توربينات رياح صغيرة

يبلغ قطر شفرات توربينات الرياح الصغيرة عادةً من 1.5 إلى 3.5 متر (4 أقدام و11 بوصة - 11 قدمًا و6 بوصات) ، وتنتج طاقة تتراوح بين 0.5 و10 كيلوواط عند سرعة الرياح المثلى. ^{[ 1 ]} معظم توربينات الرياح الصغيرة ذات محور أفقي ، ^{[ 2 ]} ولكن قد تتميز توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs) بسهولة الصيانة والموقع، على الرغم من أنها أقل كفاءة في تحويل طاقة الرياح إلى كهرباء. ^{[ 3 ]} ولتحقيق الكفاءة المثلى، يجب الحفاظ على نسبة سرعة طرف الشفرة (نسبة سرعة طرف الشفرة إلى سرعة الرياح) ونسبة الرفع إلى السحب عند مستويات مثالية.       

تتوفر مجموعة من المواد الاصطناعية، بما في ذلك البوليمرات المقواة بألياف الكربون، والمركبات النانوية، ^{[ 4 ] والبوليستر المقوى بألياف زجاجية من نوع E. [ 5 ]} على الرغم من أن الألياف الطبيعية عرضة لتفاوت الجودة، وامتصاصها العالي للرطوبة، وانخفاض استقرارها الحراري، مما يجعلها غير مرغوبة في الشفرات الكبيرة، إلا أنه لا يزال بإمكان التوربينات الصغيرة الاستفادة منها. ^{[ 6 ]} يمكن استخدام الخشب، ويجب اختيار نوعه بناءً على توافره، وتكلفته، ومدة نموه، وكثافته المتوسطة، وصلابته العالية، وقوة تحمله للكسر. تُستخدم الطلاءات عمومًا لتقليل الرطوبة، وقد وُجد أن طلاء المينا الأبيض مع طبقة أساسية فعال بشكل خاص. ^{[ 7 ]} استُخدم خشب التنوب سيتكا (المستخدم في المراوح)، وخشب التنوب دوغلاس في شفرات التوربينات. ^{[ 8 ]} استخدمت نيبال توربينات ذات شفرات صغيرة مصنوعة من أخشاب مطلية، بما في ذلك خشب السال ، والساور ، والسيساو ، والأوتيش ، والتوني ، والأوخار ، والصنوبر ، وخشب اللاكوري. ^{[ ٩ ]} بالإضافة إلى الخشب، يمكن استخدام المواد المركبة المصنوعة من الخيزران في توربينات الرياح الكبيرة والصغيرة على حد سواء، وذلك لانخفاض كثافتها وقدرتها على امتصاص الكربون ، مما يجعل مواد الخيزران صديقة للبيئة. علاوة على ذلك، يتميز الخيزران (وهو نوع من الأعشاب) بمقاومة أعلى للكسر، وقوة أكبر، وتكاليف معالجة أقل، ومعدل نمو سريع، مقارنةً بالخشب. وتشمل التطورات الحالية في مجال المواد رقائق الخيزران باستخدام الراتنجات، ومواد الخيزران الهجينة المصنوعة من ألياف الكربون. ^{[ ١٠ ]} يُعد كل من القنب والكتان والخشب والخيزران من المواد المرشحة لصناعة شفرات التوربينات الصغيرة. ^{[ ١١ ]}

يجب أن تصل توربينات الرياح الصغيرة إلى سرعة رياح معينة، تُسمى سرعة التشغيل، لبدء توليد الكهرباء. تبلغ هذه السرعة عادةً حوالي 4 أمتار في الثانية (8.9 ميل في الساعة) ، ^{[ 12 ]} ولكن يمكن لبعض التوربينات العمل بسرعات أقل. ^{[ 13 ]} ولتجنب العوائق، تُوضع التوربينات غالبًا على أبراج لا يقل ارتفاعها عن 9 أمتار (30 قدمًا) فوق أي شيء ضمن نطاق 150 مترًا (490 قدمًا) . ^{[ 14 ]} تُعدّ المواقع البعيدة عن العوائق الكبيرة المواجهة للريح أفضل المواقع للتوربينات، حيث تُظهر دراسات أنفاق الرياح أن التأثيرات السلبية الكبيرة للعوائق القريبة قد تمتد إلى 80 ضعف ارتفاع العائق في اتجاه الريح، ^{[ 15 ]} على الرغم من أن هذه حالة متطرفة. وثمة خيار آخر لوضع توربين صغير، وهو استخدام نموذج يعتمد على قياسات الرياح الفعلية للتنبؤ بكيفية تأثير العوائق القريبة على ظروف الرياح المحلية في الموقع المُحتمل للتوربين، مع مراعاة حجم العوائق وشكلها والمسافة بينها وبينها. ^{[ 16 ]}     

يمكن تركيب توربينات صغيرة الحجم على أسطح المنازل، لكنها قد تواجه مشكلات مثل الاهتزاز والاضطراب الناتج عن حافة السطح، مما قد يؤثر على قدرتها على توليد الطاقة. غالبًا ما تواجه هذه التوربينات صعوبة في توليد كميات كبيرة من الطاقة، لا سيما في المناطق الحضرية. ^{[ 17 ]}

تُستخدم مولدات التيار المتردد ثلاثية الأطوار عادةً في توربينات الرياح الصغيرة ، ويتجه التوجه نحو استخدام النوع الحثي ، على الرغم من أن بعض النماذج تستخدم مولدات أحادية الطور أو مخرج تيار مستمر . ^{[ 18 ] [ 19 ]}

بعد تمرير سلك التيار المتردد ثلاثي الأطوار عبر حلقة انزلاقية وصولاً إلى الطرف المستقبل، يُستخدم مقوم ثلاثي الأطوار لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر مُقوّم لشحن البطارية، خاصةً في أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة . يجب تركيب المقوم على مشتت حراري للتبريد، مع إمكانية إضافة مروحة تبريد تعمل بواسطة مفتاح حراري ثنائي المعدن للتبريد النشط.

يُوصل طرف التيار المستمر للمقوم بالبطاريات. يجب أن يكون هذا التوصيل قصيرًا قدر الإمكان لتجنب فقد الطاقة، وعادةً ما يُستخدم مقياس واط رقمي موصول على التوازي بينهما للمراقبة. ثم تُوصل البطاريات بمحول طاقة ، والذي يحول الطاقة مرة أخرى إلى تيار متردد بتردد ثابت لتوصيلها بالشبكة الكهربائية واستخدامها النهائي.

الكبح الديناميكي تقنية تُستخدم لتنظيم سرعة التوربين عن طريق تفريغ الطاقة الزائدة عبر مقاومة كهربائية أثناء الرياح العاتية لمنع التلف. يقوم جهاز التحكم، الذي يُفعّل عند وصول البطاريات إلى جهد معين، بتشغيل الحمل باستخدام ملف لولبي أو مرحل إلكتروني ، يتميز الأخير بخاصية "التشغيل عند انقطاع التيار". يُعدّ ضبط جهاز التحكم بدقة أمرًا بالغ الأهمية لمنع التذبذبات الطفيلية ، ويمكن تحقيق ذلك من خلال وظيفة تأخير أو باستخدام وحدة تحكم شحن PWM قياسية مزودة بوظيفة تحويل.

يُنصح باستخدام كابلات مقاومة للأشعة فوق البنفسجية وتقلبات درجات الحرارة، مثل كابلات الطاقة الشمسية ، في حال تعرض الأسلاك للعوامل الجوية. يجب أن يكون مقاس السلك في النظام بأكمله مناسبًا لشدة التيار المار فيه. يجب ألا تتجاوز مقاومة السلك، التي تزداد خطيًا مع طوله، نسبة 2-5% من إجمالي انخفاض الجهد.

في يوليو/تموز 2012، دخل حيز التنفيذ نظام تعريفة تغذية جديد للطاقة ، أقره وزير الصناعة الياباني يوكيو إيدانو، واعدًا بتعزيز إنتاج البلاد من طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وتهدف اليابان إلى زيادة الاستثمار في الطاقة المتجددة، جزئيًا كرد فعل على أزمة الإشعاع في فوكوشيما في مارس/آذار 2011. ^{[ 20 ]} ويشمل نظام تعريفة التغذية الألواح الشمسية وتوربينات الرياح الصغيرة، ويُلزم شركات الكهرباء بشراء الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة بأسعار تحددها الحكومة.

 سيتم دعم طاقة الرياح الصغيرة (التوربينات التي تقل سعتها عن 20 كيلوواط) بما لا يقل عن 57.75 ين ياباني (حوالي 0.74 دولار أمريكي لكل كيلوواط ساعة). ^{[ 21 ]}

يمكن لأصحاب العقارات في المناطق الريفية أو الضواحي في المملكة المتحدة اختيار توربينات الرياح المزودة بمحولات طاقة لتكملة الطاقة الكهربائية من الشبكة المحلية. يوفر برنامج شهادات التوليد الصغير في المملكة المتحدة (MCS) تعريفات تغذية لمالكي توربينات الرياح الصغيرة المؤهلة. ^{[ 22 ]}

في عام 2008، أضافت توربينات الرياح الصغيرة التي تبلغ قدرتها 100  كيلوواط أو أقل ما مجموعه 17.3 ميغاواط من القدرة التوليدية في الولايات المتحدة، وفقًا للجمعية الأمريكية لطاقة الرياح (AWEA). ويمثل هذا النمو زيادة بنسبة 78% في السوق المحلية لتوربينات الرياح الصغيرة. وعزت دراسة الجمعية الأمريكية لطاقة الرياح لعام 2009 حول السوق العالمية لتوربينات الرياح الصغيرة هذه الزيادة إلى ارتفاع أحجام التصنيع، بفضل تمويل الاستثمارات الخاصة لتوسعات المصانع، وارتفاع أسعار الكهرباء، وزيادة الوعي العام بتقنيات طاقة الرياح، مما حفز مبيعاتها في القطاع السكني.

في عام 2019، كان جزء كبير من الطلب الأمريكي على توربينات الرياح الصغيرة مخصصًا لتوليد الطاقة في المواقع النائية، ولأغراض تقييم المواقع لمنشآت طاقة الرياح واسعة النطاق. ^{[ 23 ]}

تستفيد صناعة طاقة الرياح الصغيرة في الولايات المتحدة أيضًا من السوق العالمية، إذ تسيطر على نحو نصف حصة السوق العالمية. وقد حصد المصنّعون الأمريكيون 77 مليون دولار من أصل 156 مليون دولار أُنفقت في جميع أنحاء العالم على تركيب توربينات الرياح الصغيرة. وبلغ إجمالي قدرة طاقة الرياح الصغيرة المركبة عالميًا 38.7 ميغاواط في عام 2008. ^{[ 24 ]}

في الولايات المتحدة،  تتراوح تكلفة توربينات الرياح السكنية بقدرة 2-10 كيلوواط عادةً بين 12,000 و 55,000 دولار أمريكي شاملة التركيب ( 6 دولارات أمريكية لكل واط)، مع وجود حوافز وخصومات متاحة في 19 ولاية تُخفّض سعر الشراء لأصحاب المنازل بنسبة تصل إلى 50%، ليصل إلى 3 دولارات أمريكية لكل واط. ^{[ 25 ]} وتُقدّر شركة "ساوث ويست ويندباور" الأمريكية المصنّعة أن التوربين يُعوّض تكلفته من خلال توفير الطاقة في غضون 5 إلى 12 عامًا. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

النماذج السائدة في السوق، وخاصة في الولايات المتحدة، هي توربينات الرياح ذات المحور الأفقي . ^{[ 28 ]}

لتمكين المستهلكين من اتخاذ قرار مستنير عند شراء توربينات الرياح الصغيرة، طورت اللجنة الفنية 27 التابعة لوكالة الطاقة الدولية، بالتعاون مع اللجنة الفنية 88 التابعة للجنة الكهروتقنية الدولية، طريقة لوضع ملصقات تعريفية للمستهلكين. وفي عام 2011، نشرت وكالة الطاقة الدولية دليلًا للممارسات الموصى بها، يصف الاختبارات والإجراءات اللازمة لوضع الملصق. ^{[ 29 ]}

ينبع سوق توربينات الرياح الصغيرة في كرواتيا من مناخها المتوسطي وجزرها العديدة التي لا تصلها شبكة الكهرباء. وفي أشهر الشتاء، عندما تقل أشعة الشمس، تعوض توربينات الرياح الصغيرة النقص في الطاقة في مواقع الطاقة المتجددة المعزولة ( محطات توليد الطاقة ، والمراسي، وغيرها).

في ألمانيا، كانت تعريفة التغذية لتوربينات الرياح الصغيرة مماثلة لتعريفة التوربينات الكبيرة. وهذا هو السبب الرئيسي لبطء نمو قطاع توربينات الرياح الصغيرة في ألمانيا. في المقابل، استفادت أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الصغيرة في ألمانيا من تعريفة تغذية مرتفعة، تجاوزت في بعض الأحيان 50 سنتًا يورو لكل كيلوواط ساعة.

في أغسطس/آب 2014، عُدّل قانون الطاقة المتجددة الألماني، ما أثّر أيضاً على تعريفات التغذية لتوربينات الرياح. وتبلغ تعريفة تشغيل توربينات الرياح الصغيرة التي تقل قدرتها عن 50 كيلوواط 8.5 سنت يورو لمدة 20 عاماً.

نظراً لانخفاض تعريفة التغذية وارتفاع أسعار الكهرباء في ألمانيا، يعتمد التشغيل الاقتصادي لتوربينات الرياح الصغيرة على معدل استهلاك ذاتي كبير للكهرباء المنتجة منها. تدفع الأسر الخاصة في المتوسط ​​35.7 سنتاً يورو لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء (شاملة ضريبة القيمة المضافة بنسبة 19%). ^{[ 31 ]}

كجزء من قانون الطاقة المتجددة الألماني لعام 2014، فُرضت رسوم على الكهرباء المستهلكة ذاتيًا في أغسطس 2014. ولا يسري هذا النظام على محطات الطاقة الصغيرة التي تقل قدرتها عن 10 كيلوواط. وتُعد هذه الرسوم منخفضة، إذ تبلغ 1.87 سنتًا يورو. ^{[ 32 ]}

قام بعض الهواة ببناء توربينات رياح باستخدام مجموعات جاهزة، أو مكونات متوفرة، أو حتى من الصفر. عادةً ما تكون توربينات الرياح التي تُصنع يدويًا صغيرة الحجم (تُركّب على أسطح المنازل) بقدرة 1  كيلوواط أو أقل تقريبًا. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} وتكون هذه التوربينات الصغيرة عادةً على شكل أبراج قابلة للإمالة أو أبراج ثابتة / مثبتة بكابلات . ^{[ 37 ] [ 38 ]}

لقد شاع بناء توربينات الرياح بنفسك أو DIY بفضل مجلات مثل OtherPower و Home Power . ^{[ 39 ]}

قامت منظمات مثل منظمة "براكتيكال أكشن" بتصميم توربينات رياح سهلة التركيب يمكن للمجتمعات في الدول النامية بناؤها بسهولة، كما أنها توفر وثائق عملية حول كيفية القيام بذلك. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

يعود تاريخ تصميمات توربينات الرياح الصغيرة التي يمكن صنعها ذاتياً إلى أوائل سبعينيات القرن العشرين، وقد تم تطويرها بشكل أكبر من خلال حركة العودة إلى الأرض في أواخر سبعينيات القرن العشرين في الولايات المتحدة وأوروبا. ^{[ 42 ]}

تم تأطير توربينات الرياح الصغيرة المصنعة محلياً، كونها صغيرة الحجم ومنخفضة التكلفة ومتجذرة اجتماعياً وقابلة للتكيف مع السياقات المحلية وتعتمد على المشاركة المفتوحة للمعرفة، أو ربطها بمنظورات التكنولوجيا المناسبة أو المتوسطة ، والتكنولوجيا المتعايشة، والنمو السلبي ، والتصميم المفتوح ، والتصنيع المفتوح .