بشكل عام أدى الاهتمام العالمي بخيارات الطاقة المتجددة إلى ظهور سلسلة من تصاميم توربينات الرياح الجديدة، كما أن بعض أحدث الموديلات في السوق حالياً هي توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT)، والتي يزعم المصنعون أنها هادئة وفعالة واقتصادية ومثالية لإنتاج الطاقة السكنية خاصة في البيئات الحضرية.
ما هي توربينات الرياح ذات المحور الرأسي؟
هي عبارة عن نوع من أنواع توربينات الرياح التي عادةً ما تقوم باستخدام طاقة الرياح لتوليد الطاقة (الكهرباء)، وفي هذا النوع يتم تعيين رمح الدوار الرئيسي بشكل عمودي ليكون أكثر عرضة للريح (في حين تقع معظم المكونات الرئيسية في قاعدة التوربينات)، كما يسمح هذا الترتيب بوضع المولد وعلبة التروس بالقرب من الأرض، مما يسهل الخدمة والإصلاح لمثل هذه التوربينات.
مزايا توربينات الرياح ذات المحور الرأسي:
- انخفاض الضرر البيئي: إن توربينات الرياح ذات المحور الرأسي لها العديد من المزايا وأهمها هو الضرر البيئي المنخفض، ونظراً لأنها مبنية بشكل وثيق حول العمود فإن الشفرات الدوارة لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي لا تخلق ظلال إسقاط ضخمة وممتدة، كما يسهل أيضاً اكتشاف الشفرات للطيور والحيوانات الطائرة الأخرى، مما يقلل من فرصة إصابة الحيوانات، وعلاوة على ذلك تعمل توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بانبعاث ضوضاء أكثر هدوءاً، لذا فهي لا تزعج الناس في الأحياء السكنية.
- أحادي الاتجاه الطبيعي للدوار: تم تجهيز توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بشفرات دوارة يمكنها التقاط الرياح القادمة من أي اتجاه، وعلى عكس ذلك تحتاج توربينات الرياح ذات المحور الأفقي إلى مواجهة اتجاه الريح للعمل، حيث أنهم يعتمدون على نظام الانعراج لتوجيه الدوار من أجل التقاط الرياح، وبسبب هذا الاختلاف في آلية التشغيل يمكن استخدام توربينات الرياح ذات المحور الرأسي لتوليد الطاقة حتى في الظروف الجوية غير المستقرة مثل الرياح المضطربة والعاصفة، كما أنها تعمل بشكل جيد في المناطق الجبلية والساحلية.
- بدء سرعة الرياح المنخفضة: توربينات الرياح ذات المحور الرأسي لها سرعة رياح بداية أقل مقارنة بنماذج المحور الأفقي، وأن سرعة بدء الرياح اللازمة لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي النموذجي هي (من 2 إلى 3 م / ث)، حيث يسمح هذا لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي بتوليد الكهرباء حتى عندما تكون الرياح الواردة أضعف نسبياً، وعلى الرغم من أن كمية الكهرباء المولدة بسرعات رياح منخفضة أصغر بكثير إلا أنها لا تزال أفضل من وجود توربينات رياح غير قادرة على حصاد رياح واردة أضعف.
- مزايا أخرى: تتميز توربينات الرياح بأنها متينة وهادئة ومتعددة الاتجاهات ولا تخلق الكثير من الضغط على هيكل الدعم، فهي لا تتطلب الكثير من الرياح لتوليد الطاقة، مما يسمح لها بالاقتراب من الأرض، ومن خلال كونها أقرب إلى الأرض يمكن صيانتها بسهولة ويمكن ايضاً تثبيتها على المداخن والهياكل العالية المماثلة.
عيوب توربينات الرياح ذات المحور الرأسي:
- أقل كفاءة دوران: غالباً ما يكون لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي كفاءة دوران أقل، وهذا جزء من سبب انخفاض كفاءة توربينات الرياح ذات المحور الرأسي، فنظراً لتصميم الدوار في هذه التوربينات فإنها لا تستقبل جميع الشفرات الموجودة على دوار المحور الرأسي الرياح الواردة بل في الواقع فإن الريش المواجهة للرياح فقط هي التي تستقبل الرياح، وايضاً بالإضافة إلى ذلك أثناء الدوران تواجه دوارات المحور الرأسي مزيداً من مقاومة السحب أو المقاومة الديناميكية الهوائية على الشفرات، مما يضعف ويقلل من كفاءة هذه التوربينات.
- انخفاض سرعة الرياح المتاحة: نظراً لأن توربينات الرياح ذات المحور الرأسي تُركب عادةً على مستوى الأرض فإنها لا تسخر سرعات الرياح الأعلى التي توجد غالباً في المستويات الأعلى، وبالتالي تتوفر طاقة رياح بشكل أقل لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي على مستوى الأرض، وأن الحل الشائع لذلك هو تركيب التوربين على سطح المبنى، وايضاً لمعالجة هذه المشكلة قمنا بتحسين تصميم الدوار بحيث يمكن تركيبه بشكل أعلى، حيث قد يصل عادةً إلى ارتفاع 10 أمتار.
- اهتراء المكون: غالباً ما تواجه توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (التي غالباً ما توضع على مستوى سطح الأرض والبيئات المأهولة) مزيداً من الاضطرابات وقضايا الاهتزازات، فعند التشغيل لا تحتاج الشفرات إلى تحمل المزيد من القوة فحسب بل يحتاج أيضاً المحمل بين الدوار والمولد إلى تحمل ضغط أعلى، وبالنسبة للآخرين يمكن أن يؤدي هذا إلى مزيد من الصيانة، وبالتالي المزيد من التكلفة.
- أقل كفاءة: من المعروف أن توربينات الرياح ذات المحور الرأسي أقل كفاءة مقارنةً بتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي، وهذا يرجع بشكل أساسي إلى طبيعة تصميمها وخصائصها التشغيلية، ففي المتوسط تتراوح كفاءة توربينات الرياح ذات المحور الأفقي بين 40 إلى 50٪، مما يعني أن التوربين قادر على تحويل 40٪ إلى 50٪ من الطاقة الحركية التي يتلقاها إلى طاقة كهربائية فعلية، ومن ناحية أخرى يبلغ متوسط كفاءة توربينات الرياح ذات المحور الرأسي إلى 17٪، وبهذا تصل توربينات الرياح ذات المحور الرأسي من 20 إلى 30٪ من توليد الطاقة.
