كفاءة توربينات الرياح: 11 حقائق سريعة كاملة


توربينات الرياح يعد إنتاج الطاقة مجالًا متناميًا لتوليد الكهرباء ؛ في عام 2020 ، بلغ إجمالي سعة طاقة الرياح في العالم 743 جيجاواط. نظرًا لأن محطات الرياح تنتج تلوثًا أقل ، فإن الطلب على توليد طاقة الرياح آخذ في الازدياد.

تعتمد كفاءة توربينات الرياح على العديد من العوامل ، مثل نوع التوربينات ، وهندسة الشفرة ، وسرعة الرياح المتاحة وما إلى ذلك ، 59٪ هي أقصى كفاءة يمكن تحقيقها بواسطة توربينات الرياح. تتراوح الكفاءة العملية لتوربينات الرياح بين 30-45٪ ، وقد ترتفع إلى 50٪ خلال ذروة الرياح.

إذا كان التوربين يعمل بكفاءة 100٪ ، فإن سرعة الرياح بعد اصطدام التوربين تصبح صفراً ، وهو أمر مستحيل.  

كفاءة توربينات الرياح
رصيد توربينات الرياح: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Windmills_D1-D4_(Thornton_Bank).jpg
رصيد توربينات الرياح: https: //commons.wikimedia.org/wiki/ الملف: Wind_turbine.gif

صيغة كفاءة توربينات الرياح

حساب الكفاءة ضروري ؛ تساعد الكفاءة على مقارنة أداء توربينات الرياح المختلفة وسرعة الرياح المثلى لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة.

تعد الكفاءة المشتركة للطاقة هي الكلمة الأكثر شيوعًا لوصف كفاءة توربينات الرياح. يتم تعريف Cp على أنه ،

يمكن حساب كمية الكهرباء التي تنتجها توربينات الرياح من ناتج المولد. المعادلة أدناه تحسب الطاقة الحركية المدخلة ،

أين،

A هي المنطقة المغطاة لتوربينات الرياح ، V هي سرعة الرياح ، ρ هي كثافة الهواء.

تختلف قيمة Cp فيما يتعلق بسرعة الرياح ؛ ومن ثم تختلف كفاءة توربينات الرياح أثناء التشغيل.

علاوة على ذلك ، يعتمد Cp على أجزاء التوربين ، أي ريش التوربينات والأعمدة والمولدات. لذلك ، فإن مضاعفة الكفاءة الديناميكية الهوائية للشفرات والكفاءة الميكانيكية للعمود والكفاءة الكهربائية للمولد توفر قيمة Cp.

أقصى كفاءة لتوربينات الرياح

اقترح الفيزيائي الألماني ألبرت بيتز ، في عام 1919 ، أقصى كفاءة ممكنة لتوربينات الرياح. نظرة ثاقبة لأقصى كفاءة ممكنة للتوربينات.

يوضح حد بيتز أن 59.3٪ هي أقصى كفاءة ممكنة لتوربينات الرياح. ومن ثم ، فإن كفاءة التوربينات لا تتجاوز أبدًا 59٪ ، بما في ذلك جميع الخسائر الأخرى تصل قيمتها إلى 35-45٪ في الحالات العملية.  

لنفترض أن كفاءة توربينات الرياح تبلغ 100٪ وهذا يعني أن التوربين يستهلك كل طاقة الهواء. إذا حدث ذلك ، فإن سرعة الهواء بعد مرور التوربين تصبح صفراً. هذا يعني أن الهواء لا يتدفق ، مما يعيق تدفق المزيد من الهواء. وبالتالي ، هذا وضع مستحيل.

الآن ، إذا كانت سرعة الهواء الداخل والخارج هي نفسها ، فهذا يعني أنه لا يتم استخراج أي طاقة ، مما يعطي كفاءة بنسبة 0٪ للتوربين. ومن ثم فإن أقصى كفاءة ممكنة للتوربينات تتراوح بين 0 و 100٪ ، باستثناء هذه الحدود.

أثبت بيتز أن أقصى كفاءة ممكنة هي 59.3٪ لتوربينات الرياح بالرياضيات والفيزياء الصلبة.

أنواع توربينات الرياح وكفاءتها

تتوفر مجموعة متنوعة من توربينات الرياح وفقًا لمحور الدوران وتصميم الشفرات. توربينات الرياح الأكثر استخدامًا هي توربينات الرياح ذات المحور الأفقي. ومع ذلك ، يتم استخدام أنواع أخرى من التوربينات أيضًا للظروف المناسبة. الأنواع المختلفة من التوربينات هي ،

دعونا نناقش كفاءة هذه التوربينات بشكل منفصل ،

كفاءة توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT)

تُستخدم توربينات الرياح ذات المحور الأفقي بشكل شائع للمحطات الكبيرة ، حيث تتوفر مساحة كافية ورياح. محور دوران ريشة التوربين موازٍ لسطح الأرض.

تتراوح كفاءة HAWT بين 35-50٪. حاليًا ، تتمتع HAWT بأعلى كفاءة.

تعتمد طاقة الرياح التي يتم التقاطها بواسطة توربينات الرياح على المنطقة التي تغطيها ريش التوربينات. بالنسبة إلى HAWT ، يتم حساب المنطقة على النحو التالي ،

أ = πL2

حيث ، L هو طول النصل. يتراوح الطول ما بين 20 إلى 80 مترا.

عادة ما تستخدم توربينات الرياح هذه في محطات الإنتاج الكبيرة. أكثر توربينات الرياح الأفقية شيوعًا هي 3 شفرات ، وعادة ما يكون لون التوربينات أبيض للرؤية بواسطة الطائرات.

رصيد HAWT: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Micon-Turbine.JPG

كفاءة توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT)

تُستخدم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بشكل شائع لإنتاج الطاقة الصغيرة حيث تكون المساحة محدودة. محور دوران ريش توربينات الرياح ذات المحور الرأسي عمودي على سطح الأرض.

كفاءة VAWT أقل مقارنة بـ HAWT. 

كما تمت مناقشته ، تعتمد الكفاءة على منطقة ريش التوربينات المعرضة للرياح. بالنسبة للعنف ضد النساء والفتيات ، فإن المنطقة المكشوفة هي ،

أ = درهم

حيث D و H هما قطر وارتفاع الشفرات.

تتوفر أنواع مختلفة من VAWT. توربينات الرياح Darrius وتوربينات الرياح Savonius شائعة VAWT. يتم مناقشة كفاءات هذين أدناه.

توربينات الرياح ذات المحور الرأسي. الائتمان: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Vertical_Axis_Wind_Turbine_offshore.gif

كفاءة توربينات الرياح Darrius

توربينات الرياح Darrius هي VAWT.

تتراوح كفاءة توربينات الرياح Darrius بين 30-40٪. استخدام هذه التوربينات محدود على الرغم من أنها تتمتع بكفاءة عالية بسبب عدم القدرة على البدء الذاتي.

Darrius turbine عبارة عن توربين قائم على الرفع. يوضح الشكل توربينات الرياح داريوس. كما هو موضح أدناه ، يتم تثبيت عدد من شفرات الأيروفويل على عمود رأسي يدور. يتم الضغط على الشفرات فقط في حالة شد هذه التوربينات بسبب الانحناء. تم تطوير التصميم من قبل المهندس الفرنسي جورج جان ماري داريوس. يشيع استخدامها بالقرب من الموائل البشرية ، على قمة مبنى أو في وسط الطريق. ومع ذلك ، فإن حماية التوربين صعبة في الظروف القاسية.

داريوس توربينات الرياح الائتمان: https: //commons.wikimedia.org/wiki/ الملف: Darrieus-Rotor_Ennabeuren-3256.jpg

كفاءة توربينات الرياح سافونيوس

توربينات الرياح Savonius هي نوع مختلف من VAWT. لسوء الحظ ، فإن كفاءة هذه التوربينات منخفضة للغاية.

تتراوح كفاءة توربينات الرياح Savonius بين 10-17٪. على الرغم من أن الكفاءة منخفضة جدًا ، نظرًا للهيكل البسيط والموثوقية للتوربين ، إلا أنها تستخدم لإنتاج كمية صغيرة من الكهرباء في المواقع المناسبة.  

توربين سافونيوس هو التوربينات القائمة على السحب. يوضح الشكل الفعلي توربينات الرياح سافونيوس. يظهر المنظر العلوي للشفرة أيضًا في الشكل أدناه.

رصيد توربينات الرياح سافونيوس: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius_wind_turbine.jpg
منظر علوي لتوربينات الرياح سافونيوس. الائتمان: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius-rotor_en.svg

طور المهندس الفنلندي سيجورد يوهانس سافونيوس رياح سافونيوس في عام 1922. هناك نوعان من تصميم الشفرات لتوربينات الرياح سافونيوس وتصميم البرميل وتصميم الرياح الجليدية. يظهر أعلاه توربينات الرياح برميل الرؤية. الشفرات نصف أسطوانية. البراميل لا تلتقي في المركز ؛ هم بعيدون عن المركز ، مما يتيح الحركة الحرة للرياح في النصل.

كفاءة توربينات الرياح الخالية من الشفرات

تعد توربينات الرياح عديمة الشفرات نوعًا معينًا من توربينات الرياح ، ولا تحتوي هذه التوربينات على شفرات دوارة ، ويعمل التوربينات على أساس الاهتزاز الناجم عن الدوامة.

كفاءة توربينات الرياح الخالية من الشفرات أقل بكثير مقارنة بأي توربينات رياح أخرى. ومع ذلك ، فإن الوزن الخفيف والفعالية من حيث التكلفة والصيانة الأقل هي مزايا توربينات الرياح الخالية من الشفرات. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب التوربين مساحة أقل ؛ وبالتالي ، يمكن تركيب المزيد من التوربينات أكثر من توربينات الرياح العادية.

كفاءة توربينات الرياح أرخميدس

توربينات أرخميدس الهوائية هي تقنية مطورة حديثًا. هذه هياكل صغيرة ويمكن استخدامها على أسطح المنازل والطرق وما إلى ذلك.

بالمقارنة مع توربينات الرياح التقليدية ، تعد توربينات أرخميدس أكثر كفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، يقلل التوربين العديد من المشكلات الأخرى المتعلقة بالتوربينات التقليدية. 

على سبيل المثال ، الضوضاء الناتجة عن توربينات أرخميدس الهوائية أقل بكثير مقارنة بالتوربينات التقليدية. تم تصميم شكل التوربين على غرار الشكل الحلزوني لقذيفة نوتيلوس. يمكّن هذا الشكل التوربين من الضبط الذاتي لوجه التوربين وفقًا لتدفق الرياح. 

العوامل المؤثرة على كفاءة توربينات الرياح

تمت مناقشة كفاءة توربينات الرياح بالفعل أعلاه ، من العوامل التي تؤثر على كفاءة التوربينات ،

  • سرعة الرياح.
  • كثافة الهواء.
  • نصف قطر الشفرة.
  • نوع توربينات الرياح

مقارنة كفاءة توربينات الرياح

دعونا نستنتج كفاءة توربينات الرياح هنا. تم جدولة كفاءة توربينات الرياح أدناه.

التوربيناتالكفاءة
توربينات الرياح ذات المحور الأفقي30 45 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX +
توربينات الرياح ذات المحور الرأسي10 40 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX +
داريوس توربينات الرياح30 40 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX +
توربينات الرياح سافونيوس10 17 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX +
توربينات الرياح الخالية من الشفراتأقل من ذلك بكثير

لمزيد من الوظائف حول الهندسة الميكانيكية ، يرجى متابعة موقعنا صفحة ميكانيكية

آخر المقالات