تصميم توربينات الرياح

يحدث التوقف في جناح الطائرة عندما يمر الهواء فوقه بطريقة تؤدي إلى انخفاض سريع في قوة الرفع المتولدة . عادةً ما يكون هذا بسبب زاوية الهجوم العالية ، ولكنه قد ينتج أيضًا عن تأثيرات ديناميكية. يمكن تصميم شفرات التوربينات ذات الميل الثابت بحيث تتوقف عند سرعات الرياح العالية، مما يبطئ دورانها. ^{[ 5 ]} هذه آلية أمان بسيطة للمساعدة في منع التلف. مع ذلك، باستثناء الأنظمة ذات الميل المتحكم به ديناميكيًا، لا يمكنها إنتاج طاقة ثابتة عبر نطاق واسع من سرعات الرياح، مما يجعلها أقل ملاءمة لتطبيقات شبكات الطاقة واسعة النطاق . ^{[ 6 ]}

تزيد توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT) ذات السرعة الثابتة بطبيعتها من زاوية هجومها مع ازدياد سرعة الرياح نتيجة لتسارع شفراتها. ولذا، تتمثل إحدى الاستراتيجيات الطبيعية في السماح للشفرة بالتوقف عن الدوران عند ازدياد سرعة الرياح. وقد استُخدمت هذه التقنية بنجاح في العديد من توربينات الرياح ذات المحور الأفقي المبكرة. إلا أن درجة ميل الشفرات كانت تميل إلى زيادة مستويات الضوضاء.

يمكن استخدام مولدات الدوامات للتحكم في خصائص رفع الشفرة. توضع مولدات الدوامات على سطح الجناح لتعزيز الرفع إذا وُضعت على السطح السفلي (الأكثر استواءً)، أو للحد من أقصى رفع إذا وُضعت على السطح العلوي (الأكثر تقوسًا). ^{[ 7 ]}

تعمل تقنية لفّ الشفرات على تقليل زاوية الهجوم، مما يقلل من مقاومة الهواء ومساحة المقطع العرضي للشفرة. إحدى المشكلات الرئيسية هي إيقاف الشفرات أو لفّها بسرعة كافية في حالة هبوب عاصفة رياح. عند توقف شفرة التوربين الملفوفة بالكامل، يكون طرفها مواجهًا للريح.

يمكن تقليل الأحمال بجعل النظام الإنشائي أكثر مرونة. ^{[ 3 ]} ويمكن تحقيق ذلك باستخدام دوارات موجهة مع اتجاه الرياح أو شفرات منحنية تلتف بشكل طبيعي لتقليل زاوية الهجوم عند سرعات الرياح العالية. هذه الأنظمة غير خطية وتربط الهيكل بمجال التدفق، مما يتطلب تطوير أدوات التصميم لمحاكاة هذه اللاخطية.

تُطوى جميع التوربينات القياسية في الرياح العاتية. ولأن عملية الطي تتطلب مقاومة عزم الدوران المؤثر على الشفرة، فإنها تستلزم نوعًا من التحكم في زاوية الميل، والذي يتحقق باستخدام محرك دوران . يقوم هذا المحرك بضبط زاوية الشفرة بدقة مع تحمل أحمال عزم الدوران العالية. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم العديد من التوربينات أنظمة هيدروليكية. عادةً ما تكون هذه الأنظمة مزودة بنابض، بحيث تُطوى الشفرات تلقائيًا في حالة انقطاع الطاقة الهيدروليكية. تستخدم توربينات أخرى محركًا كهربائيًا مؤازرًا لكل شفرة، ولديها بطارية احتياطية في حالة انقطاع التيار الكهربائي. أما توربينات الرياح الصغيرة (أقل من 50  كيلوواط) ذات زاوية الميل المتغيرة ، فتستخدم عمومًا أنظمة تعمل بقوة الطرد المركزي، إما عن طريق أثقال الطرد المركزي أو التصميم الهندسي، وتتجنب استخدام أنظمة التحكم الكهربائية أو الهيدروليكية.

توجد ثغرات جوهرية في التحكم بزاوية ميل شفرات التوربينات، مما يحد من خفض تكاليف الطاقة، وفقًا لتقرير ممول من مركز أتكينسون للمستقبل المستدام . وينصب التركيز حاليًا على خفض الأحمال من خلال التحكم بزاوية ميل الشفرات على امتدادها الكامل، نظرًا لأن محركات زاوية الميل الفردية هي المشغلات في التوربينات التجارية. وقد أظهرت عمليات المحاكاة انخفاضًا ملحوظًا في الأحمال للشفرات والبرج ونظام الدفع. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث لزيادة كفاءة استخلاص الطاقة وتقليل أحمال الإجهاد.

تُطبَّق تقنية تحكم في زاوية ميل الأجنحة بمقارنة القدرة الناتجة بقيمة القدرة عند سرعة المحرك المقدرة (القدرة المرجعية، Ps المرجعية). ويتم التحكم في الميل باستخدام وحدة تحكم تناسبية تكاملية (PI). ولضبط الميل بسرعة كافية، يستخدم المشغل ثابت الزمن Tservo، ومكاملًا، ومحددات. وتتراوح زاوية الميل بين 0° و30° بمعدل تغيير قدره 10°/ثانية.

كما هو موضح في الشكل على اليمين، تتم مقارنة زاوية الميل المرجعية بزاوية الميل الفعلية b، ثم يقوم المشغل بتصحيح الفرق. تمر زاوية الميل المرجعية، المُستمدة من وحدة التحكم التناسبية التكاملية (PI)، عبر مُحدد. تُعد القيود ضرورية للحفاظ على زاوية الميل ضمن النطاق الفعلي. ويُصبح الحد من معدل التغيير بالغ الأهمية أثناء أعطال الشبكة. وتكمن هذه الأهمية في أن وحدة التحكم تُحدد مدى سرعة تقليل الطاقة الديناميكية الهوائية لتجنب التسارع أثناء حدوث الأخطاء. ^{[ 3 ]}

تعمل توربينات الرياح الكبيرة الحديثة بسرعات متغيرة. فعندما تنخفض سرعة الرياح عن السرعة المقننة للتوربين، يُستخدم عزم دوران المولد للتحكم في سرعة الدوار بهدف استخلاص أكبر قدر ممكن من الطاقة. ويتم استخلاص أقصى قدر من الطاقة عندما تكون نسبة سرعة طرف الشفرة ثابتة عند قيمتها المثلى (عادةً ما بين 6 و7). وهذا يعني أن سرعة الدوار تزداد تناسبياً مع سرعة الرياح. ويتحكم الفرق بين عزم الدوران الديناميكي الهوائي الذي تستخلصه الشفرات وعزم دوران المولد في سرعة الدوار. فإذا كان عزم دوران المولد منخفضاً، يتسارع الدوار، وإذا كان مرتفعاً، يتباطأ. عند سرعات رياح أقل من السرعة المقننة، يكون التحكم في عزم دوران المولد فعالاً، بينما تُثبّت زاوية ميل الشفرة عادةً عند الزاوية الثابتة التي تستخلص أكبر قدر من الطاقة، وهي زاوية شبه مستوية مع اتجاه الرياح. أما عند سرعات رياح أعلى من السرعة المقننة، فيُثبّت عزم دوران المولد عادةً، بينما تُعدّل زاوية ميل الشفرة وفقاً لذلك.

إحدى تقنيات التحكم في المحرك المتزامن ذي المغناطيس الدائم هي التحكم الموجه بالمجال . التحكم الموجه بالمجال هو استراتيجية حلقة مغلقة تتكون من وحدتي تحكم في التيار (حلقة داخلية وحلقة خارجية متتالية) ضروريتين للتحكم في عزم الدوران، ووحدة تحكم واحدة في السرعة.

في استراتيجية التحكم هذه، يُحافظ على تيار المحور d عند الصفر، بينما يُحاذي تيار المتجه المحور q للحفاظ على زاوية عزم الدوران عند 90 ^درجة . تُعد هذه استراتيجية تحكم شائعة لأن المطلوب هو التحكم فقط في تيار Iqs. معادلة عزم دوران المولد هي معادلة خطية تعتمد فقط على تيار Iqs.

إذن، عزم الدوران الكهرومغناطيسي لـ Ids = 0 (يمكننا تحقيق ذلك باستخدام وحدة التحكم في المحور d) هو الآن:

${\displaystyle Te=3/2p(\lambda pmIqs+(Lds-Lqs)IdsIqs)=3/2p\lambda pmIqs}$

وبالتالي، يوضح الشكل النظام الكامل لمحول جانب الآلة وحلقات التحكم التناسبي التكاملي المتتالية. مدخلات التحكم هي نسب التشغيل m_{_ds} و m _{_qs} لمحول PWM المنظم. يوضح الشكل مخطط التحكم لتوربين الرياح في جانب الآلة، وكيفية انخفاض I_{_ds} إلى الصفر (معادلة العزم خطية).

تُتحكم التوربينات الكبيرة عادةً بشكل فعال لتوجيهها نحو اتجاه الرياح المُقاس بواسطة مؤشر اتجاه الرياح الموجود في الجزء الخلفي من غلاف المحرك . ومن خلال تقليل زاوية الانحراف (عدم التوافق بين اتجاه الرياح واتجاه توجيه التوربين)، يتم تعظيم إنتاج الطاقة وتقليل الأحمال غير المتناظرة. ومع ذلك، نظرًا لتغير اتجاه الرياح، لا يتبع التوربين اتجاه الرياح بدقة، ويتعرض لزاوية انحراف صغيرة في المتوسط. ويمكن تقريب خسائر إنتاج الطاقة بمعادلة ( cos (زاوية الانحراف)) ^³ . خاصةً عند سرعات الرياح المنخفضة إلى المتوسطة، يمكن أن يؤدي الانحراف إلى انخفاض كبير في الإنتاج، حيث تصل التغيرات الشائعة في اتجاه الرياح إلى 30 درجة. أما عند سرعات الرياح العالية، فيكون اتجاه الرياح أقل تغيرًا.

يمكن كبح التوربينات الصغيرة عن طريق تحويل الطاقة من المولد إلى مجموعة من المقاومات ، مما يحول الطاقة الحركية إلى حرارة. تُعد هذه الطريقة مفيدة إذا انخفض الحمل الحركي على المولد فجأة أو كان ضئيلاً للغاية بحيث لا يسمح بالحفاظ على سرعة التوربين ضمن حدودها المسموح بها.

يؤدي الكبح الدوري إلى إبطاء دوران الشفرات، مما يزيد من احتمالية توقفها ويقلل من كفاءتها. ويمكن الحفاظ على سرعة دوران آمنة في الرياح العاتية مع الحفاظ على إنتاج الطاقة (الاسمية). ولا تُستخدم هذه الطريقة عادةً في توربينات الرياح الكبيرة المتصلة بالشبكة.

تُستخدم مكابح الأسطوانة أو القرص الميكانيكية لإيقاف دوران التوربين في حالات الطوارئ، مثل العواصف الشديدة. وتُعدّ هذه المكابح وسيلة ثانوية لتثبيت التوربين أثناء الصيانة، بينما يُعتبر نظام قفل الدوّار الوسيلة الأساسية. وعادةً ما تُستخدم هذه المكابح فقط بعد أن يُخفّض نظام لفّ الشفرات والكبح الكهرومغناطيسي سرعة التوربين، لأنّ المكابح الميكانيكية قد تُسبّب نشوب حريق داخل غلاف التوربين إذا استُخدمت بأقصى سرعة. ويزداد حمل التوربين عند استخدام المكابح عند سرعة الدوران المُصنّفة .

تخضع مولدات توربينات الرياح واسعة النطاق لحدود دنيا لدرجة حرارة التشغيل، تُطبق في المناطق التي تقل فيها درجات الحرارة عن -20 درجة مئوية (-4 درجات فهرنهايت) . يجب حماية التوربينات من تراكم الجليد الذي قد يُؤدي إلى عدم دقة قراءات مقياس سرعة الرياح ، والذي قد يُسبب، في بعض تصميمات التحكم في التوربينات، أحمالًا عالية على الهيكل وأضرارًا. يُقدم بعض مُصنّعي التوربينات حزمًا خاصة بدرجات الحرارة المنخفضة بتكلفة إضافية، تشمل سخانات داخلية، ومواد تشحيم مختلفة، وسبائك مختلفة للعناصر الهيكلية. في حال اقتران درجات الحرارة المنخفضة بظروف رياح خفيفة، يحتاج التوربين إلى مصدر طاقة خارجي، يُعادل بضعة بالمئة من إنتاجه المُصنّف، للتدفئة الداخلية. على سبيل المثال، تبلغ القدرة الإجمالية لمزرعة رياح سانت ليون في مانيتوبا ، كندا، 99 ميغاواط، ويُقدّر أنها تحتاج إلى ما يصل إلى 3 ميغاواط (حوالي 3% من السعة) من طاقة خدمة المحطة لبضعة أيام في السنة لدرجات حرارة تصل إلى -30 درجة مئوية (-22 درجة فهرنهايت) .      

في توربينات الرياح التقليدية، تدور الشفرات حول عمود متصل بالمولد عبر علبة تروس. تقوم علبة التروس بتحويل سرعة دوران الشفرات (من 15 إلى 20 دورة في الدقيقة لتوربين بقدرة ميغاواط واحد) إلى 1800 دورة في الدقيقة (من 750 إلى 3600 دورة في الدقيقة) التي يحتاجها المولد لتوليد الكهرباء. ^{[ 11 ]} تُعد علب التروس من أغلى مكونات تركيب وصيانة توربينات الرياح. ويُقدّر محللو شركة GlobalData أن سوق علب التروس نما من 3.2 مليار دولار أمريكي في عام 2006 إلى 6.9 مليار دولار أمريكي في عام 2011. وكانت شركة Winergy رائدة في إنتاج علب التروس في عام 2011. ^{[ 12 ]} وقد تم استكشاف استخدام علب التروس المغناطيسية كوسيلة لخفض تكاليف الصيانة. ^{[ 13 ]}

في توربينات الرياح الكبيرة ذات المحور الأفقي، يُركّب المولد ^{[ 14 ]} داخل غلاف في أعلى البرج، خلف محور الدوّار. أما توربينات الرياح القديمة فتُولد الكهرباء عبر آلات غير متزامنة متصلة مباشرة بالشبكة. ويُساهم صندوق التروس في تقليل تكلفة المولد ووزنه. تحتوي المولدات التجارية على دوّار يحمل ملفًا مغناطيسيًا، مما يُنتج مجالًا مغناطيسيًا دوّارًا داخل مجموعة من الملفات تُسمى الجزء الثابت . ورغم أن الملف الدوّار يستهلك جزءًا ضئيلًا من طاقة المولد، إلا أن ضبط تيار المجال يسمح بالتحكم الدقيق في جهد الخرج.

يمكن مطابقة تردد وجهد خرج الدوار المتغير مع القيم الثابتة للشبكة باستخدام تقنيات متعددة، مثل مولدات الحث ذات التغذية المزدوجة أو محولات التأثير الكامل، التي تحول التيار المتغير التردد إلى تيار مستمر ثم تعيده إلى تيار متردد باستخدام العواكس . على الرغم من أن هذه البدائل تتطلب معدات باهظة الثمن وطاقة عالية التكلفة، إلا أن التوربين قادر على استغلال نسبة أكبر بكثير من طاقة الرياح. معظمها يعمل بجهد منخفض 660 فولت، لكن بعض توربينات المياه العميقة (بقدرة عدة ميغاواط) تعمل بجهد متوسط ​​3.3 كيلو فولت . ^{[ 15 ]}

في بعض الحالات، وخاصة عندما تكون في عرض البحر، يقوم محول تجميع كبير بتحويل شبكة التيار المتردد متوسطة الجهد لمزرعة الرياح إلى تيار مستمر وينقل الطاقة عبر كابل طاقة إلى محطة تحويل التيار المستمر عالي الجهد على اليابسة .

تُجري توربينات الرياح الهيدروليكية تعديلات التردد وعزم الدوران لصناديق التروس عبر سائل هيدروليكي مضغوط . عادةً، يقوم التوربين بضغط السائل بواسطة مضخة هيدروليكية في غلاف المحرك. في الوقت نفسه، تستطيع مكونات أرضية تحويل هذا الضغط إلى طاقة، وإعادة تدوير سائل التشغيل . عادةً ما يكون سائل التشغيل المستخدم في هذا النوع من النقل الهيدروستاتيكي هو الزيت، الذي يعمل كمادة تشحيم، مما يقلل الفاقد الناتج عن الاحتكاك في الوحدات الهيدروليكية ويسمح بنطاق واسع من درجات حرارة التشغيل. مع ذلك، تُجرى حاليًا دراسات على مفاهيم أخرى تتضمن استخدام الماء كسائل تشغيل نظرًا لوفرته وملاءمته للبيئة. ^{[ 16 ]}

توفر التوربينات الهيدروليكية مزايا عديدة من حيث تكاليف التشغيل ورأس المال. فهي تستخدم وحدات هيدروليكية ذات إزاحة متغيرة لتوفير ناقل حركة متغير باستمرار يتكيف في الوقت الفعلي. وهذا يفصل سرعة المولد عن سرعة الدوار، مما يمنع توقف التوربين ويسمح بتشغيله عند السرعة وعزم الدوران الأمثلين. ^{[ 17 ]} وبفضل ناقل الحركة المدمج هذا، تغني هذه الأنظمة الهيدروليكية عن الحاجة إلى علبة تروس تقليدية. علاوة على ذلك، يُحدث تحويل الطاقة الهيدروليكي، بدلاً من الميكانيكي، تأثيرًا مُخمدًا على تقلبات الدوران، مما يقلل من إجهاد نظام الدفع ويُحسّن من سلامة هيكل التوربين. بالإضافة إلى ذلك، يسمح استخدام سائل مضغوط بدلاً من المكونات الميكانيكية بتحويل الطاقة الكهربائية على الأرض بدلاً من غلاف التوربين، مما يُقلل من صعوبة الصيانة، ويُخفف من وزن التوربين ومركز ثقله. ^{[ 18 ]} وتشير الدراسات إلى أن هذه المزايا قد تُؤدي إلى خفض التكلفة المُوحدة للطاقة لتوربينات الرياح البحرية بنسبة تتراوح بين 3.9% و18.9%. ^{[ 19 ]}

قبل بضع سنوات، قامت شركة ميتسوبيشي، عبر فرعها أرتميس، بنشر توربينة الرياح الهيدروليكية الفريدة "سي أنجل" على نطاق واسع. وخضعت تقنية الإزاحة الرقمية لتجارب على "سي أنجل"، وهي توربينة رياح بقدرة 7 ميغاواط. يتميز هذا التصميم بقدرته على تعديل إزاحة الوحدة المركزية استجابةً لتقلبات سرعات الرياح، مما يحافظ على الكفاءة المثلى للنظام. ^{[ 20 ]} ومع ذلك، لا تزال هذه الأنظمة حديثة وفي مراحل مبكرة من التسويق مقارنةً بصناديق التروس التقليدية. ^{[ 21 ]}

تُزيل توربينات الرياح عديمة التروس (وتسمى أيضاً التوربينات ذات الدفع المباشر ) علبة التروس. وبدلاً من ذلك، يتم توصيل عمود الدوار مباشرة بالمولد، الذي يدور بنفس سرعة الشفرات.

تشمل مزايا مولدات الدفع المباشر ذات المغناطيس الدائم (PMDD) مقارنةً بالمولدات ذات التروس زيادة الكفاءة، وانخفاض الضوضاء، وإطالة العمر الافتراضي، وعزم دوران عالٍ عند سرعات دوران منخفضة، وتحديد المواقع بشكل أسرع وأكثر دقة، وصلابة أكبر في نظام الدفع. تُغني مولدات PMDD عن مُضاعِف سرعة التروس، الذي يكون عرضةً لتراكم كبير لعزم الدوران الناتج عن الإجهاد، وما يرتبط به من مشاكل في الموثوقية وتكاليف الصيانة. ^{[ 22 ]}

لتعويض بطء دوران مولدات الدفع المباشر، يُزاد قطر دوّار المولد ليستوعب عددًا أكبر من المغناطيسات لتوليد التردد والطاقة اللازمين. غالبًا ما تكون توربينات الرياح عديمة التروس أثقل وزنًا من توربينات الرياح المزودة بتروس. وقد أظهرت دراسة أوروبية أن موثوقية علبة التروس ليست المشكلة الرئيسية في توربينات الرياح. ولا تزال موثوقية توربينات الدفع المباشر البحرية غير معروفة، نظرًا لصغر حجم العينة.

يقدر خبراء من جامعة الدنمارك التقنية أن المولد المزود بعلبة تروس ومغناطيس دائم قد يتطلب 25  كجم/ميجاواط من عنصر النيوديميوم الأرضي النادر ، بينما قد يستخدم المولد غير المزود بعلبة تروس 250 كجم/ميجاواط. ^{[ 23 ]} 

في ديسمبر 2011، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية عن نقص حاد في العناصر الأرضية النادرة، مثل النيوديميوم. ^{[ 24 ]} تنتج الصين أكثر من 95% ^{[ 24 ]} من العناصر الأرضية النادرة، بينما ^{تمتلك شركة} هيتاشي أكثر من 600 براءة اختراع تغطي مغناطيس النيوديميوم . ^{[ 24 ] تتطلب} توربينات الدفع المباشر 600 ^{كيلوغرام}  من مادة المغناطيس الدائم لكل ميغاواط، وهو ما يعادل عدة مئات من الكيلوغرامات من العناصر الأرضية النادرة لكل ميغاواط، ^{[ 24 ] حيث} يُقدّر محتوى النيوديميوم بنسبة 31% من وزن المغناطيس ^. تستخدم أنظمة الدفع الهجينة (التي تقع بين الدفع المباشر والتروس التقليدية) كميات أقل بكثير من المواد الأرضية النادرة. في حين أن توربينات الرياح ذات المغناطيس الدائم لا تمثل سوى حوالي 5% من السوق خارج الصين، فإن حصتها السوقية داخل الصين تُقدّر بنسبة 25% أو أكثر. ^{[ 24 ] : 20} في عام 2011، قُدِّر الطلب على النيوديميوم في توربينات الرياح بخمس الطلب عليه في المركبات الكهربائية. ^{[ 24 ] : 91}

تُسمى النسبة بين سرعة الشفرة وسرعة الرياح بنسبة سرعة طرف الشفرة . تتميز توربينات الرياح ثلاثية الشفرات عالية الكفاءة بنسبة سرعة طرف الشفرة إلى سرعة الرياح تتراوح بين 6 و7. تدور توربينات الرياح بسرعات متفاوتة (نتيجة لتصميم مولدها). وقد ساهم استخدام الألومنيوم والمواد المركبة في تقليل القصور الذاتي الدوراني ، مما يعني أن توربينات الرياح الحديثة يمكنها التسارع بسرعة عند اشتداد الرياح، مما يحافظ على نسبة سرعة طرف الشفرة ثابتة تقريبًا. كما أن تشغيل توربينات الرياح بالقرب من نسبة سرعة طرف الشفرة المثلى أثناء هبوب الرياح القوية يُحسّن من قدرتها على استخلاص الطاقة من العواصف المفاجئة.

يزداد الضجيج مع زيادة سرعة طرف الشفرة. إن زيادة سرعة طرف الشفرة دون زيادة الضجيج من شأنه أن يقلل عزم الدوران في علبة التروس والمولد، مما يقلل الأحمال الهيكلية، وبالتالي يقلل التكلفة. ^{[ 3 ]} يرتبط خفض الضجيج بديناميكيات الهواء الدقيقة للشفرة، وخاصة العوامل التي تقلل من التوقف المفاجئ. إن عدم القدرة على التنبؤ بالتوقف يحد من استخدام ديناميكيات الهواء المتقدمة. ^{[ 3 ]} تحتوي بعض الشفرات على جناح صغير لزيادة الأداء وتقليل الضجيج. ^{[ 25 ]}

قد تصل نسبة الرفع إلى السحب لشفرة المروحة إلى 120، ^{[ 26 ]} مقارنةً بـ 70 للطائرة الشراعية و15 للطائرة المدنية. ^{[ 27 ]} ولتحسين نسبة الرفع إلى السحب للشفرة، تُصمَّم عادةً بمقاطع عرضية متغيرة على طولها، مُخصَّصة لسرعات الرياح وزواياها المتغيرة من الجذر إلى الطرف. ^{[ 28 ]}

ومن التحسينات التصميمية الإضافية دمج مولدات الدوامات ، وهي عبارة عن زعانف صغيرة مثبتة على سطح الشفرة، تساعد على تسهيل تدفق الهواء، ومنع انفصال التدفق، وتقليل الاضطراب، وكلاهما يساهم في تقليل فقد الطاقة. ^{[ 28 ]} تهدف جميع هذه الابتكارات في نهاية المطاف إلى زيادة كفاءة تحويل طاقة الرياح إلى كهرباء.

أدت دراسة ديناميكيات السوائل للزعانف العقدية للحوت الأحدب التي أجراها عالم الأحياء البحرية فرانك إي. فيش إلى تصميم مُحسَّن لشفرات توربينات الرياح. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

في التصاميم البسيطة، تُثبّت الشفرات مباشرةً على المحور ولا يمكنها تغيير زاوية ميلها، مما يؤدي إلى توقف ديناميكي هوائي عند سرعات رياح معينة. أما في التصاميم الأكثر تطورًا، فتُثبّت الشفرات على محمل تغيير زاوية الميل ، الذي يُعدّل زاوية الهجوم بمساعدة نظام تغيير زاوية الميل وفقًا لسرعة الرياح. ^{[ 34 ]} يتم التحكم في زاوية الميل بواسطة أنظمة هيدروليكية أو كهربائية ( بطارية أو مكثف فائق ). ^{[ 35 ]} يُثبّت محمل تغيير زاوية الميل على المحور. يُثبّت المحور على عمود الدوّار، الذي يُشغّل المولد مباشرةً أو عبر علبة تروس.

يُحدد عدد الشفرات بناءً على الكفاءة الديناميكية الهوائية، وتكاليف المكونات، وموثوقية النظام. وتتأثر انبعاثات الضوضاء بموقع الشفرات (سواءً كانت في اتجاه الريح أو عكسه) بالنسبة للبرج، وبسرعة الدوار. ونظرًا لأن انبعاثات الضوضاء من الحواف الخلفية والطرفية للشفرات تتناسب طرديًا مع القوة الخامسة لسرعة الشفرة، فإن أي زيادة طفيفة في سرعة الطرف تزيد الضوضاء بشكل ملحوظ.

تستخدم توربينات الرياح عادةً شفرتين أو ثلاث شفرات. مع ذلك، تُقدم براءات الاختراع تصاميم بشفرات إضافية، مثل نظام شفرات الدوار متعدد الوحدات لتشان شين. ^{[ 36 ]} تزداد الكفاءة الديناميكية الهوائية مع زيادة عدد الشفرات، ولكن بنسبة متناقصة. فزيادة عدد الشفرات من شفرة واحدة إلى اثنتين تُحقق زيادة بنسبة 6%، بينما تُحقق زيادة عدد الشفرات من اثنتين إلى ثلاث زيادة بنسبة 3% إضافية. ^{[ 37 ]} أما زيادة عدد الشفرات أكثر من ذلك، فتُحقق تحسينات طفيفة وتُقلل بشكل كبير من صلابة الشفرات مع ازدياد سُمكها.

نظرياً، يُعدّ عدد لا نهائي من الشفرات ذات العرض الصفري هو الأكثر كفاءة، حيث تعمل بنسبة سرعة طرفية عالية، لكن هذا غير عملي. ^{[ 38 ]}

تتأثر تكاليف المكونات بعدد الشفرات، لا سيما تكاليف المواد والتصنيع لدوار التوربين ونظام نقل الحركة. ^{[ 39 ]} عمومًا، كلما قل عدد الشفرات، انخفضت تكاليف المواد والتصنيع. إضافةً إلى ذلك، يسمح عدد أقل من الشفرات بسرعة دوران أعلى. تحدد متطلبات صلابة الشفرات، لتجنب تداخلها مع البرج، سُمك الشفرات، ولكن فقط عندما تكون الشفرات في اتجاه الريح بالنسبة للبرج؛ أما في حالة الشفرات الواقعة في اتجاه الريح، فإن الانحراف يزيد من الخلوص مع البرج. يؤدي استخدام عدد أقل من الشفرات مع سرعات دوران أعلى إلى تقليل ذروة عزم الدوران في نظام نقل الحركة، مما ينتج عنه انخفاض في تكاليف علبة التروس والمولد.

تتأثر موثوقية النظام بعدد الشفرات بشكل أساسي من خلال التحميل الديناميكي للدوار على نظامي نقل الحركة والبرج. أثناء محاذاة توربين الرياح مع تغيرات اتجاه الرياح (الانحراف)، تتعرض كل شفرة لحمل دوري عند طرفها الجذري تبعًا لموقعها. مع ذلك، عند تجميع هذه الأحمال الدورية على عمود نقل الحركة، تتوازن بشكل متناظر لثلاث شفرات، مما يُحسّن سلاسة التشغيل أثناء الانحراف. يمكن لتوربينات الشفرة الواحدة أو الشفرتين استخدام محور ارتكاز متأرجح لتقليل الأحمال الدورية على عمود نقل الحركة والنظام بشكل كبير أثناء الانحراف. في عام 2012، تم اختبار توربين صيني ثنائي الشفرات بقدرة 3.6 ميغاواط في الدنمارك. ^{[ 40 ]}

أدى ازدياد طول الشفرات إلى رفع قدرة توليد الطاقة من نطاق ميغاواط واحد إلى ما يزيد عن 10 ميغاواط. وتؤدي المساحة الأكبر إلى زيادة نسبة سرعة طرف الشفرة عند سرعة رياح معينة، مما يزيد من استخلاص الطاقة. ^{[ 41 ]} ويمكن استخدام برامج مثل HyperSizer (الذي طُوّر في الأصل لتصميم المركبات الفضائية) لتحسين تصميم الشفرات. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

في عام 2015، بلغ قطر دوارات شفرات توربينات الرياح البرية 130 متراً، ^{[ 44 ]} بينما بلغ قطر توربينات الرياح البحرية 170 متراً. ^{[ 45 ]} وفي عام 2001، استُخدم ما يُقدّر بنحو 50 مليون كيلوغرام من صفائح الألياف الزجاجية في شفرات توربينات الرياح. ^{[ 46 ]}

يُعدّ التحكم في وزن الشفرات هدفًا هامًا. نظرًا لأن كتلة الشفرة تتناسب طرديًا مع مكعب نصف قطر التوربين، فإن أحمال الجاذبية تُقيّد الأنظمة ذات الشفرات الأكبر حجمًا. ^{[ 47 ]} تشمل أحمال الجاذبية أحمالًا محورية وأحمال شد/ضغط (أعلى/أسفل الدوران) بالإضافة إلى الانحناء (الوضعيات الجانبية). يتذبذب مقدار هذه الأحمال دوريًا، وتنعكس عزوم الحافة (انظر أدناه) كل 180 درجة من الدوران. تبلغ سرعات الدوران النموذجية وعمر التصميم حوالي 10 و20 عامًا على التوالي، مع عدد دورات عمر التشغيل في حدود 10^8 دورة. مع الأخذ في الاعتبار الرياح، من المتوقع أن تخضع شفرات التوربين لحوالي 10^9 دورة تحميل.

تُعدّ الرياح مصدرًا آخر لتحميل شفرات الدوّار. يتسبب الرفع في انحناء الشفرات في الاتجاه الأفقي (خارج مستوى الدوّار)، بينما يتسبب تدفق الهواء حول الشفرة في انحناءها على حافتها (في مستوى الدوّار). يتضمن انحناء الشفرات شدًا على جانب الضغط (المواجه للرياح) وضغطًا على جانب السحب (المواجه للرياح). أما الانحناء على حافتها فيتضمن شدًا على الحافة الأمامية وضغطًا على الحافة الخلفية.

تكون أحمال الرياح دورية بسبب التباين الطبيعي في سرعة الرياح وقص الرياح (سرعات أعلى في قمة الدوران).

يُعدّ فشل شفرات دوّار توربينات الرياح تحت أقصى حمولة، نتيجةً لتأثيرات الرياح والجاذبية، نمطًا من أنماط الفشل التي يجب أخذها في الاعتبار عند تصميم هذه الشفرات. وتتفاوت سرعة الرياح التي تُسبب انحناء الشفرات بشكل طبيعي، وكذلك استجابة الإجهاد فيها. كما تتفاوت مقاومة الشفرات، من حيث قوة الشد، بشكل طبيعي أيضًا. ^{[ 48 ]} ونظرًا لتزايد حجم توربينات الرياح المُستخدمة في الإنتاج، تزداد أهمية فشل الشفرات عند تقييم مخاطر السلامة العامة الناجمة عن هذه التوربينات. ويُعدّ فقدان شفرة أو جزء منها الفشل الأكثر شيوعًا. ^{[ 49 ]} ويجب مراعاة ذلك في التصميم.

في ضوء أنماط الفشل هذه وأنظمة الشفرات الأكبر حجماً بشكل متزايد، يسعى الباحثون إلى إيجاد مواد فعالة من حيث التكلفة ذات نسب قوة إلى كتلة أعلى. ^{[ 28 ]}

بشكل عام، يجب أن تستوفي المواد المعايير التالية:

• توافر واسع النطاق وسهولة في المعالجة لتقليل التكلفة والصيانة
• الوزن المنخفض أو الكثافة المنخفضة لتقليل قوى الجاذبية
• قوة عالية لتحمل أحمال الرياح والجاذبية
• مقاومة عالية للإجهاد لتحمل الأحمال الدورية
• صلابة عالية لضمان استقرار الشكل الأمثل واتجاه الشفرة والمسافة بينها وبين البرج
• مقاومة عالية للكسر
• القدرة على تحمل التأثيرات البيئية مثل ضربات البرق والرطوبة ودرجة الحرارة ^{[ 50 ]}

بوليمر

تُصنع غالبية شفرات توربينات الرياح التجارية من البوليمرات المقواة بالألياف (FRPs)، وهي مواد مركبة تتكون من مصفوفة بوليمرية وألياف. توفر الألياف الطويلة الصلابة والقوة الطولية، بينما توفر المصفوفة مقاومة الكسر، ومقاومة الانفصال، ومقاومة الانحناء خارج المستوى، والصلابة. ^{[ 50 ]} وتُسجل أعلى مؤشرات المواد، التي تعتمد على تعظيم كفاءة الطاقة، ومقاومة الكسر العالية، ومقاومة الإجهاد، والاستقرار الحراري، في البلاستيك المقوى بألياف الزجاج والكربون (GFRPs وCFRPs). ^{[ 51 ]}

تُستخدم في شفرات التوربينات مواد أساسية مثل المواد المتصلبة حراريًا أو اللدائن الحرارية ؛ ومنذ عام 2017، أصبحت المواد المتصلبة حراريًا أكثر شيوعًا. ^{[ 52 ]} تسمح هذه المواد بربط الألياف معًا، مما يُكسب الشفرات صلابةً. تُشكّل المواد المتصلبة حراريًا 80% من السوق ، نظرًا لانخفاض لزوجتها، وإمكانية معالجتها في درجات حرارة منخفضة، وهما ميزتان تُسهّلان عملية التصنيع. تتميز اللدائن الحرارية بإمكانية إعادة التدوير التي لا تتوفر في المواد المتصلبة حراريًا، إلا أن درجة حرارة معالجتها ولزوجتها أعلى بكثير، مما يُحدّ من حجم المنتج وتجانسه، وهما عاملان مهمان للشفرات الكبيرة. تتميز اللدائن الحرارية بمقاومة أعلى للكسر، ولكن مقاومتها للإجهاد أسوأ. ^{[ 53 ]}

شفرات توربينات الرياح من طراز سيمنز SWT-2.3-101 المصنوعة من الإيبوكسي المقوى بالألياف الزجاجية . يبلغ طول الشفرة 49 مترًا ^{[ 54 ]} ، وذلك مقارنةً بمحطة فرعية تقع خلفها في مزرعة رياح جزيرة وولف .

تعتمد صناعة شفرات التوربينات التي يتراوح طولها بين 40 و50 مترًا على تقنيات تصنيع مُثبتة باستخدام مركبات الألياف الزجاجية. يستخدم مصنعون مثل نوردكس وجي إي ويند عملية الحقن. بينما يُغيّر مصنعون آخرون هذه التقنية، حيث يدمج بعضهم الكربون والخشب مع الألياف الزجاجية في مصفوفة إيبوكسية . تشمل الخيارات الأخرى الألياف الزجاجية المُشربة مسبقًا ("prepreg") وقولبة نقل الراتنج بمساعدة الفراغ. يستخدم كل من هذه الخيارات مركبًا بوليمريًا مُقوى بالألياف الزجاجية ، مُصنّعًا بدرجات متفاوتة من التعقيد. ولعلّ أكبر مشكلة في أنظمة القوالب المفتوحة الرطبة هي الانبعاثات المرتبطة بالمركبات العضوية المتطايرة ("VOCs"). تحتوي المواد المُشربة مسبقًا وتقنيات حقن الراتنج على جميع المركبات العضوية المتطايرة، إلا أن هذه العمليات المُحكمة لها تحدياتها، إذ يصبح إنتاج الصفائح السميكة اللازمة للمكونات الهيكلية أكثر صعوبة. على وجه الخصوص، تُحدد نفاذية الراتنج في القالب الأولي الحد الأقصى لسمك الصفيحة؛ كما أن عملية التنفيس ضرورية للتخلص من الفراغات وضمان التوزيع السليم للراتنج. ^{[ 46 ]} يتمثل أحد حلول توزيع الراتنج في استخدام الألياف الزجاجية المُشربة جزئيًا. أثناء عملية الإخلاء، يوفر النسيج الجاف مسارًا لتدفق الهواء، وبمجرد تطبيق الحرارة والضغط، قد يتدفق الراتنج إلى المنطقة الجافة، مما ينتج عنه بنية صفائحية مشبعة بشكل متساوٍ. ^{[ 46 ]}

تحتاج شفرات توربينات الرياح عادةً إلى صيانة بعد سنتين إلى خمس سنوات. ومن أبرز أسباب تلف الشفرات عيوب التصنيع، والنقل، والتجميع، والتركيب، والصواعق، والتآكل البيئي، والتغيرات الحرارية ، وتآكل الحافة الأمامية ، أو الإجهاد . ونظرًا لطبيعة مادة الشفرات المركبة ووظيفتها، فإن تقنيات الصيانة المستخدمة في تطبيقات الفضاء الجوي غالبًا ما تُطبَّق أو تُشكِّل أساسًا للصيانة الأساسية. ^{[ 66 ]}

تختلف طرق إصلاح الشفرات باختلاف طبيعة الضرر. يشمل إصلاح التآكل وحمايته استخدام الطلاءات أو الأشرطة أو الدروع. أما الإصلاحات الهيكلية فتتطلب لصق أو تثبيت مواد جديدة في المنطقة المتضررة. ^{[ 67 ]} تتطلب الشقوق والانفصالات غير الهيكلية في المادة الأساسية مواد حشو وسد أو حقن راتنج. في حال تجاهلها، قد تتفاقم الشقوق أو الانفصالات الطفيفة وتُسبب أضرارًا هيكلية.

تم تحديد أربع مناطق مع احتياجاتها الخاصة بالإصلاح:

• المنطقة 1 - الحافة الأمامية للشفرة. تتطلب إصلاح التآكل أو الشقوق.
• المنطقة 2 - قريبة من الطرف ولكن خلف الحافة الأمامية. تتطلب إصلاحًا شبه هيكلي مرن هوائيًا .
• المنطقة 3 - المنطقة الوسطى خلف الحافة الأمامية. تتطلب إصلاحًا للتآكل.
• المنطقة الرابعة - جذر النصل وما حوله. تتطلب إصلاحات شبه هيكلية أو هيكلية.

بعد عقود قليلة من التوسع السريع في استخدام طاقة الرياح حول العالم، بدأت توربينات الرياح بالتقادم. ويترتب على هذا التقادم ارتفاع تكاليف التشغيل والصيانة، التي تزداد مع اقتراب التوربينات من نهاية عمرها الافتراضي. وإذا لم يتم اكتشاف أي تلف في الشفرات في الوقت المناسب، فإن إنتاج الطاقة وعمر الشفرات ينخفضان. ^{[ 68 ]} وتشير التقديرات إلى أن 20-25% من إجمالي التكلفة المعيارية لكل كيلوواط ساعة منتجة ناتجة عن تكاليف تشغيل وصيانة الشفرات وحدها.

توقع المجلس العالمي لطاقة الرياح (GWEC) أن تُساهم طاقة الرياح بنسبة 28.5% من إجمالي الطاقة العالمية بحلول عام 2030. ^{[ 69 ]} ويتطلب ذلك أسطولاً أحدث وأكبر من التوربينات ذات الكفاءة العالية، وما يترتب على ذلك من إخراج التوربينات القديمة من الخدمة. واستناداً إلى دراسة أجرتها الرابطة الأوروبية لطاقة الرياح ، استُهلك ما بين 110 و140 كيلوطناً من المواد المركبة في عام 2010 لتصنيع شفرات التوربينات. ^{[ 70 ]} وينتهي المطاف بمعظم مواد الشفرات كنفايات، مما يستدعي إعادة تدويرها أو إعادة استخدامها بشكل أقل. وحتى عام 2020، كانت معظم الشفرات المستهلكة تُخزن أو تُرسل إلى مكبات النفايات بدلاً من إعادة تدويرها. ^{[ 71 ]} من المهم أيضًا ملاحظة أن الدراسات الحديثة تتوقع إخراج ما يقرب من 52,000 طن من شفرات التوربينات من الخدمة سنويًا حتى عام 2030. ^{[ 72 ]} عادةً، تُشكل البوليمرات المقواة بالألياف الزجاجية (GFRPs) حوالي 70% من مادة الرقائق في الشفرة. لا تُعد GFRPs قابلة للاحتراق، وبالتالي تُعيق حرق المواد القابلة للاحتراق. ^{[ 73 ]} فيما يلي الطرق الرئيسية لنهاية عمر شفرات التوربينات، وتختلف هذه الطرق باختلاف ما إذا كان سيتم استعادة الألياف الفردية ودرجة الحرارة/المحفزات المطلوبة.

• إعادة التدوير الميكانيكية : لا تستخلص هذه الطريقة الألياف الفردية. تشمل العمليات الأولية التقطيع أو السحق أو الطحن. ثم تُفصل القطع المسحوقة إلى أجزاء غنية بالألياف وأخرى غنية بالراتنج. تُدمج هذه الأجزاء في النهاية في مركبات جديدة إما كحشوات أو مواد تقوية. ^{[ 74 ]}
• التحلل الحراري : يُستخلص الألياف الفردية من خلال التحلل الحراري للمواد المركبة. في هذه العملية ، تُسخّن المادة إلى 500 درجة مئوية في بيئة خالية من الأكسجين، مما يؤدي إلى تحللها إلى مواد عضوية أخف وزنًا ومنتجات غازية. تفقد ألياف الزجاج عادةً 50% من قوتها، ويمكن إعادة تدويرها لاستخدامها في تقوية الدهانات أو الخرسانة. ^{[ 75 ]} يمكن استعادة ما يصل إلى 19 ميجا جول/كجم تقريبًا ^{[ 73 ]} بتكلفة مرتفعة نسبيًا. تتطلب هذه العملية معالجة ميكانيكية أولية، مشابهة لتلك المستخدمة في إعادة التدوير الميكانيكية البحتة.
• التحلل المائي : تتضمن هذه الطريقة تحلل مصفوفة البوليمر كيميائيًا باستخدام مذيبات تشمل، على سبيل المثال لا الحصر، الأسيتون وحمض النيتريك والأمونيا والكحولات. ^{[ 72 ]} من مزايا التحلل المائي انخفاض تكلفة التشغيل مقارنةً بالتحلل الحراري، وقدرته على إنتاج ألياف ذات خصائص سطحية وميكانيكية ممتازة. للتحلل المائي اعتبارات تشغيلية عديدة، منها تدفق المذيب وانتشاره، والتحولات الطورية، وغيرها، والتي تعتمد بشكل كبير على بنية البوليمر في الشفرات، والتي تتسم بعدم التجانس واحتوائها على عدد كبير نسبيًا من العيوب والفراغات. ^{[ 76 ]} ولذلك، يركز البحث الحالي على النمذجة الحاسوبية للتحلل المائي بهدف تحقيق إعادة تدوير أكثر اكتمالًا وكفاءة. ^{[ 68 ]}
• إعادة التدوير الهيكلي المباشر للمواد المركبة : الفكرة العامة هي إعادة استخدام المادة المركبة كما هي، دون تغيير خصائصها الكيميائية، وهو ما يمكن تحقيقه خاصة بالنسبة لأجزاء المواد المركبة الأكبر حجماً عن طريق تقسيمها إلى أجزاء يمكن استخدامها مباشرة في تطبيقات أخرى. ^{[ 77 ]}

أعلنت شركة "جلوبال فايبرجلاس سوليوشنز" الناشئة في عام 2020 أنها تمتلك طريقة لمعالجة الشفرات وتحويلها إلى حبيبات وألواح ليفية لاستخدامها في الأرضيات والجدران. وبدأت الشركة بإنتاج عينات في مصنع بمدينة سويت ووتر بولاية تكساس. ^{[ 78 ]}

تزداد سرعة الرياح على ارتفاعات أعلى نتيجةً لمقاومة الهواء السطحية (بفعل اليابسة أو المسطحات المائية) ولزوجة الهواء. ويُعرف هذا التغير في السرعة مع الارتفاع باسم قص الرياح ، ويكون أكثر وضوحًا بالقرب من سطح الأرض. وعادةً ما يتبع هذا التغير قانون قوة ملف تعريف الرياح ، الذي يتنبأ بأن سرعة الرياح تزداد تناسبًا طرديًا مع الجذر السابع للارتفاع. وبالتالي، فإن مضاعفة ارتفاع التوربين تزيد من سرعة الرياح المتوقعة بنسبة 10% والطاقة المتوقعة بنسبة 34%. ولتجنب الانبعاج ، تتطلب مضاعفة ارتفاع البرج عادةً مضاعفة قطره، مما يزيد كمية المواد المستخدمة بأربعة أضعاف على الأقل. وفي يوليو 2025، كان يجري بناء أطول توربين رياح في العالم في ألمانيا ، بارتفاع محور يبلغ 300 متر (980 قدمًا) وقدرة 3.8 ميغاواط. ^{[ 79 ]} 

خلال الليل، أو عندما يستقر الغلاف الجوي، تنخفض سرعة الرياح عادةً بالقرب من سطح الأرض، بينما لا تنخفض كثيرًا عند ارتفاع محور التوربين، بل قد تزداد. ونتيجةً لذلك، تكون سرعة الرياح أعلى، وينتج التوربين طاقةً أكبر مما هو متوقع وفقًا لقانون القوة 1/7: فمضاعفة الارتفاع قد تزيد سرعة الرياح بنسبة تتراوح بين 20% و60%. وينتج الغلاف الجوي المستقر عن التبريد الإشعاعي للسطح، وهو شائع في المناخ المعتدل، ويحدث عادةً عندما تكون السماء صافية (جزئيًا) ليلًا. عندما تكون الرياح (على ارتفاعات عالية) قوية (سرعة رياح على ارتفاع 10 أمتار تزيد عن 6 إلى 7  أمتار في الثانية تقريبًا)، يضطرب الغلاف الجوي المستقر بسبب اضطراب الاحتكاك، ويصبح الغلاف الجوي متعادلًا. أما الغلاف الجوي نهارًا، فيكون إما متعادلًا (لا يوجد إشعاع صافٍ؛ وعادةً ما يكون مصحوبًا برياح قوية وسحب كثيفة) أو غير مستقر (هواء صاعد بسبب تسخين الأرض بواسطة الشمس). ويُعد قانون القوة 1/7 تقريبًا جيدًا لملف الرياح. تم تصنيف ولاية إنديانا على أنها تتمتع بقدرة رياح تبلغ 30000 ميجاوات، ولكن من خلال رفع الارتفاع المتوقع للتوربينات من 50 مترًا إلى 70 مترًا، ارتفعت قدرة الرياح إلى 40000 ميجاوات، ويمكن أن تتضاعف عند 100 متر. ^{[ 80 ]}

بالنسبة لتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي، فإن ارتفاعات الأبراج التي تعادل ضعفين إلى ثلاثة أضعاف طول الشفرة تقريبًا توازن بين تكاليف مواد البرج والاستخدام الأمثل للمكونات النشطة الأكثر تكلفة.

تُصعّب قيود الطرق نقل الأبراج التي يزيد قطرها عن 4.3 متر. وأظهرت تحليلات سويدية أن طرف الجناح السفلي يجب أن يكون على ارتفاع 30 مترًا على الأقل فوق قمم الأشجار. ^{[ 81 ]} يمكن لتوربين بقدرة 3 ميغاواط أن يزيد الإنتاج من 5000 ميغاواط ساعة إلى 7700 ميغاواط ساعة سنويًا بارتفاعه من 80 إلى 125 مترًا. ^{[ 82 ]} يمكن أن يكون لبرج مصنوع من أغلفة متصلة، بدلًا من الأسطوانات، قطر أكبر مع الحفاظ على إمكانية نقله. وقد حصل برج نموذجي بطول 100 متر، مزود بأغلفة "ألواح" مثبتة بمسامير TC بسمك 18  مم، في مركز اختبار توربينات الرياح في هوفسور بالدنمارك، على شهادة من مؤسسة ديت نورسك فيريتاس ، مع محرك من سيمنز . ويمكن شحن عناصر الغلاف في حاويات شحن قياسية بطول 12 مترًا . ^{[ 81 ] [ 83 ] [ 84 ]}

في عام 2003، كانت أبراج توربينات الرياح الحديثة النموذجية تُستخدم بارتفاع 65 مترًا (213 قدمًا) . ويُحدَّد الارتفاع عادةً بتوفر الرافعات . وقد أدى ذلك إلى مقترحاتٍ لـ"توربينات رياح ذاتية التركيب جزئيًا" تسمح، في ظل توفر رافعة معينة، بتركيب أبراج أطول تُتيح وضع التوربين في مناطق ذات رياح أقوى وأكثر استقرارًا، و"توربينات رياح ذاتية التركيب" يُمكن تركيبها دون الحاجة إلى رافعات. ^{[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]} 

تُدعم غالبية توربينات الرياح حاليًا بأبراج فولاذية أنبوبية مخروطية الشكل. تُمثل هذه الأبراج ما بين 30% و65% من وزن التوربين، وبالتالي تُشكل نسبة كبيرة من تكاليف النقل. يُمكن أن يُساهم استخدام مواد أخف وزنًا في الأبراج في خفض التكلفة الإجمالية للنقل والإنشاء، شريطة الحفاظ على استقرارها. ^{[ 89 ]} يُكلف الفولاذ S500 عالي الجودة ما بين 20% و25% أكثر من الفولاذ S355 ( الفولاذ الإنشائي القياسي )، ولكنه يتطلب كمية أقل من المواد بنسبة 30% نظرًا لقوته المُحسّنة. لذلك، يُوفر استبدال أبراج توربينات الرياح بالفولاذ S500 وفورات في الوزن والتكلفة. ^{[ 90 ]}

من عيوب الأبراج الفولاذية المخروطية الأخرى صعوبة تلبية متطلبات توربينات الرياح التي يزيد ارتفاعها عن 90 مترًا. قد يُسهم استخدام الخرسانة عالية الأداء في زيادة ارتفاع البرج وإطالة عمره. كما يُحسّن استخدام مزيج من الخرسانة مسبقة الإجهاد والفولاذ الأداء مقارنةً بالفولاذ الأنبوبي القياسي عند ارتفاعات تصل إلى 120 مترًا. ^{[ 91 ]} وتتيح الخرسانة أيضًا إمكانية تجميع أجزاء صغيرة مسبقة الصب في الموقع. ^{[ 92 ]} إلا أن أحد عيوب الأبراج الخرسانية هو ارتفاع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون._٢- الانبعاثات أثناء إنتاج الخرسانة. ومع ذلك، ينبغي أن يكون الأثر البيئي الإجمالي إيجابياً إذا استطاعت أبراج الخرسانة مضاعفة عمر توربينات الرياح. ^{[ ٩٣ ]}

يُعدّ الخشب خيارًا بديلًا آخر: إذ يعمل في ألمانيا برجٌ بارتفاع 100 متر يدعم توربينًا بقدرة 1.5 ميغاواط. ويتمتع البرج الخشبي بنفس مزايا النقل التي يتمتع بها البرج ذو الغلاف الفولاذي المُجزّأ، ولكن دون استخدام الفولاذ. ^{[ 94 ] [ 95 ]} وبدأ تشغيل توربين بقدرة 2 ميغاواط على برج خشبي في السويد عام 2023. ^{[ 96 ]}

ثمة نهج آخر يتمثل في تشكيل البرج في الموقع باستخدام اللحام الحلزوني لصفائح الفولاذ المدرفلة. ويمكن تشكيل أبراج بأي ارتفاع وقطر بهذه الطريقة، مما يلغي القيود المفروضة بسبب متطلبات النقل. ويمكن بناء مصنع في غضون شهر واحد. ويدّعي المطور توفير 80% من تكاليف العمالة مقارنةً بالأساليب التقليدية. ^{[ 97 ]}

تتميز توربينات الرياح بطبيعتها بأنها هياكل طويلة ونحيلة للغاية، ^{[ 107 ]} وهذا قد يُسبب العديد من المشكلات عند تصميم الأساسات . تُصمم أساسات المنشآت الهندسية التقليدية أساسًا لنقل الحمل الرأسي (الوزن الميت) إلى الأرض، مما يسمح عمومًا باستخدام تصميمات بسيطة نسبيًا. مع ذلك، في حالة توربينات الرياح، تُولّد قوة تفاعل الرياح مع الدوّار في أعلى البرج ميلًا قويًا لقلب التوربين. يُؤدي نظام التحميل هذا إلى تطبيق أحمال عزم كبيرة على أساسات توربينات الرياح. ونتيجة لذلك، يجب إيلاء اهتمام كبير عند تصميم الأساسات لضمان مقاومتها لهذا الميل للقلب. ^{[ 108 ]}

يُعدّ الرصيف الأحادي أحد أكثر أنواع الأساسات شيوعًا لتوربينات الرياح البحرية ، وهو عبارة عن ركيزة فولاذية أنبوبية واحدة كبيرة القطر (من 4 إلى 6 أمتار) تُغرس في قاع البحر على عمق يتراوح بين 5 و6 أضعاف قطر الركيزة. يوفر تماسك التربة والاحتكاك بين الركيزة والتربة الدعم الهيكلي اللازم لتوربين الرياح. ^{[ 109 ]}

في توربينات الرياح البرية، يُعد الأساس الثقالي النوع الأكثر شيوعًا، حيث تُستخدم كتلة كبيرة من الخرسانة موزعة على مساحة واسعة لمقاومة أحمال التوربين. ويُعد حجم ونوع توربين الرياح، وظروف الرياح، وخصائص التربة في الموقع، من العوامل الحاسمة في تصميم الأساس. ^{[ 110 ]} أما الركائز مسبقة الإجهاد أو مثبتات الصخور فهي تصاميم بديلة للأساس تستخدم كميات أقل بكثير من الخرسانة والفولاذ. ^{[ 111 ]}