توربينات الرياح ذات المحور الرأسي

تُعدّ توربينات الرياح ذات المحور الرأسي ( VAWT ) نوعًا من توربينات الرياح حيث يكون عمود الدوّار الرئيسي متعامدًا مع اتجاه الرياح، بينما تقع المكونات الرئيسية في قاعدة التوربين. يسمح هذا الترتيب بوضع المولد وعلبة التروس بالقرب من الأرض، مما يُسهّل الصيانة والإصلاح. لا تحتاج توربينات الرياح ذات المحور الرأسي إلى التوجيه باتجاه الرياح، ^{[ 3 ] [ 4 ]} مما يُغني عن الحاجة إلى آليات استشعار الرياح والتوجيه. من أبرز عيوب التصاميم المبكرة ( سافونيوس ، داريوس، والدوامة الدوارة ) التموج الكبير في عزم الدوران خلال كل دورة وعزوم الانحناء الكبيرة على الشفرات. عالجت التصاميم اللاحقة مشكلة تموج عزم الدوران من خلال تحريك الشفرات بشكل حلزوني ( من نوع غورلوف ). ^{[ 5 ]} لا تنتشر توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من نوع سافونيوس على نطاق واسع، ولكن بساطتها وأداؤها الأفضل في حقول التدفق المضطربة، مقارنةً بتوربينات الرياح الصغيرة ذات المحور الأفقي ، تجعلها بديلاً جيداً لأجهزة التوليد الموزع في البيئة الحضرية. ^{[ 6 ]}

تتميز توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بأن محورها عمودي على خطوط انسياب الرياح وعمودي على الأرض. ويُستخدم مصطلح "توربينات الرياح ذات المحور العرضي" أو "توربينات الرياح ذات التدفق المتقاطع" بشكل عام ليشمل هذا الخيار. على سبيل المثال، تتضمن براءة اختراع داريوس الأصلية، براءة الاختراع الأمريكية رقم 1835018، كلا الخيارين.

تعمل توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من نوع السحب، مثل دوار سافونيوس، عادةً بنسب سرعة طرفية أقل من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي القائمة على الرفع، مثل دوارات داريوس والتوربينات الدائرية .

تشير نماذج المحاكاة الحاسوبية إلى أن توربينات الرياح ذات المحور الرأسي، والمُرتبة في مزارع الرياح ، قد تُولّد طاقةً تزيد بنسبة 15% لكل توربين مقارنةً بتوليدها منفردةً. ^{[ 7 ] [ 8 ]} بعض هذه التوربينات، مثل تصميم مولدات Airfoil، تُنتج اضطرابًا ضئيلاً جدًا بعد التوربين، مما يسمح بتركيبها على مسافات أقرب لتحقيق استخدام أكثر فعالية للأرض. ^{[ 9 ]}

يوضح الشكل 1 القوى والسرعات المؤثرة في توربين داريوس. متجه السرعة الناتج،${\displaystyle {\vec {W}}}$، هو المجموع الاتجاهي لسرعة الهواء غير المضطربة في اتجاه التيار،${\displaystyle {\vec {U}}}$، ومتجه سرعة الشفرة المتقدمة،${\displaystyle -{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}}$.

${\displaystyle {\vec {W}}={\vec {U}}+\left(-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right)}$

وبالتالي، تتغير سرعة السائل المتدفق خلال كل دورة. وتُحسب السرعة القصوى عند${\displaystyle \theta =0{}^{\circ }}$ويتم إيجاد الحد الأدنى لـ${\displaystyle \theta =180{}^{\circ }}$، أين${\displaystyle \theta }$هو موضع الشفرة السمتي أو المداري. زاوية الهجوم ،${\displaystyle \alpha }$تمثل الزاوية بين سرعة الهواء القادم، W، ووتر الشفرة. ويؤدي تدفق الهواء الناتج إلى خلق زاوية هجوم موجبة متغيرة للشفرة في المنطقة الأمامية من الآلة، وتنعكس إشارتها في المنطقة الخلفية من الآلة.

ويترتب على الاعتبارات الهندسية للسرعة الزاوية كما هو موضح في الشكل المرفق ما يلي:

${\displaystyle V_{t}=R\omega +U\cos(\theta )}$

و:

${\displaystyle V_{n}=U\sin(\theta )}$

وبحل المعادلة لإيجاد السرعة النسبية كمحصلة للمركبتين المماسية والعمودية، نحصل على:

${\displaystyle W={\sqrt {V_{t}^{2}+V_{n}^{2}}}}$^{[ 10 ]}

وبالتالي، بدمج ما سبق مع تعريفات نسبة سرعة طرف الشفرة${\displaystyle \lambda =(\omega R)/U}$ينتج عن ذلك التعبير التالي للسرعة المحصلة:

${\displaystyle W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}}$^{[ 11 ]}

يتم حساب زاوية الهجوم على النحو التالي:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {V_{n}}{V_{t}}}\right)}$

والذي عند استبدال ما سبق ينتج عنه:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)}$^{[ 12 ]}

تُحلل القوة الديناميكية الهوائية الناتجة إما إلى مركبتي الرفع (L) والسحب (D)، أو إلى مركبتي العمودي (N) والمماسي (T). وتُعتبر القوى مؤثرة عند نقطة ربع الوتر، ويُحدد عزم الدوران لتحليل القوى الديناميكية الهوائية. يشير مصطلحا الرفع والسحب في علم الطيران إلى القوى المؤثرة عرضيًا (الرفع) وعلى طول (السحب) تدفق الهواء النسبي الصافي المقترب. تؤثر القوة المماسية على طول سرعة الشفرة، ساحبةً إياها، بينما تؤثر القوة العمودية شعاعيًا، دافعةً محامل العمود. تُعد قوة الرفع والسحب مفيدة عند التعامل مع القوى الديناميكية الهوائية المحيطة بالشفرة، مثل التوقف الديناميكي والطبقة الحدية، وما إلى ذلك؛ بينما عند التعامل مع الأداء الكلي وأحمال الإجهاد، وما إلى ذلك، يكون من الأنسب استخدام إطار عمودي-مماسي. عادة ما يتم تطبيع معاملات الرفع والسحب بواسطة الضغط الديناميكي لتدفق الهواء النسبي، بينما يقوم الضغط الديناميكي لسرعة السائل غير المضطرب في اتجاه المنبع عادةً بتطبيع المعاملات العمودية والمماسية.

${\displaystyle C_{L}={\frac {F_{L}}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{D}={\frac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{T}={\frac {T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{ }};{\text{ }}C_{N}={\frac {N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}}$

A = مساحة الشفرة (لا يجب الخلط بينها وبين المساحة الممسوحة، والتي تساوي ارتفاع الشفرة/الدوار مضروبًا في قطر الدوار)، R = نصف قطر التوربين

مقدار الطاقة، P، التي يمكن أن تمتصها توربينات الرياح:

${\displaystyle P={\frac {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}}$

أين${\displaystyle C_{p}}$هو معامل القدرة،${\displaystyle \rho }$هي كثافة الهواء،${\displaystyle A}$هي المساحة التي يغطيها التوربين، و${\displaystyle \nu }$هي سرعة الرياح. ^{[ 13 ]}

يوجد نوعان رئيسيان من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي، وهما توربينات سافونيوس وتوربينات داريوس. يأتي دوار داريوس بأشكال فرعية متنوعة، منها الحلزوني والقرصي، بالإضافة إلى الدوار ذي الشفرات المستقيمة على شكل حرف H. تتميز هذه التوربينات عادةً بثلاث شفرات دوارة رفيعة تُدار بقوى الرفع، مما يسمح لها بالوصول إلى سرعات عالية.

قد توجد تصاميم بسيطة متنوعة لتوربينات الرياح العمودية، كما هو موضح أدناه. عمليًا، قد تصادف مجموعة من الاختلافات والتركيبات، حيث يُظهر المطورون إبداعهم باستمرار في ابتكار أشكال متنوعة من توربينات الرياح العمودية.

سافونيوس

توربينات سافونيوس الهوائية (SWT) هي توربينات هوائية ذات محور رأسي تعمل بنظام السحب. يتضمن تصميمها الشائع عمودًا دوارًا مزودًا بمجرفتين أو ثلاث مجارف لالتقاط الرياح القادمة. نظرًا لتصميمها البسيط والمتين وكفاءتها المنخفضة نسبيًا، تُستخدم هذه التوربينات عندما تكون الموثوقية أهم من الكفاءة. أحد أسباب انخفاض كفاءة توربينات سافونيوس الهوائية هو أن نصفها تقريبًا فقط يُولّد عزم دوران موجب، بينما يتحرك النصف الآخر عكس اتجاه الرياح، مما يُنتج عزم دوران سالب. من بين أنواع توربينات سافونيوس الهوائية، توربينات هارموني الهوائية ^{[ 14 ]} ذات الشفرات الحلزونية الشكل وآلية لفّ تلقائية في ظروف الرياح عالية السرعة.

توفر توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs) عدداً من المزايا مقارنة بتوربينات الرياح التقليدية ذات المحور الأفقي (HAWTs):

• قد لا تحتاج توربينات الرياح ذات المحور الرأسي متعددة الاتجاهات إلى تتبع اتجاه الرياح. وهذا يعني أنها لا تتطلب آلية معقدة ومحركات لتوجيه الدوار وتغيير زاوية ميل الشفرات . ^{[ 16 ]}
• يُعدّ استبدال علبة التروس وصيانتها أسهل وأكثر كفاءة، إذ يُمكن الوصول إليها من مستوى الأرض بدلاً من أن يعمل المشغل على ارتفاع مئات الأقدام. وتُشكّل أعطال المحرك وعلبة التروس عموماً اعتباراتٍ هامة في التشغيل والصيانة.
• يمكن استخدام أساسات الركائز اللولبية في بعض التصاميم ، مما يقلل من نقل الخرسانة براً والأثر البيئي للتركيب. ويمكن إعادة تدوير الركائز اللولبية بالكامل عند انتهاء عمرها الافتراضي.
• يمكن تركيب توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs) في مزارع الرياح ذات المحور الأفقي (HAWTs) أسفل توربينات الرياح ذات المحور الأفقي الموجودة، مما يساهم في زيادة إنتاج الطاقة. ^{[ 17 ]}
• قد تعمل توربينات الرياح ذات المحور الرأسي في ظروف غير مناسبة لتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي. على سبيل المثال، غالبًا ما يُستخدم دوار سافونيوس ، الذي يمكنه العمل في ظروف رياح أرضية بطيئة وغير منتظمة، في مواقع نائية أو غير مأهولة على الرغم من أنه أقل أنواع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي كفاءة، ويعتمد على مقاومة الهواء.
• انخفاض الضوضاء مقارنة بتوربينات الرياح الأفقية ^{[ 18 ]}
• انخفاض الخطر على الطيور ^{[ 19 ]}

تعاني بعض أنواع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من توقف ديناميكي للشفرات نتيجة لتغير زاوية الهجوم بسرعة. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

تتعرض شفرات توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من نوع داريوس للإجهاد نتيجة التباين الكبير في القوى المؤثرة عليها خلال كل دورة. ويمكن أن تلتوي هذه الشفرات وتنحني أثناء كل دورة، مما يُقصر عمرها الافتراضي. أما في نوعي إيرفويل وسافونيوس، فإن انثناء الشفرات أقل إشكالية، حيث تكون الشفرات مدعومة على طولها بالكامل.

باستثناء أنواع السحب، أثبتت توربينات الرياح ذات المحور الرأسي أنها أقل موثوقية من توربينات الرياح ذات المحور الأفقي ، ^{[ 23 ]} على الرغم من أن التصاميم الحديثة قد تغلبت على العديد من المشكلات المبكرة. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

أجرت دراسة عام 2021 محاكاة لتكوين توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT) أظهرت تفوقها على توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT) المماثلة بنسبة 15%. وأظهرت محاكاة استمرت 11500 ساعة زيادة في الكفاءة، ويعود ذلك جزئيًا إلى استخدام تشكيل شبكي. ومن بين فوائد هذا التشكيل تجنب الاضطرابات في اتجاه تدفق الهواء الناتجة عن ترتيب توربينات الرياح ذات المحور الأفقي في الشبكة، والتي تُقلل من الكفاءة. وشملت التحسينات الأخرى زاوية المصفوفة، واتجاه الدوران، والمسافة بين التوربينات، وعدد الدوارات. ^{[ 26 ]}

في عام 2022، قدمت شركة "وورلد وايد ويند" النرويجية توربينات رياح عمودية عائمة مزودة بمجموعتين من الشفرات المتعاكسة الدوران. تُثبّت المجموعتان على أعمدة متحدة المركز، ولكل منهما توربين مُلحق. يُثبّت أحدهما على الدوّار والآخر على الجزء الثابت . يُضاعف هذا التصميم سرعة كل منهما مقارنةً بالجزء الثابت. وقد ادّعت الشركة أنها تُضاعف إنتاج الطاقة أكثر من مرتين مقارنةً بأكبر توربينات الرياح الأفقية. تتطلب توربينات الرياح الأفقية أنظمة نقل حركة ثقيلة، وعلب تروس، ومولدات، وشفرات في أعلى البرج، مما يستلزم وجود أوزان موازنة ثقيلة تحت الماء. أما توربينات الرياح العمودية، فتضع معظم المكونات الثقيلة في أسفل البرج، مما يُقلل الحاجة إلى أوزان الموازنة. تُغطي الشفرات مساحة مخروطية، مما يُساعد على تقليل الاضطرابات في اتجاه الريح لكل برج، وبالتالي زيادة أقصى كثافة للأبراج. وتدّعي الشركة أنها ستُشيّد وحدة بطول 400 متر (1300 قدم) وقدرة 40 ميغاواط. ^{[ 27 ]}  

في عام 2024، أجرى المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) دراسةً حول تصميم مولدات الطاقة ذات الشكل الانسيابي . ونتيجةً لذلك، أُقيمت شراكة استراتيجية بين ثلاث شركات من الغرب الأوسط الأمريكي لبناء أول نموذج أولي كامل الحجم لمولدات الطاقة ذات الشكل الانسيابي. ^{[ 28 ]} سيستمر البناء حتى عام 2026، ومن المقرر أن يبدأ التشغيل الأول في سبتمبر 2027.

طُوِّرت توربينات الرياح العمودية الصغيرة "ويندسباير"، المُخصصة للاستخدام الفردي (في المنزل أو المكتب)، في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين من قِبل شركة "ماريا باور" الأمريكية. وأفادت الشركة أنه تم تركيب العديد من الوحدات في جميع أنحاء الولايات المتحدة بحلول يونيو 2008. ^{[ 29 ]}

تقوم شركة Arborwind، ومقرها آن أربور بولاية ميشيغان ، بإنتاج توربينات الرياح العمودية الصغيرة الحاصلة على براءة اختراع والتي تم تركيبها في العديد من المواقع الأمريكية اعتبارًا من عام 2013. ^{[ 30 ]}

في عام ٢٠١١، بدأ باحثون في مجال طاقة الرياح في مختبرات سانديا الوطنية دراسةً استمرت خمس سنوات لتطبيق تقنية تصميم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT) على مزارع الرياح البحرية. ^{[ ٣١ ]} وذكر الباحثون: "تختلف الجدوى الاقتصادية لطاقة الرياح البحرية عن التوربينات البرية، نظرًا لتحديات التركيب والتشغيل. توفر توربينات الرياح ذات المحور الرأسي ثلاث مزايا رئيسية من شأنها خفض تكلفة طاقة الرياح: انخفاض مركز ثقل التوربين، وتبسيط تصميم الآلة، وقابلية التوسع بشكل أفضل إلى أحجام كبيرة جدًا. يعني انخفاض مركز الثقل تحسين الاستقرار في الماء وتقليل أحمال الإجهاد الناتجة عن الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك، يقع نظام نقل الحركة في توربينات الرياح ذات المحور الرأسي على السطح أو بالقرب منه، مما قد يُسهّل الصيانة ويقلل من وقتها. يؤدي قلة عدد الأجزاء، وانخفاض أحمال الإجهاد، وتبسيط الصيانة إلى خفض تكاليف الصيانة."

قام جون دابيري، أستاذ علوم الطيران في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، بتركيب وحدة تجريبية من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT) مكونة من 24 وحدة في جنوب كاليفورنيا في أوائل العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين . وقد تم دمج تصميمه في مزرعة توليد طاقة مكونة من 10 وحدات تم تركيبها في عام 2013 في قرية إيغيوغيك في ألاسكا. ^{[ 32 ]}

حصلت مدينة دولاس، أنجلسي ، في مارس 2014 على ترخيص لتركيب نموذج أولي لتوربين رياح عمودي على كاسر الأمواج في ميناء تالبوت. التوربين ذو تصميم جديد، من إنتاج شركة C-FEC (سوانزي) التي تتخذ من ويلز مقرًا لها، ^{[ 33 ]} وسيتم تشغيله لفترة تجريبية مدتها سنتان. ^{[ 34 ]} يشتمل هذا التوربين على واقٍ للرياح يحجبها عن الشفرات المتقدمة، مما يستلزم وجود مستشعر لاتجاه الرياح وآلية لتحديد الموقع، على عكس أنواع توربينات الرياح العمودية التقليدية التي تُعرف باسم "مضرب البيض" والتي سبق ذكرها. ^{[ 33 ]}

تنتج شركة StrongWind، وهي شركة كندية ، توربينات الرياح العمودية الحضرية الحاصلة على براءة اختراع والتي تم تركيبها في العديد من المواقع الكندية والدولية اعتبارًا من عام 2023. ^{[ 35 ]}

قام المهندس المعماري مايكل رينولدز (المعروف بتصاميمه لمنازل إيرثشيب ) بتطوير توربين رياح عمودي من الجيل الرابع يُدعى دايناسفير . يحتوي على  مولدين بقدرة 1.5 كيلوواط ويمكنه إنتاج الكهرباء بسرعات منخفضة للغاية. ^{[ 36 ]}

• توربينات رياح غير تقليدية
• مروحة التدفق المتقاطع

• صورة القبو لهذا اليوم تُظهر توربينة رياح عمودية (VAWT) مستعرضة للرياح، ولكن محورها أفقي، مما لا يسمح بتسمية الآلة توربينة رياح أفقية (HAWT).