توربينات رياح غير تقليدية

تستخدم جميع توربينات الرياح الحديثة تقريبًا دوارات بثلاث شفرات، بينما تستخدم بعضها شفرتين فقط. هذا هو النوع المستخدم في كايزر-فيلهلم-كوغ ، ألمانيا، حيث عملت وحدة تجريبية كبيرة ثنائية الشفرات - تُعرف باسم GROWIAN أو Große Windkraftanlage (توربينة الرياح الكبيرة) - من عام 1983 إلى عام 1987. وقد صنعت شركة NedWind نماذج أولية وأنواعًا أخرى من توربينات الرياح. أما منتزه إيميرديك لطاقة الرياح في زيوولده، هولندا، فيستخدم توربينات ثنائية الشفرات فقط. وتُصنّع توربينات الرياح ثنائية الشفرات من قِبل شركات Windflow Technology و Mingyang Wind Power وGC China Turbine Corp و Nordic Windpower . ^{[ 1 ]} وكانت توربينات الرياح التابعة لوكالة ناسا (1975-1996) مزودة بدوارات ثنائية الشفرات، مما أدى إلى إنتاج نفس الطاقة بتكلفة أقل من تصميمات الدوارات ثلاثية الشفرات.

تضع معظم توربينات الرياح الدوّار أمام غلاف المحرك عند هبوب الرياح (تصميم معاكس للرياح). بينما تضع بعض التوربينات الدوّار خلف غلاف المحرك (تصميم معاكس للرياح). يتميز هذا التصميم بإمكانية محاذاة التوربين تلقائيًا مع اتجاه الرياح، مما يقلل التكلفة. أما عيبه الرئيسي فهو تغير الحمل على الشفرات عند مرورها خلف البرج، مما يزيد من إجهادها، وقد يؤدي إلى حدوث رنين في أجزاء أخرى من هيكل التوربين.

في مشروع بحثي ^{[ 2 ]،} يتكون التوربين ذو الدوّار المقنطر من توربين داخل قناة تتسع من الخلف. ويُعرف أيضًا باسم توربينات الرياح المُعززة بالمُشتت (DAWT). تتمثل ميزته الرئيسية في قدرته على العمل في نطاق واسع من سرعات الرياح وتوليد طاقة أعلى لكل وحدة مساحة من الدوّار. ومن مزاياه الأخرى أن المولد يعمل بسرعة دوران عالية، مما يُغني عن الحاجة إلى علبة تروس ضخمة ، ويسمح بتصغير حجم الجزء الميكانيكي وتخفيف وزنه. أما عيبه (باستثناء علبة التروس) فهو أنه أكثر تعقيدًا من التوربين ذي الدوّار غير المقنطر، كما أن وزن القناة يزيد من وزن البرج. ويُعدّ توربين إيولين بوليه مثالًا على توربينات الرياح المُعززة بالمُشتت.

يمكن تركيب دوارين أو أكثر على عمود إدارة واحد، حيث يدوران معًا لتشغيل نفس المولد: يتم جلب هواء نقي لكل دوار بفضل المسافة الكافية بين الدوارات وزاوية انحراف (ألفا) عن اتجاه الرياح. وتُستعاد دوامة الهواء عند اصطدام قمة الدوامة بقاع الدوار التالي. وقد تضاعفت الطاقة عدة مرات باستخدام دوارات متعددة متحدة المحور في اختبارات أجراها المخترع والباحث دوغلاس سيلسام عام 2004. أول توربين متعدد الدوارات متحد المحور متوفر تجاريًا هو توربين American Twin Superturbine ثنائي الدوار الحاصل على براءة اختراع من شركة Selsam Innovations في كاليفورنيا، حيث يفصل بين دواريه مسافة 3.7 متر . وهو أقوى توربين متوفر بقطر 2.1 متر ، وذلك بفضل هذا الدوار الإضافي. في عام ٢٠١٥، كان مهندسا الطيران والفضاء بجامعة ولاية آيوا، هوي هو وأنوبام شارما، يعملان على تحسين تصميمات أنظمة متعددة الدوارات، بما في ذلك نموذج دوار مزدوج محوري أفقي. إلى جانب الدوار التقليدي ثلاثي الشفرات، يحتوي هذا النموذج على دوار ثانوي أصغر ثلاثي الشفرات، يغطي المنطقة القريبة من المحور التي عادةً ما تُستغل بشكل غير فعال. أشارت النتائج الأولية إلى مكاسب تتراوح بين ١٠ و٢٠٪، وهي نسبة أقل من الكفاءة التي تدعيها التصميمات الحالية ذات الدوران المعاكس. ^{[ ٣ ]}  

عندما يقوم نظام ما بطرد أو تسريع كتلة في اتجاه معين، تتسبب الكتلة المتسارعة في قوة متناسبة ومعاكسة على ذلك النظام. تتسبب الشفرة الدوارة لتوربين رياح أحادي الدوار في تدفق هواء مماس أو دوراني كبير. تُهدر طاقة هذا التدفق المماسي في تصميم التوربين أحادي الدوار. للاستفادة من هذا الجهد المهدر، يُتيح وضع دوار ثانٍ خلف الدوار الأول الاستفادة من تدفق الهواء المضطرب، ويمكنه الحصول على طاقة إضافية تصل إلى 40% من مساحة مسح معينة مقارنةً بالدوار الأحادي. تشمل المزايا الأخرى للدوران المعاكس عدم وجود علب تروس والتمركز التلقائي مع اتجاه الرياح (لا حاجة لمحركات/آلية توجيه). يوجد طلب براءة اختراع مؤرخ في عام 1992 استنادًا إلى العمل الذي تم إجراؤه على جهاز Trimblemill. ^{[ 4 ]}

عندما تكون التوربينات المتعاكسة الدوران على نفس جانب البرج، تُوجّه الشفرات الأمامية للأمام بزاوية طفيفة لتجنب اصطدامها بالشفرات الخلفية. أما إذا كانت شفرات التوربينات على جانبين متقابلين من البرج، فمن الأفضل أن تكون الشفرات الخلفية أصغر من الشفرات الأمامية، وأن تُضبط على التوقف عند سرعة رياح أعلى. يسمح هذا للمولد بالعمل ضمن نطاق أوسع من سرعات الرياح مقارنةً بمولد توربيني واحد لنفس البرج. وللحد من الاهتزازات التوافقية ، يجب أن تدور التوربينات بسرعات ذات مضاعفات مشتركة قليلة، على سبيل المثال بنسبة سرعة 7:3.

عندما لا تكون مساحة الأرض أو البحر اللازمة لتوربين رياح ثانٍ باهظة الثمن، يجب مقارنة الزيادة بنسبة 40% التي يوفرها الدوار الثاني مع زيادة بنسبة 100% من خلال تكلفة قاعدة وبرج منفصلين مع كابلات للتوربين الثاني. قد يعتمد معامل القدرة الإجمالي لتوربين رياح ذي محور أفقي يدور عكسيًا على الإزاحة المحورية والشعاعية للدوارات ^{[ 5 ]} وعلى حجم الدوارات. ^{[ 6 ]} اعتبارًا من عام 2005لا يتم بيع توربينات الرياح الأفقية الكبيرة ذات الدوران المعاكس تجارياً.

إضافةً إلى الشفرات ذات الميل المتغير، تُعدّ الذيول القابلة للطي والشفرات الملتوية من التحسينات الأخرى التي أُدخلت على توربينات الرياح. ومثل الشفرات ذات الميل المتغير، يُمكن لهذه التحسينات أن تزيد الكفاءة بشكل كبير، كما يُمكن استخدامها في مشاريع البناء الذاتي. ^{[ 7 ]}

De Nolet هو توربين رياح في شيدام متنكر في هيئة طاحونة هوائية .

بدلاً من شفرات الأجنحة المستوحاة من الطائرات، يستوحي التصميم من التوربين اللولبي الأرخميدسي ، وهو أنبوب ذو نمط حلزوني كان يستخدم في اليونان القديمة لضخ المياه من مصدر أعمق. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

تستخدم توربينات الطبقة الحدية، أو توربينات تسلا ، الطبقات الحدية بدلاً من الشفرات.

أحد النماذج الحديثة هو توربين فولر. ^{[ 10 ]} تعتمد فكرته على مجموعة من الأقراص على عمود مركزي، تفصل بينها فجوة هوائية صغيرة. يُولد التوتر السطحي للهواء في هذه الفجوات احتكاكًا، مما يؤدي إلى دوران الأقراص حول العمود. توجه الريش الهواء لتحسين الأداء، ولذلك فهو ليس توربينًا عديم الريش تمامًا.

مولد الرياح الأيوني بدون ريش هو جهاز نظري ينتج الطاقة الكهربائية باستخدام الرياح لنقل الشحنة الكهربائية من قطب كهربائي إلى آخر.

تعمل توربينات الرياح الكهروإجهادية عن طريق ثني البلورات الكهروإجهادية أثناء دورانها، وهو ما يكفي لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة. وتعمل هذه التوربينات بأقطار تصل إلى 10 سنتيمترات. ^{[ 11 ]}

يمكن استخدام توربينات الرياح بالتزامن مع جامع الطاقة الشمسية لاستخراج الطاقة من الهواء الذي تسخنه الشمس ويرتفع عبر برج رأسي كبير ذي تيار صاعد.

يعمل جهاز Vortex Bladeless على زيادة توليد الدوامات الهوائية إلى أقصى حد ، مستخدمًا الدوامات الموجودة في الرياح لتحريك عمود رأسي خفيف الوزن، والذي ينقل هذه الطاقة إلى مولد كهربائي في أسفل العمود. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} وقد وُجهت انتقادات لهذا التصميم لكفاءته المنخفضة التي تبلغ 40%، مقارنةً بـ 70% للتصاميم التقليدية. ^{[ 16 ]} ومع ذلك، يمكن وضع الأعمدة الفردية على مسافات أقرب، مما يعوض الفاقد. كما يتجنب التصميم المكونات الميكانيكية، مما يقلل التكاليف. ولا يُشكل النظام أي تهديد لحياة الطيور، ويعمل بصمت. ^{[ 17 ]}

يستخدم تصميم سافونيان طبقًا متذبذبًا لتحريك مكبس، والذي يتصل بدوره بمولد كهربائي. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

يتكون مولد ويندبيم من عارضة معلقة بنوابض داخل إطار خارجي. تتذبذب العارضة بسرعة عند تعرضها لتدفق الهواء نتيجة لظواهر تدفق السوائل المتعددة. يقوم مولد تيار متردد خطي بتحويل حركة العارضة. يساهم غياب المحامل والتروس في التخلص من عدم الكفاءة الناتجة عن الاحتكاك والضوضاء. تتميز التكاليف بانخفاضها نظرًا لانخفاض تكلفة المكونات وبساطة التصميم. ^{[ 20 ]}

حزام ويندبلت هو حزام مرن مشدود يهتز بفعل تدفق الهواء المار، نتيجةً للرفرفة المرنة الهوائية. يتذبذب مغناطيس مثبت في أحد طرفي الحزام داخل وخارج اللفائف الحلزونية، مولدًا الكهرباء. المخترع هو شون فراين. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

التوربين الحلزوني غورلوف (GHT) هو تعديل لتصميم توربين داريوس يستخدم شفرات/رقائق حلزونية . ^{[ 25 ] [ 26 ]}

يستخدم أحد التصاميم العديد من الشفرات المصنوعة من النايلون لتشغيل المولد. توجد مغانطه الدائمة على أطراف الشفرات، بينما الجزء الثابت عبارة عن حلقة خارج الشفرات. ^{[ 27 ]}

التوربينة الدوارة هي توربينة ذات محور رأسي تدور فيها شفرة واحدة في اتجاه معين بينما تتحرك شفرة أخرى في الاتجاه المعاكس. ونتيجة لذلك، تعمل شفرة واحدة فقط في كل مرة. كفاءتها منخفضة. ^{[ 28 ]}

توربينات الرياح ذات الأجنحة الدوارة، أو توربينات الرياح ذات الأجنحة الدوارة، هي فئة من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من نوع الرفع والتي تستخدم جناحًا واحدًا قائمًا رأسيًا وغير حلزوني لتوليد دوران 360 درجة حول عمود رأسي يمر عبر مركز الجناح.

توربين متعدد الاتجاهات يستخدم مبدأ برنولي لتوليد الطاقة من الرياح القادمة من أي اتجاه. يتميز بتصميم كروي الشكل مع عدد من القنوات على سطحه، ويؤدي فرق الضغط إلى دورانه. وقد فاز هذا التصميم بجائزة جيمس دايسون لعام 2018. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

طُوّرت تقنية INVELOX من شركة SheerWind على يد داريوش علائي. يعمل مدخل كبير على شكل قمع كمُركّز للرياح، وينتهي بقسم فنتوري . تخرج الرياح من مُشتّت؛ وتُوضع التوربينات داخل قسم فنتوري. داخل قسم فنتوري، يكون الضغط الديناميكي مرتفعًا بينما يكون الضغط الساكن منخفضًا. يُحوّل التوربين الضغط الديناميكي أو الطاقة الحركية إلى دوران ميكانيكي، ومن ثم إلى طاقة كهربائية باستخدام مُولّد. ^{[ 31 ] [ 32 ]} تم بناء الجهاز واختباره، لكنه وُجّهت إليه انتقادات بسبب انخفاض كفاءته. ^{[ 33 ]} اعتبارًا من عام 2017يجري تركيب النماذج الأولية. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

يمكن تركيب توربينات الرياح على أسطح المباني. ومن الأمثلة على ذلك صومعة مارثالن لاندي في سويسرا، ومبنى المجلس رقم 2 في ملبورن ، أستراليا . أما توربين ريدج بليد في المملكة المتحدة فهو توربين رياح رأسي مثبت على جانبه في قمة سقف مائل. ومن الأمثلة الأخرى توربين أيولتا أير كيوب في فرنسا. وبرج ديسكفري هو مبنى مكاتب في هيوستن ، تكساس ، يضم عشرة توربينات رياح.

بدأ متحف العلوم في بوسطن، ماساتشوستس، بإنشاء مختبر توربينات الرياح على سطحه عام ٢٠٠٩. ^{[ ٣٦ ]} يختبر المختبر تسعة توربينات رياح من خمس شركات مصنعة مختلفة. قد تعاني توربينات الرياح المثبتة على الأسطح من الاضطرابات الجوية، خاصة في المدن، مما يقلل من إنتاج الطاقة ويسرع من تآكل التوربينات. ^{[ ٣٧ ]} يسعى المختبر إلى معالجة النقص العام في بيانات الأداء لتوربينات الرياح الحضرية. ^{[ ٣٦ ]}

نظراً للقيود الهيكلية للمباني، ومحدودية المساحة في المناطق الحضرية، واعتبارات السلامة، فإن توربينات المباني عادةً ما تكون صغيرة (بقدرات منخفضة بالكيلوواط ) . ويُستثنى من ذلك مركز البحرين التجاري العالمي الذي يضم ثلاث  توربينات رياح بقدرة 225 كيلوواط مثبتة بين ناطحتي سحاب متطابقتين.

تدعو المقترحات إلى توليد الطاقة من الطاقة الكامنة في تيار الهواء الناتج عن حركة المرور. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

قامت بعض المنشآت بتركيب مراكز للزوار على قواعد التوربينات، أو بتوفير مناطق للمشاهدة. ^{[ 40 ]} أما توربينات الرياح نفسها فهي ذات تصميم تقليدي بشكل عام، بينما تؤدي أدوارًا غير تقليدية تتمثل في عرض التكنولوجيا والعلاقات العامة والتثقيف.