لماذا صُممت العنفات الريحية بثلاث شفرات فقط؟
يتم تزويد مزارع الرياح في جميع أنحاء العالم منذ أول اختراعها إلى يومنا هذا بعنفات ريحية ثلاثية الشفرات على شكلها القياسي المعروف لدينا جميعا لإنتاج الطاقة النظيفة.
لم يطرأ على العروض التصميمية الموجودة الآن أي تعديل يذكر كزيادة عدد الشفرات إلى أربعة أو أكثر مثلا كما في السابق .
بل حافظت العنفات الريحية مؤخراً على 3شفرات في تصميمها مع حفاظها على الكفاءة العالية في الأداء لتوليد الطاقة الكهربائية من الرياح.
فهل جال في خاطرك يوماً تساؤلا عن سبب عدم التعديل أو الزيادة في عدد الشفرات للعنفات الريحية عن ثلاثة فقط رغم كل التطورات حولنا!
هندسة العنفات الريحية
تدرس الهندسة التصميمية للعنفة إمكانية الحصول على أعظم طاقة من الرياح بهدف إنتاج أكبر قدرة كهربائية ممكنة وبكفاءة عالية أيضا وهناك عدة أمور يجب أن تؤخذ في الحسبان.
كيف تعمل العنفات الريحية؟
إن الحصول على الكهرباء عن طريق طاقة الرياح أقدم مما يعتقد البعض ، فأن أول عنفة ريحية ركِّبت عام 1888
تم اختراعها من قبل كارلوس فبروش و كانت مكوَّنة من 144 شفرة من الخشب ذات شكل ملفت للنظر و كانت تولِّد ما يقارب 12 كيلو واط من الاستطاعة.
وفي أواسط عام 1930 تقريباً بدأت العديد من المساكن الريفية في الولايات المتحدة الأمريكية بالاعتماد على طاقة الرياح كمصدر لتوليد الكهرباء
وكان ذلك بواسطة عنفات سهل الوصول إليها نسبياً و ذات تكلفة منخفضة ومن الممكن من خلالها تغذية أماكن أخرى بالطاقة لم تكن متصلة بخطوط التغذية الرئيسية.
بعد توسع و انتشار خطوط نقل الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة تراجع الاهتمام بالعنفات الريحية وأصبحت طاقة الرياح من الماضي ومنذ عدة عقود فقط عاد الاهتمام بالرياح كمصدر بديل رخيص مقارنة ببقية أشكال الطاقة.
إن مبادئ إنتاج الطاقة من الرياح عملية بسيطة نسبياً ولا تزال على نفس المبدأ من القرن التاسع عشر
حيث أن الرياح ببساطة هي هواء يتحرك وحيثما توجد حركة توجد طاقة حركية والعنفات الريحية صمِّمت لتواجه وتعيق حركة الهواء التي تحمل طاقة حركية و تبطُّئها و تحوِّلُها إلى طاقة كهربائية
وهذه الإعاقة تتمثل بالشفرات المصممَّة خصيصاً للحصول على أعلى قدر من الطاقة.
إن طريقة تصميم وكيفية استخدام شفرات العنفة قائمة على علوم دقيـ.ـقة تعتمد على عدد من العوامل أهمها ديناميك الهواء و مقـ.ـاومته.
عوامل تصميم شفرات العنفة:
- السرعة.
- ديناميك الهواء.
- سرعة الصوت.
هناك عدة عوامل تلعب دوراً هاماً عند تصميم العنفات ولعل أبرزها ديناميك الهواء
حيث أن ديناميك الهواء هو علم يحكي عن خصائص الجسم الصلب و الهواء المتحرك حوله و تأثـ.ـيره على الجسم ، وبأخذها بعين الاعتبار نصمِّـ.ـم العنفة والشـ.ـفرات بشكل قريب لتصميم أجحـ.ـنة الطائرة.
فالجانب الخلفي من الشفرة يكون أكثر انحناءً من الجانب الأمامي بنفس طريقة تصميم جناح الطائرة فالانحناء فيها يكون إلى الأعلى في النهاية
وهذا الاختلاف بالشكل يسبب اختلاف بالضغط على جانبي الشفرة عندما يتحرك الهواء عبر الشفرة وهذا ما يجعل الشفرة تتحرك.
بسبب دفع الهواء للشفرة إذ تكون سرعة الهواء خلف الشفرة أكبر من مقدمتها مما يجعل الجزء الدوّار من العنفة يبدأ بالدوران لتبدأ عملية توليد الكهرباء
لكن هذا ليس كافياً للشفرات كي تدور فعلى المهندسين أن يضعوا بعين الاعتبار أيضاً السرعة و إعاقة الهواء أثناء التصميم لضمان أعلى مستوى من الكفاءة.
قوة الدفع في العنفات الريحية
إذا تشكلت قوة دفع كبيرة من الشفرات فإن كمية قليلة من الطاقة سوف تُنتج و الشفرات ستتحرك بسرعة كبيرة مما قد يسبب اختراق حاجز الصوت واحدة من أبرز إيجابيات العنفات الريحية هي كيفية.
الاختيار الأمثل لعدد الشفرات في العنفات الريحية ولماذا ثلاثة؟
إن معظم العنفات الريحية تعمل بثلاث شفرات وهذا هو العدد القياسي لها ، لكن قرار اختيار العنفات الريحية بثلاث شفرات أمر يحتاج إلى المرونة في الاختيار بسبب تقليلها لإعاقة حركة الهواء
على سبيل المثال من الممكن بشفرة واحدة يتحقق رقم مثالي عندما نأتي لاستخلاص أكبر قدر من الطاقة
لكن بشفرة واحدة تكون العنفة غير متوازنة وهذا ليس خياراً عملياً لاستقرار التوربين.
وبنفس الطريقة فإن شفرتين تولد طاقة أكبر من ثلاث شفرات و لكن أيضاً لها مشكلاتها ومعوقاتها الخاصة
فالعنفات ذات الشفرتين هي أكثر عرضة لظاهرة تدعى بالاستباق الجيروسكوبي
والتي تنتج ذبذبة بشكل غير طبيعي وهذه الذبذبة قد تسبب مشكلة باستقرار العنفة ككل و تسبب ضغط على مكونات العنفة مما يجعلها تنخفض كفاءتها بشكل طردي مع مرور الزمن.
وأي عدد أكبر من ثلاث شفرات يسبب ممانعة كبيرة جداً لحركة الرياح مما يخفض إنتاج الكهرباء ولذلك فهي أقل كفاءة من العنفات ذات الثلاثية الشفرات
لهذه الأسباب صمِّمت العنفات الريحية بثلاثة شفرات وهو الحل المثالي الأكثر مرونة ما بين الطاقة العالية المستخلصة وأعظم استقرار و متانة مناسبة للعنفة.
اقرأ أيضاً: لماذا تكون أغطية الصرف الصحي دائماً بشكل دائري ؟
توضع أغـ.ـطية الصرف الصحي (المنهل) علـ.ـى قاعدة معدنية ذات حـ.ـافة أصغر مخصصة للإدخـ.ـال، ما يجعل الـ.ـغطاء يـ.ـلائم مكانه تمامًا.
لماذا الشـ.ـكل الدائري تحـ.ـديدًا؟
السـ.ـبب الأكثر شـ.ـيوعًا هو منع وقوع الغـ.ـطاء داخل الفتحة، وهـ.ـذا منطقي، لأن الأغطية المـ.ـستطيلة أو المربعة ستـ.ـسقط إذا أُدخلَت قُـ.ـطرياً في الفتحة.
لكن الاغـ.ـطية الدائرية ليسـ.ـت الوحيدة التي لـ.ـن تسـ.ـقط عبر فتحاتها، فتصمـ.ـيم المُنحنى ثابت العـ.ـرض curve of constant width أو مثـ.ـلث رولوReuleaux triangle يمـ.ـتلك الـ.ـميزة نفسها، لكن الأغطية الدائـ.ـرية أبسط، وأسهل في التنفيذ والتصـ.ـنيع على نطاق واسع.
سـ.ـهولة النـ.ـقل:
تخـ.ـيل أنك أثناء العـ.ـمل قد احتجت إلى نقـ.ـل الغطاء من فتحـ.ـة إلى أخرى تبعـ.ـد عشرات الأمتار، سيـ.ـكون حمل الغطاء الذي يزن نحو 50 كغم بمثـ.ـابة تمرين رياضي غـ.ـير ضروري على الإطـ.ـلاق. يُعَد الغـ.ـطاء الدائري مثاليًا في هذه الحـ.ـالة؛ إذ يمكن بسهولة وسـ.ـرعة دحرجته حتى الوجـ.ـهة المطلوبة، وبجهـ.ـد أقل كثيرًا، وهو درس تعلـ.ـمناه من تراث أجدادنا القـ.ـدامى مكتشفي العـ.ـجلة.
التصـ.ـميم الأمثل لمـ.ـقاومة الضغط:
التصـ.ـميم الدائري هو الأمـ.ـثل فيما يتعلق بمـ.ـقاومة الضغط الأرضي؛ لذلك فـ.ـإن أغطية الصرف الصحي الدائرية تحقـ.ـق الاستغلال الأكفأ للمـ.ـواد في هذه الـ.ـحالة.
سـ.ـهولة التركيب:
ميزة أخـ.ـرى للتصميم الدائري هـ.ـو سهولة ملاءمة الغـ.ـطاء مع المكان المخصـ.ـص فور انزلاقه إلى فتـ.ـحته، في حين تتـ.ـطلب التصميمات الأخرى ضـ.ـبط حواف الغطاء بشـ.ـكل صحيح مع زوايا الفتـ.ـحة لتثبيته في المكان المخـ.ـصص.
إحكـ.ـام الغلق:
في فرنسـ.ـا مثلًا، تُغلَق الأغطية الدائـ.ـرية بإدارتها ربع دورة بعد انزلاقها في مـ.ـكانها، ما يجعل من العـ.ـسير على أي شخص فتـ.ـحها دون استخدام الأدوات المـ.ـلائمة.
المصدر: مواقع إلكترونية
