نظام الانحراف

تُجهز أنظمة التوجيه النشط بأجهزة توليد عزم دوران قادرة على تدوير حاضنة توربين الرياح مقابل البرج الثابت، وذلك بناءً على إشارات تلقائية من مستشعرات اتجاه الرياح أو تشغيل يدوي (تجاوز نظام التحكم). تُعتبر أنظمة التوجيه النشط أحدث التقنيات المستخدمة في جميع توربينات الرياح الحديثة متوسطة وكبيرة الحجم، مع بعض الاستثناءات التي تؤكد هذه القاعدة (مثل توربينات فيرنيه ). تختلف مكونات أنظمة التوجيه النشط الحديثة تبعًا لخصائص التصميم، ولكن جميعها تتضمن وسيلة اتصال دوارة بين الحاضنة والبرج ( محمل التوجيه )، ووسيلة لتغيير اتجاه الدوار بشكل فعال (أي محرك التوجيه )، ووسيلة لتقييد دوران الحاضنة (مكبح التوجيه)، ونظام تحكم يعالج الإشارات من مستشعرات اتجاه الرياح (مثل ريش توجيه الرياح ) ويُصدر الأوامر المناسبة لآليات التشغيل.

أكثر أنواع أنظمة التوجيه النشطة شيوعًا هي:

• محمل التوجيه الأسطواني - محرك التوجيه الكهربائي - المكابح: تُركّب الحاضنة على محمل أسطواني ، ويتم تحقيق الدوران السمتي عبر مجموعة من المحركات الكهربائية القوية. تعمل مكابح هيدروليكية أو كهربائية على تثبيت موضع الحاضنة بعد اكتمال إعادة التوجيه لتجنب التآكل وأحمال الإجهاد العالية على مكونات توربينات الرياح نتيجةً للارتداد . تُستخدم هذه الأنظمة من قِبل معظم مُصنّعي توربينات الرياح، وتُعتبر موثوقة وفعّالة، ولكنها أيضًا ضخمة ومكلفة.
• محمل التوجيه الأسطواني - محرك التوجيه الهيدروليكي : تُركّب الحاضنة على محمل أسطواني ، ويتم تحقيق الدوران السمتي عبر مجموعة من المحركات الهيدروليكية القوية أو الأسطوانات الهيدروليكية ذات التروس . تكمن ميزة نظام التوجيه الهيدروليكي في المزايا الكامنة في الأنظمة الهيدروليكية، مثل نسبة القدرة إلى الوزن العالية والموثوقية العالية . مع ذلك، تعاني الأنظمة الهيدروليكية من مشاكل تسرب السائل الهيدروليكي وانسداد صماماتها الهيدروليكية عالية الضغط . غالبًا ما تسمح أنظمة التوجيه الهيدروليكية (بحسب تصميم النظام) بإلغاء آلية فرامل التوجيه واستبدالها بصمامات قطع .
• محمل انزلاقي للتحكم في الانعطاف - محرك كهربائي للتحكم في الانعطاف : تُثبّت الحاضنة على محمل انزلاقي يعمل بالاحتكاك ، ويتم تحقيق الدوران السمتي عبر مجموعة من المحركات الكهربائية القوية . وبذلك، يُستغنى عن الحاجة إلى مكابح الانعطاف، واعتمادًا على حجم نظام الانعطاف (أي حجم توربين الرياح)، يمكن أن يؤدي استخدام المحمل الانزلاقي إلى توفير كبير في التكاليف.
• محمل انزلاقي للانعطاف - محرك انعطاف هيدروليكي : تُركّب الحاضنة على محمل انزلاقي يعمل بالاحتكاك ، ويتم تحقيق الدوران السمتي عبر مجموعة من المحركات الهيدروليكية القوية أو الأسطوانات الهيدروليكية ذات التروس . يجمع هذا النظام بين خصائص نظامي المحمل الانزلاقي والمحرك الهيدروليكي المذكورين سابقًا .

تستغل أنظمة التوجيه السلبي قوة الرياح لضبط اتجاه دوار توربينات الرياح باتجاه الرياح. في أبسط صورها، تتألف هذه الأنظمة من وصلة بسيطة بمحمل أسطواني بين البرج والمحرك، وزعنفة ذيلية مثبتة على المحرك ومصممة بحيث تدير دوار التوربين باتجاه الرياح من خلال تطبيق عزم دوران تصحيحي على المحرك. وبالتالي، فإن قوة الرياح هي المسؤولة عن دوران الدوار وتوجيه المحرك. أما في حالة التوربينات التي تعمل باتجاه الرياح، فلا حاجة للزعنفة الذيلية لأن الدوار نفسه قادر على توجيه المحرك باتجاه الرياح. في حالة الرياح المائلة، يتسبب ضغط الرياح على المنطقة التي يغطيها في عزم دوران حول محور البرج (المحور z) الذي يوجه الدوار. ^{[ 1 ]}

تُستخدم الزعنفة الذيلية (أو دوارة الرياح) عادةً في توربينات الرياح الصغيرة نظرًا لكونها حلاً منخفض التكلفة وموثوقًا. إلا أنها غير قادرة على التعامل مع العزوم العالية اللازمة لتوجيه محرك توربينات الرياح الكبيرة. في المقابل، يُعد التوجيه الذاتي لدوارات التوربينات باتجاه الرياح مفهومًا قابلاً للتطبيق حتى في توربينات الرياح الكبيرة. وتُنتج شركة فيرنيه الفرنسية لتصنيع توربينات الرياح حاليًا العديد من توربينات الرياح متوسطة وكبيرة الحجم ذاتية التوجيه باتجاه الرياح.

يجب تصميم أنظمة التوجيه السلبي بحيث لا يتبع غطاء المحرك التغيرات المفاجئة في اتجاه الرياح بحركة توجيه سريعة جدًا، وذلك لتجنب الأحمال الجيروسكوبية العالية. بالإضافة إلى ذلك ، تتعرض أنظمة التوجيه السلبي ذات الاحتكاك المنخفض لأحمال ديناميكية قوية نتيجة التوجيه الدوري منخفض السعة الناجم عن تغير عزم القصور الذاتي أثناء دوران الدوار. ويزداد هذا التأثير حدةً مع انخفاض عدد الشفرات.

أكثر أنظمة التوجيه السلبي شيوعًا هي:

• نظام المحامل الأسطوانية (نظام حر الحركة): تُثبّت الحاضنة على محمل أسطواني ، وهي حرة الدوران في أي اتجاه. ويأتي العزم اللازم من الزعنفة الخلفية أو الدوار (في توربينات الرياح التي تدور باتجاه الريح).
• محامل أسطوانية - مكابح (نظام شبه نشط): تُثبّت الحاضنة على محمل أسطواني ، وهي حرة الدوران في أي اتجاه، ولكن عند الوصول إلى الوضعية المطلوبة، تعمل مكابح الانعطاف النشطة على إيقاف الحاضنة . هذا يمنع الاهتزاز غير المنضبط ويقلل من أحمال الدوران والإجهاد .
• محمل انزلاقي/مكابح (نظام سلبي): يتم تثبيت غطاء المحرك على محمل انزلاقي ، وهو حر في الدوران في أي اتجاه. ويحقق الاحتكاك المتأصل في المحمل الانزلاقي طريقة تشغيل شبه فعالة.

يُعدّ محمل التوجيه أحد المكونات الرئيسية لنظام التوجيه . يعمل نظام محمل التوجيه على محاذاة الشفرات مع اتجاه الرياح. ويتكون من ترس حلقي، ومحرك توجيه، ومجموعة مشابك محمل التوجيه. ^{[ 2 ]}

يمكن أن يكون محمل التوجيه من النوع الأسطواني أو الانزلاقي، وهو بمثابة وصلة دوارة بين البرج ومحرك توربين الرياح. يجب أن يكون محمل التوجيه قادرًا على تحمل أحمال عالية جدًا، والتي تشمل، بالإضافة إلى وزن المحرك والدوار (الذي يتراوح وزنه في حدود عدة أعشار من الأطنان )، عزم الانحناء الناتج عن الدوار أثناء استخلاص الطاقة الحركية للرياح.

توجد محركات التوجيه فقط في أنظمة التوجيه النشطة، وهي الوسيلة الفعالة لتدوير غلاف توربينات الرياح . يتكون كل محرك توجيه من محرك كهربائي قوي (عادةً تيار متردد ) مع محركه الكهربائي وعلبة تروس كبيرة ، مما يزيد من عزم الدوران . يبلغ أقصى عزم دوران ثابت لأكبر محركات التوجيه حوالي 200,000 نيوتن متر، مع نسب تخفيض في علبة التروس تصل إلى 2000:1. ^{[ 3 ]} ونتيجة لذلك، يكون توجيه التوربينات الحديثة الكبيرة بطيئًا نسبيًا، حيث تستغرق دورة كاملة (360 درجة) عدة دقائق.

لتحقيق استقرار محمل التوجيه ضد الدوران، يلزم وجود وسيلة كبح. إحدى أبسط الطرق لتحقيق ذلك هي تطبيق عزم دوران معاكس صغير وثابت على محركات التوجيه لإزالة الخلوص بين تروس حافة المحمل وتروس محرك التوجيه ، ومنع اهتزاز غطاء المحرك نتيجة دوران الدوار. مع ذلك، تُقلل هذه العملية بشكل كبير من موثوقية محركات التوجيه الكهربائية ، لذا يُعدّ استخدام مكابح قرصية تعمل هيدروليكيًا الحل الأكثر شيوعًا .

يتطلب نظام فرامل القرص قرص فرامل دائري مسطح وعدة مكابس فرامل مزودة بمكابس هيدروليكية ووسادات فرامل.أُرشف بتاريخ ١٩ يونيو ٢٠٠٩ في أرشيف الإنترنت . تعمل مكابح الانعطاف الهيدروليكية على تثبيت غطاء المحرك في مكانه، مما يُريح محركات الانعطاف من هذه المهمة. إلا أن تكلفة مكابح الانعطاف، بالإضافة إلى الحاجة إلى تركيب نظام هيدروليكي ( مضخة ، صمامات ، مكابس )، وتركيبها بالقرب من وسادات الفرامل الحساسة لتلوث مواد التشحيم، تُشكل في كثير من الأحيان مشكلة.

يُعدّ استخدام مكابح التوجيه الكهربائية حلاً وسطاً يوفر العديد من المزايا. فهي تستبدل الآلية الهيدروليكية للمكابح التقليدية بملاقط مكابح تعمل كهروميكانيكياً. ويُزيل استخدام مكابح التوجيه الكهربائية تعقيدات التسريبات الهيدروليكية وما يترتب عليها من مشاكل في تشغيل مكابح التوجيه. ^{[ 4 ]}

تُجري العديد من شركات تصميم وتصنيع توربينات الرياح تجارب على طرق بديلة لكبح الانحراف بهدف التغلب على عيوب الأنظمة الحالية وخفض تكلفة النظام. إحدى هذه البدائل هي استخدام ضغط الهواء لتحقيق عزم كبح الانحراف المطلوب. في هذه الحالة، يُستغل جزء من سطح الانزلاق (عادةً السطح المحوري نظرًا لكبر مساحته المتاحة) لاستيعاب وسادات كبح الانحراف وآلية الكبح الهوائية. يمكن أن يكون المشغل الهوائي أسطوانة هوائية تقليدية أو حتى حجرة هواء مرنة تنتفخ عند تزويدها بالهواء المضغوط. يتميز هذا الجهاز بقدرته على توليد قوى كبح عالية جدًا نظرًا لكبر مساحة سطحه الفعال. ويتحقق ذلك باستخدام نظام ضغط هواء صناعي بسيط ( 6-10 بار أو 600-1000 كيلو باسكال أو 87-145 رطل لكل بوصة مربعة )، وهو حل موثوق ومنخفض التكلفة. علاوة على ذلك، في حالة حدوث تسرب، يكون الأثر البيئي معدومًا تقريبًا مقارنةً بتسربات الزيت الهيدروليكي. وأخيرًا، يمكن إنتاج مشغلات الفرامل بتكلفة منخفضة للغاية من مواد بلاستيكية خفيفة الوزن، مما يقلل بشكل كبير من التكلفة الإجمالية للنظام.   

تُعدّ ريشة التوجيه (أو الزعنفة الذيلية) جزءًا من نظام التوجيه المستخدم فقط في توربينات الرياح الصغيرة ذات آليات التوجيه السلبية. وهي عبارة عن سطح مستوٍ مُثبّت على غلاف التوربين بواسطة عارضة طويلة . يُولّد الجمع بين مساحة السطح الكبيرة للريشة وطول العارضة عزم دوران هائلًا قادرًا على تدوير غلاف التوربين رغم تأثيرات الدوران المُثبّتة للدوار. مع ذلك، فإن مساحة السطح المطلوبة لكي تتمكن الزعنفة الذيلية من توجيه توربين رياح كبير هائلة، مما يجعل استخدام مثل هذا الجهاز غير مُجدٍ اقتصاديًا.