محطات طاقة الرياح: أنواعها ، تصاميمها ، مزاياها

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

طاقة الرياح بعيدة كل البعد عن كونها فرعًا جديدًا لإمدادات الطاقة ، ومع ذلك ، في ظل الظروف الحالية ، أصبحت سمات أكثر وضوحًا لاتجاه واعد لمزيد من التطوير. لا يزال من الصعب التحدث عن مفاهيم عالمية للتنفيذ الفني لمولدات الرياح ، لكن التقدم في استخدام الحلول الهندسية الفردية يشير إلى ظهور نموذج هيكلي موحد في المستقبل القريب. في الوقت نفسه ، يتم استخدام عدة أنواع من توربينات الرياح في العالم ، ولكل منها نقاط قوتها الخاصة.

المبدأ العام لتشغيل توربينات الرياح

مثل معظم مصادر الطاقة البديلة الحديثة ، تعمل توربينات الرياح بسبب القوة التي تعمل كنتيجة لعملية طبيعية. نحن نتحدث عن تدفقات الرياح الناتجة عن التسخين غير المتكافئسطح الأرض بالشمس. تعمل جميع توربينات الرياح تقريبًا وفقًا للمبدأ التالي: يقوم تدفق الهواء بتدوير العجلة على عمود خاص به ريش ، وبالتالي نقل عزم الدوران إلى المولد أو حزمة البطارية. في ظروف الاستقرار والقوة الكافية لحركة الهواء ، فإن طواحين الهواء لتوليد الكهرباء قادرة على توفير كفاءة 45-50٪. إن تقلبات الرياح وقوتها بالتحديد هي التي تحدد التنوع الكبير في تصميمات توربينات الرياح ، والتي يتم حسابها أيضًا بناءً على الظروف المناخية المحددة للاستخدام.

ما هي المزايا الرئيسية لتوربينات الرياح؟

تقييم كفاءة توربينات الرياح يمكن أن يكون بالمقارنة مع مصادر الطاقة التقليدية ، وعلى خلفية المولدات التي تعمل بموارد مجانية متجددة. تتمثل أبرز مزايا هذه الأنظمة ، والتي تمنح الأمل في تطويرها بنجاح في المستقبل ، في العوامل التالية:

• طاقة الرياح في حد ذاتها ليست متجددة فحسب ، بل إنها متاحة أيضًا للتراكم والمعالجة.
• المنفعة الاقتصادية. التقييمات الواضحة المتعلقة بمؤشرات اقتصادية محددة لا يمكن أن تكون راجعة إلى تنوع الأنظمة التي تعمل بأداء مختلف. لكن يمكننا التحدث عن النتائج البارزة التي أظهرتها المشاريع الفردية. على سبيل المثال ، ما هي تكلفة الكيلوواط من الكهرباء من طاحونة هوائية بحرية كبيرة؟ يمكننا التحدث عن نطاق 2-12 روبل. ل 1 كيلوواط ساعة.
• صديقة للبيئة. لا يوفر تشغيل توربينات الرياح أضرارًاانبعاثات ملوثات الهواء.
• مضغوط. لا يمكن مقارنة تركيب توربينات الرياح ، حتى في الشكل الصناعي ، بمحطات الطاقة التقليدية. هذا يرجع إلى حد كبير إلى استقلالية واستقلالية هذه الأنظمة عن الاتصالات والموارد المساعدة.

مولدات المحور الأفقي

يوفر مخطط تصميم طواحين الهواء هذه وجود مولد كهربائي وعلبة تروس وشفرات وبرج بإطار. يتم تنفيذ تكوين الشفرات بطريقة يتدفق الهواء فيها إلى القمع ، مما يخلق لحظة التواء. من الشروط المهمة لتشغيل طواحين الهواء هذه لتوليد الكهرباء القدرة على التكيف مع خصائص حركة التدفقات (الاتجاه والقوة). لهذا الغرض ، يتم تزويد الهياكل بآليات لقلب وإمالة الشفرات فيما يتعلق بسطح الأرض. في أكثر الموديلات تقدمًا ، تُستخدم أيضًا وحدات التحكم ذات التحكم التلقائي. بالنسبة لتنفيذ عجلة الرياح ، غالبًا ما يتم استخدام التكوين ثلاثي الشفرات في المخططات الأفقية. علاوة على ذلك ، من أجل زيادة أداء المولدات ، يميل المهندسون إلى زيادة حجم جزء الاستقبال الوظيفي ، وهو ما يفسر ، على سبيل المثال ، الاتجاه الحالي للانتقال من البلاستيك والمعادن الخفيفة إلى العناصر المركبة باهظة الثمن في تصنيع الهياكل.

مولدات المحور العمودي

هذه المولدات لها ميزة كبيرة على الهياكل الأفقية ،والتي تتمثل في عدم الحاجة إلى وسائل إضافية لمراقبة التثبيت والتحكم فيه. وهذا يعني ، أثناء التشغيل ، أن طاحونة الهواء ذات المحور الرأسي لا تتكيف بأي شكل من الأشكال مع حركة التدفقات. تعمل ميزة التفاعل مع الكتل الهوائية في نفس الوقت على تقليل الجهد في شفرات مولد الرياح وتقليل الأحمال الجيروسكوبية. يمكن وضع المولد الموجه ، الذي يشكل محرك المحطة ، في قاعدة برج الهيكل دون التعرض لخطر التلف أو الفشل. ولكن لماذا ، مع المزايا الموصوفة ، لم تحل التركيبات الرأسية محل طواحين الهواء الأفقية تمامًا؟ لسوء الحظ ، فإن هذه النماذج لها أيضًا عيوب كبيرة. نظرًا لأن عجلة الرياح لا تسترشد بتدفقات الرياح وتعمل دائمًا في نطاق ضيق من نطاقات التقاط الطاقة ، يتم تقليل أداء المولد بشكل منطقي. لذلك ، للحفاظ على طاقة كافية من طواحين الهواء العمودية ، فإن استخدامها الشامل الذي يغطي مساحات كبيرة مطلوب ، وهو أمر غير ممكن دائمًا.

تصاميم تعتمد على دوار داريوس

تعتمد مولدات توربينات الرياح ذات المكره الرأسي على تصميم دوار Savonius أو Darrieus. لكن هذه المجموعة لها أيضًا اختلافاتها وتعديلاتها الحديثة. أحدث التطورات الواعدة هو توربين Gorlov helicoid ، الذي تم إنشاؤه في عام 2001. إنه نوع من استمرار لمفهوم Darrieus rotor ، ولكن في شكل أكثر تحسينًا. تسمح الشفرات الرأسية الحلزونية بتوليد الطاقة من تدفقات الماء والهواء بأقل قدر من النشاط. اليوم هذه المولداتتستخدم في كل من مزارع الرياح المتخصصة وكجزء من محطات الطاقة الكهرومائية.

مولدات الرياح مع مضخمات التدفق

أيضًا ، بطريقة ما ، استمرار للتصميمات الكلاسيكية لطواحين الهواء ، ولكن تم تعديلها وفقًا لظروف التشغيل الحالية عالية التقنية. تتميز التعديلات مع مضخمات التدفق بوجود واحد أو أكثر من المزاريب المصممة لتركيز تدفقات الهواء. تعمل العناصر الديناميكية الهوائية المخروطية الشكل في شكل تلك المزاريب نفسها على تجميع التدفقات على مساحة كبيرة ، وتوجيهها إلى نقطة اتجاه واحدة وبالتالي زيادة سرعة نظام الشفرة. تكمن صعوبة استخدام توربينات الرياح مع مضخمات التدفق في أنها تتطلب استخدام مجموعة عناصر إضافية. علاوة على ذلك ، من الممكن تحقيق زيادة كبيرة في الإنتاجية في مثل هذه الأنظمة فقط من خلال ربط مصادر الطاقة المساعدة ، وهو أمر غير مبرر اقتصاديًا دائمًا.

توربينات الرياح بدون تروس

تماشياً مع فكرة التحسين الهيكلي ، ظهر أيضًا متغير لمحطة طاقة الرياح بدون علبة تروس. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام قناة حلقية مزودة بقضيب معدني داخلي. يتم تثبيت هذه الحلقة حول حافة الدوار. توجد هنا أيضًا مجموعة من المغناطيسات ، والتي تتفاعل مع قضيب معدني ، مما يساهم في توليد التيار. يمكن أن يصل أداء توربينات الرياح بدون علبة تروس بقطر دوار يبلغ حوالي 200 سم إلى 1500 كيلو واط في الساعةفي العام. الميزة الرئيسية لهذا التصميم هي تقليل فقد الطاقة الذي يحدث بشكل طبيعي في تشغيل المولدات المزودة بصناديق التروس. لكن عليك أن تدفع مقابل هذه الميزة بحدود السرعة. لكي تدخل الوحدة في سير عمل مثالي ، يلزم سرعة تدفق لا تقل عن 2 م / ث.

ميزات توربينات الرياح الصناعية

طواحين الهواء الصناعية لها اختلافان أساسيان - الحجم الكبير وخرج الطاقة العالي. تأتي مزايا وعيوب المحطات من هذا النوع من هذه الميزات. أما بالنسبة للهيكل ، فيكفي أن نقول إن ارتفاع طواحين الهواء الصناعية الحديثة يمكن أن يصل إلى 150-200 متر ، ويمكن أن يصل امتداد الشفرة إلى أكثر من 100 متر. تتطلب الطاقة العالية أيضًا تعقيد البنية التحتية الوظيفية. لذلك ، للتحكم في عملية تحويل الطاقة ، يتم استخدام وحدات تحكم مولد الرياح ، والتي تضمن أخذ الشحن الحالي لحزمة البطارية في الاعتبار. بالإضافة إلى ذلك فإن الحشو الكهربائي لمثل هذه التركيبات يشمل محولات وأنظمة حماية ماس كهربائى.

ميزات توربينات الرياح المنزلية

أبسط طواحين الهواء لا يمكن استخدامها في المنزل فحسب ، بل يمكن أيضًا تجميعها يدويًا. كقاعدة عامة ، هذه منشآت صغيرة الحجم لا يزيد ارتفاعها عن 10 أمتار ، وقادرة على العمل بقوة 0.5-5 كيلو واط. كمصدر طاقة سلبي للأجهزة المنزليةأو مجموعات فردية من الأجهزة الكهربائية ، فإن هذا الخيار يبرر نفسه. ومع ذلك ، يتم استخدام توربينات الرياح المدمجة بأعداد كبيرة اليوم من قبل الشركات الكبيرة لتزويد مرافق الإنتاج بالطاقة. على أساس مزارع الطواحين الهوائية الصغيرة ، يتم تشكيل أنظمة منتجة وموثوقة بما يكفي يمكنها التنافس مع المولدات الفردية عالية الطاقة.

ميزات توربينات الرياح البحرية

تعود شعبية هذا النوع من طواحين الهواء إلى العديد من المزايا التي تفوق المحطات الموجودة على الأرض. يتعلق هذا بشكل أساسي بظروف العمل الأكثر استقرارًا ، حيث لا يتم إعاقة تدفقات الرياح بعيدًا عن الساحل. في الوقت نفسه ، تنقسم هياكل توربينات الرياح البحرية إلى مجموعتين - داعمة وعائمة. الأول يتم تركيبه في المياه الضحلة مع دعامة كلاسيكية في الأرض تحت الماء. المحطات العائمة ، على التوالي ، لها منصة عائمة خاصة بها مع التثبيت عن طريق المراسي والأجهزة البحرية الأخرى.

مزيج من هياكل توربينات الرياح مع هياكل المباني

هناك أيضًا مجموعة واعدة جدًا من طواحين الهواء المدمجة حرفيًا في هياكل المباني الشاهقة. هذا الحل له ميزتان - شروط مواتية لـ "استقبال" التدفقات وتقليل مسار توصيل الكهرباء ، حيث أن المصدر النهائي للإمداد عادة ما يكون المستهلكون داخل المبنى. في الوقت الحالي ، يتم دمج توربينات الرياح من هذا النوع باستخداماسطوانات ديناميكية هوائية خاصة مثبتة على أسطح ناطحات السحاب. يتم أيضًا تطوير مفهوم المراوح الصغيرة ، والتي يمكن وضعها في أي جزء من موقع البناء العالي. يتم دمج الأجهزة حرفيًا في الجدران ، وبعد ذلك يتم توصيلها بنظام إمداد الطاقة العام ، مما يعطي كمية صغيرة ولكن ثابتة من الطاقة.

الخلاصة

في السنوات الأخيرة ، ازداد الاهتمام بتوربينات الرياح بشكل ملحوظ في روسيا. يتم تشغيل المحطات الكبيرة التي تصل سعتها إلى 30-50 ميغاواط بشكل دوري في مناطق مختلفة. بالنسبة لبلدنا ، تعتبر طواحين الهواء مفيدة بشكل خاص لأنها تتيح لنا توفير الطاقة للمناطق النائية حيث لا توجد في الوقت الحالي إمكانية تنظيم وسائل أخرى لإمداد الطاقة. يتطور أيضًا قطاع محطات طاقة الرياح الصغيرة بنشاط. في روسيا ، أصبحت أنظمة الطاقة الفردية بسعة 1-5 كيلو واط شائعة جدًا. في الوقت نفسه ، لا يرفض المطورون الجمع بين مبادئ تشغيل طواحين الهواء ومحركات الاحتراق الداخلي. تتجلى النجاحات في هذا الاتجاه ، على وجه الخصوص ، من خلال تصميمات الديزل والرياح. لا يزال من الصعب تحديد حجم الطلب على طاقة الرياح في روسيا في العقود القادمة ، حيث لا تزال مواقف مصادر الطاقة التقليدية قوية. لكن الاتجاهات في التحول إلى الطاقة البديلة حول العالم من المرجح أن تحفز الصناعة الروسية على استكشاف مثل هذه المجالات بنشاط.