشرح كيف يتم ذلك باستخدام تقنية معينة.
تستخدم تقنية التحكم المطبقة على زاوية الميل المرجعية مقارنة الطاقة التي يولدها المحرك بالقدرة المقدرة للمحرك عند سرعته المحددة. يتم التحكم في زاوية الملعب باستخدام وحدة تحكم تسمى وحدة التحكم PI. لضبط زاوية الملعب بسرعة كافية، يستخدم المشغل وحدة زمن ثابتة تسمى وحدة تحكم Tservo. هذه الوحدة مدمجة ومحددة مسبقًا.
تظل زاوية الميل المرجعيةفي النص بين 0 درجة و 30 درجة، وتتغير بمعدل 10 درجات في الثانية الواحدة. لنفهم ذلك بشكل أفضل، يمكن مقارنة ذلك بوضعية اليدين عند التحكم في السرعة والقوة عند ركوب الدراجة. إذا كانت اليدين في وضعية صحيحة بزاوية مناسبة، فإننا نتمكن من التحكم في الدراجة بسلاسة وسرعة. ولكن إذا كانت في وضعية غير صحيحة، فقد يكون من الصعب التحكم في الدراجة بشكل جيد.
كما هو موضح في الشكل على اليمين، يتم مقارنة زاوية الميل المرجعية مع الزاوية الفعلية للميل ومن ثم يتم تصحيح الفرق بواسطة جهاز التحكم. زاوية الميل المرجعية التي تأتي من وحدة التحكم PI تمر عبر جهاز تقييد. تعتبر القيود مهمة للحفاظ على زاوية الميل بشكل حقيقي. يعتبر تقييد معدل التغيير مهمًا بشكل خاص أثناء وقوع أعطال في الشبكة. يعود السبب في أهمية ذلك إلى أن جهاز التحكم يقرر مدى سرعته في تقليل الطاقة الديناميكية لتجنب التسارع خلال وجود أخطاء.