وقد أصبحت الطاقة الريحية حجر الزاوية في التحول العالمي إلى توليد الطاقة المستدامة، حيث تنمو القدرة على نحو سريع عبر البيئات الساحلية والخارجية، ولتصميم التوربينات التي تحول حركة الرياح إلى كهرباء ذات كفاءة عالية وموثوقية عالية، يجب على المهندسين أن يتقنوا مجموعة من المبادئ المادية المعروفة جماعيا باسم ظواهر النقل، وهذه المبادئ تحكم حركة السوائل والحرارة والكتلة عبر نظم توربينات وحولها.

أساسيات النقل

وتشمل ظواهر النقل ثلاثة تخصصات أساسية: الديناميات السوائل، ونقل الحرارة، والنقل الجماعي، وفي نظم الطاقة الريحية، تتقاطع هذه التخصصات على كل نطاق - من طبقة الحدود الجوية التي تؤثر على مزرعة رياح كاملة إلى تآكل الميكروسكوبات في حافة الرصاص المكتوم، ويدرك المرء تماماً كيف تتحول الهواء، وكيف تتحول الطاقة الحرارية، ومدى أهمية أداء الجسيمات أو الازدحاملة الزراعية على الوجه الأمثل.

Fluid Dynamics and Air flow Behavior

وتصف ديناميات الفلور كيف تتدفق الهواء على السطح ومن خلال الطائرة العمودية، وتشمل المفاهيم الرئيسية الحفاظ على الكتلة والزخم والطاقة، التي تعبر عن معادلة النافير - ستوكس، وفي الممارسة العملية، ترمي نصلات توربين الرياح إلى استخراج الطاقة الحركية من الكتلة الهوائية المتحركة، مع التقليل إلى أدنى حد من الخسائر الناجمة عن السحب والاضطرابات، وتؤثر نسبة الرفع إلى الرش على أجزاء السائلة تأثيراً مباشراً في الطاقة.

(د) يتيح للمهندسين محاكاة التدفق الثلاثي الأبعاد المعقد حول اللافتات الدوارة، وتُعزى هذه المحاكاة إلى الطلقات البقائية، والتفاعلات اليقظة، والظروف الجوية غير المستقرة، مثلاً، يمكن للتشكيلات الدوارة الكبيرة أن تُعدّل على نطاق الرؤى الافتراضية الافتراضية التي تتيح إمكانية التنويع.

نقل الحرارة في المولدات ومكونات مجموعة غلوب

ويؤدي نقل الحرارة دورا حيويا في موثوقية وكفاءة التوربينات الريحية، إذ يولد المولد، وصناديق التروس، والإلكترونيات الكهربائية، جميعها حمولات حرارية كبيرة أثناء التشغيل، وبدون التبريد المناسب، يمكن أن ترتفع درجات الحرارة فوق الحدود المادية، وتتسارع في اللبس وتخفض مدى الحياة، ويحدث نقل الحرارة عن طريق التصريف من خلال مكونات صلبة، وتنتقل من السطح إلى الهواء المحيط أو البرودة السائلة، والإشعاع إلى البيئة.

Engineers design cooling systems that match the expected heat loads under various wind conditions. For geared turbines, oil circulation systems remove heat from gear mesh interfaces; for direct-drive turbines, large air gaps and passive cooling fins are common. Thermal management becomes especially challenging offshore, where salt-laden air can corrode heat exchangers. WindEur1]

Mass Transfer: From Blade Erosion to Icing

إن النقل الجماعي لنظم الطاقة الريحية ينطوي على نقل الجسيمات والرطوبة والأنواع الكيميائية، ويمكن أن تؤدي هذه العملية، المعروفة باسم تحات الحواف، إلى خفض إنتاج الطاقة السنوي بنسبة عدة في المائة، كما أن تسارع الجليد على النسيج في المناخ البارد يؤدي إلى إحداث تغييرات في الوزن الجليدي، ويضاف إلى ذلك التفريغ الظاهري.

ويعتمد معدل التآكل على حجم الجسيمات والسرعة وزاوية الأثر والممتلكات المادية، ويستخدم المهندسون نماذج حاسوبية تُستخدم فيها ديناميات السائل مع الفيزياء التآكلية للتنبؤ بالضرر الصارخ وصيانة الجدول الزمني، أما بالنسبة للتوربينات الخارجية، فإن الرطوبة العالية ورش الملح تتسارع في التآكل، مما يتطلب تطويعا قويا وحماية من الطلاء بالنسبة لعناصر البرج والبنى التحتية.

الديناميات المتطورة لتصميم اللوم

وينظم أداء نصل توربين الرياح تفاعل الرفع والسحب وزاوية الهجوم، إذ يُشكل المصممون القطعة المسدودة (الجوفيل) وتوزيع اللوتيل لتعظيم المصعد مع تأخير المكسو عبر مجموعة واسعة من سرعة الرياح، ويستخدم جهاز الأشعة الحديثة أجهزة قياس الهواء السككّيكة بالقرب من المركز من أجل القوة الهيكلية، ويوفر عنصر الإنقاذ المُحكمة إلى حد بعيد بالقرب من أدوات الكفاءة في وضع إطار.

مولدات مراقبة الحدود ومولدات الصوت

وللإبقاء على التدفق المعلق على سطح النسيج، ولا سيما بالقرب من الجذر الذي ترتفع فيه طول الشورت، كثيرا ما يضيف المهندسون مولدات دودة، وهذه الأجهزة الصغيرة شبه الزعنفة تتحول إلى طبقة الحدود، وتزيد من التدفق وتؤخر الفصل، كما أن تصميم مولدات دودة هو توازن دقيق: كبير جدا، ويخلق جرا طفيليا؛ وصغيرا جدا، ويعجز عن إعادة تشكيل طبقة الإنتاج الحالية.

وثمة نهج آخر يتمثل في استخدام مراقبة طبقة الحدود النشطة، مثل الطائرات الاصطناعية أو الميكروتاب التي تنتشر بسرعة الرياح المنخفضة، وهذه التكنولوجيات لا تزال في مرحلة البحث ولكنها تعد بمزيد من المكاسب عن طريق التكيف الدينامي للحالة الهوائية لل نصل استجابة لظروف تدفق متغيرة.

آثار وريح المزارع

وعندما تغلق التوربينات معا، فإن الانهيار من التربينات المتصاعدة يقلل سرعة الرياح ويزيد من اضطراب الوحدات التي تتدفق إلى أسفل النهر، وهذا الأثر، المعروف بتدخلات في أعقابه، يمكن أن يقلل من الناتج الزراعي الإجمالي بنسبة تتراوح بين 10 و 20 في المائة تبعا لمسارات التباعد والتضاريس والرياح، ويستخدم تحليل ظواهر النقل نماذج إيقاظ (مثلا، جينسن، وفرانديسون، أو نماذج الاضطرابات الغوسين)

وقد أظهرت استراتيجيات المراقبة المتقدمة، مثل توجيه الإيقاظ، تباطؤا متعمدا في التربين فوق التيار لكشف إيقاظه من آلات المجرى المائي، وقد أظهرت التجارب الميدانية في وهندسة الطاقة مكاسب محتملة تتراوح بين 1 و3 في المائة في الناتج الزراعي الإجمالي باستخدام رقابة متناسقة على اليوت، ويعتمد هذا النهج على بيانات آنية من أجهزة الاستشعار للدمات، وعلى حلقات التحكم السريع.

تحديات النقل الحراري وحلوله

ومع زيادة معدلات التربينات في الخارج، فإن النماذج الجديدة في الخارج تتجاوز ١٥ ميغاواط - التحميل الحراري على المولدات الكهربائية ومحولات الطاقة أصبحت أكثر كثافة، بينما لا تزال مولدات المغناطيسية الدائمة تعمل على إزالة مجموعة المعدات، تولد حرارة كبيرة من فقدان النحاس، وخسائر الحديد، وتيارات الدودي، وقد استكشف الباحثون هياكل التبريد الجديدة، بما في ذلك التبريد المباشر للنفط من الرياح المتحركة والمبادلات الحرارية المتكاملة.

الإدارة الحرارية للالكترونيات الكهربائية

ويحتوي محول الطاقة، الذي يقع عادة في قاعدة الناتشيل أو البرج، على مترجمين ثنائي القطبي غير مجهزين بشبكة ثابتة، يتحولون إلى ترددات عالية، وهذه الأجهزة تنتج حرارة يجب إزالتها بكفاءة لمنع المدرج الحراري، كما أن حلقات التبريد السائلة مع خلائط مياه البليكول شائعة، وتدور عبر لوحات التبريد التي تصل إلى 400 وحدة من نماذج التدفق المحتوية على IGBT.

وفي المناخات الساخنة، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة المحيطة 40 درجة مئوية، مما يقلل من فعالية أجهزة التشعير المزودة بالهواء، وقد يبالغ المهندسون في استخدام نظام التبريد أو يدمجون مواد للتغير التدريجي التي تستوعب الحمولات الحرارية القصوى، وبالنسبة للمناخ البارد، قد يلزم توفير عناصر للتدفئة لمنع التبريد من التجميد أثناء إغلاقها.

Thermal stresses in Composite Blades

وبالإضافة إلى ذلك، فإن المواد المركبة المستخدمة في الألياف البلاستيكية أو ألياف الكربون التي تجسد في راتنجات التكسينات المختلفة التي تتسع من الزراعة الحرارية من الأضواء المعدنية ونظم حماية البرق، ويمكن أن تؤدي الخانات المتحركة عبر الجلد الصارخ، الناجمة عن الإشعاع الشمسي أو الجبهات الباردة، إلى الحد من الضغوط المحلية التي تؤدي إلى تسارع أو استخدام نظم أشعة مصغرة.

آثار النقل الجماعي على الأداء الطويل الأجل

ولا يقتصر نقل الكتلة على التحات والقذف، بل يشمل أيضا نقل الرطوبة إلى داخل النسيج عن طريق المايكروكراككس أو عيوب خط السندات، وعندما يكون داخلها يمكن أن يتجمد الماء ويتوسع ويسبب مزيدا من الضرر، ويجب أن يُنظَّم انتشار السائل عبر القصف الصاروخي للتنبؤ بمعدلات الارتحال وتصميم نظم فعالة للهواء.

الرصاص في درج للتآكل والتكدس الوقائي

إن تآكل الحافة الأمامية للسيارات هو أحد أكثر قضايا الصيانة تكلفة في مزارع الرياح، وتؤثر قطرات المطر على الطرف المثان بالسرعة التي تتجاوز 80 متراً، وتولد موجات صدمية عالية الضغط على السطح، وهذا يضعف معطف الطلاء الجيلي ويكشف عن النسيج المكوني، وتشير البحوث التي أجريت في ] إلى تآكل المعاطف .

Icing: Physics and Mitigation

إن التكدس على شفرات التربين يحدث عندما تتجمد قطرات المياه فوق الكبريت على الاتصال، ويمكن أن يكون شكل الجليد جليداً (الثلج الواضح) أو أزرق (الثلج الخام، الجليد الشام) أو كل ما يؤثر على الديناميكية الهوائية، ويخلق الجليد السطح الخام الذي يزيد من الجر ويخفض من مستوى الرفع، بينما يمكن للجليد الجليدي أن يشكل قروناً من الجليد تشوه بشدة.

الآثار والتطبيقات العملية

وتؤثر ظواهر النقل تأثيرا مباشرا على تصميم كل عنصر من مكونات توربينات التراب الرئيسية، وتستخدم المصممين الصاروخين حلقات متكررة من مركز تنمية المجتمعات المحلية في ادارة النقل الجوي، وذلك لتحسين نظام التخطيط والالتواء واختيار أجهزة المعلومات الهوائية حتى يتحقق منحنى الطاقة المنشود، وينظر مصممو البرج في رفوف دودة الريح، وهي مشاكل تتعلق بالتفاعل بين الهياكل الأساسية، ويجب أن تُحسب تصميمات لظاهرة المحركات التربين الخارجية للطيوربينات المتحركية في اتجاه الأحادي، وهي تدور،

Farm Layoutimization Using wake Models

ويمكن للمطورين، مع نماذج الإيقاظ، أن يضعوا التربينات للتقليل إلى أدنى حد من الخسائر في الطاقة، وكثيراً ما يكون التصميم مقايضة بين التعبئة الكثيفة (لستخدام الأراضي بكفاءة) والفصل بين المسافات التي تقلل من أثر الايقاظ، وبالنسبة للمزارع الخارجية التي تكون فيها تكاليف التركيب مرتفعة، يمكن أن يترجم تحسين كفاءة المزارع إلى ملايين الدولارات في تصميمها على مدى عمر المشروع.

ياو، بيتش، وتحكم تورك

نظام التحكم في التربين يضبط الملعب الصاروخي وتورك المولدات لتعظيم الطاقة مع الحد الآمن من الحمولات، وفي الرياح المنخفضة، تُطرح الشارات إلى الزوايا المثلى المستمدة من النظرية الهوائية؛ وفي الرياح العالية، يقلل القذف من زاوية الهجوم لمنع الإفراط في السرعة، ويبقي التحكم في الدوار موجها نحو الرياح.

Innovative Technologies Shaped by Transport Phenomena

وتزيد تكنولوجيات الطاقة الريحية الناشئة من فهم ظواهر النقل بشكل أعمق بحيث تتجاوز الحدود الحالية، ويمكن أن تُعدل اللوحات الذكية المحتوية على أجهزة الاستشعار والمواهب شكلها استجابة لظروف التدفق المحلي، ويمكن أن تتنبأ الخوارزميات التي يتم تدريبها على بيانات القوات المسلحة المركزية بأماكن المراقبة المثلى لتصورات التدفقات غير المعروفة.

ترابينز أوف شور

وتشمل المنابر المزخرفة تفاعلات معقدة بين الرياح والموجات والتيارات والهيكل العائم، وتوضع ديناميات نظام الرعي - مشكلة تفاعلية هيكلية السوائل - إضافة إلى أن اقتراح المنبر يستحدث آثاراً غير ثابتة على الدوارة تقلل من كفاءة الاضطرابات، وتقوم أفرقة البحوث حالياً بتطوير مركبين للنقل الجوي - الهيدرو - الكيميائي.

محوري حرفي ويند توربينز (مركبات متفجرة)

وعلى الرغم من أن هذه المركبات أقل شيوعاً من التربينات الأفقية، فإنها توفر مزايا في بيئات معينة، مثل أسطح المناطق الحضرية أو المواقع النائية التي تتفاوت فيها اتجاهات الرياح في كثير من الأحيان، حيث أن الديناميات الهوائية لمعدلات الانبعاثات المنخفضة الدخل أو ذات القيمة العالية تنطوي على توقف دينامي على كل نصل حيث تدور من خلال الرياح النسبية المختلفة.

خاتمة

إن ظواهر النقل توفر الأساس العلمي لتصميم نظم فعالة لجمع الطاقة الريحية، إذ إن هذه المبادئ، بتقنين حركة الهواء والطاقة الحرارية والكتل، يمكن للمهندسين أن يفضوا إلى استخدام الطاقة الهوائية الصارخة، وإدارة الحرارة في مكونات تحويل الطاقة، وحماية اللافت من التدهور البيئي، وهذه المبادئ تسترشد بكل شيء من التصميم العالمي لمزرعة الرياح إلى النص المتناهي الصغر لظواهر التحول الرئيسية.