نبذة عن التوربينات

التوربينات

التوربِيــن جهاز ذو عضو دوار، يديره سائل أو غاز متحرّك، مثل
الماء والبخار والغاز والهواء،. يغير التوربين الطاقة الحركيّة (طاقة الحركة)
لسائل إلى نوع خاص من الطّاقة الحركيّة وهي طاقة الدّوران التي
تُستخدم لتحريك الآلات. يوصّل التوربين الطّاقة الميكانيكية إلى الآلات
الأخرى عن طريق دوران المحور الدّوار.




يتكون التوربين من جزئيين رئيسيين هما :
الجزء الدوار.
الجزء الساكن.

أنواع التوربينات :

1 - التوربين المائي .
2- التوربين البخاري .
3- التوربين الغازي .
4- التوربين الهوائي.


التوربين المائي : Hydro Turbine

معظم التوربينات المائية تديرها شلالات مائية أو مياه مخزّنة خلف سدود. وتستخدم
هذه التوربينات في تشغيل مولّدات كهربائية في محطّات القدرة الكهرومائية.




التوربين البخاري : Steam Turbine

التوربينات البخارية من أهم أنواع التوربينات التي تستخدم في محطات توليد الطاقة الكهربائية
،فهي تشغِّل المولدات الكهربائيّة في معظم محطّات القدرة، وتشغّل كذلك السّفن والآلات الثّقيلة.
تعمل التوربينات البخارية بالبخار. وفي معظم الحالات، ينتج البخار عن طريق تسخين الماء في غلاّية وقودها من الفحم الحجري، أو الزيت أو الغاز الطبيعي. أما في محطّات القدرة النّووية فتحّول الحرارة الناتجة عن انشطار الذّرة في المفاعل النووي الماء إلى بخار.



التوربين الغازي: (Gas Turbine)

لهذا النوع من التوربينات استخدامات كثيرة فهو يستخدم في الطائرات ذات الدفع النفاث ووسائط النقل البحري والبري إضافة لاستخدامه في محطات توليد الطاقة الكهربائية وخصوصا في تجاوز ساعات الذروة. من مزاياه سرعة التشغيل (بعكس التوربين البخاري الذي يحتاج إلى ترتيبات وتحضير أولي).
يعمل التوربين الغازي على أنواع كثيرة من الوقود, فهو يعمل على الغاز الطبيعي
وعلى السولار والجازولين وحتى على النفط الخام( مع بعض الإضافات الكيماوية والترتيبات).









ثم يأتى الدور على موضوعنا الاساسى: ولكن لنوضح اولا

إن توربينات الرياح تولّد حالياً حوالي نفس قدر كهرباء ثمانية محطات طاقة نووية كبيرة وهذا لا يتضمّن التوربينات الهائلة فقط إنما التوربينات الصغيرة أيضاً التي تولّد كهرباءً للبيوت الفردية أو للأعمال التجارية (تستخدم أحياناً بالاتحاد مع طاقة الكهرباء الضوئي الشمسي) وإن قدرة توربين صغير يبلغ 10 كيلو واط يمكن أن يولّد بحدود 16,000 كيلو واط ساعي سنوياً، وإن عائلة أمريكية مثالية تستهلك حوالي 10,000 كيلو واط ساعي سنوياً.
يستطيع توربين رياح كبير أن يولّد بحدود 1.8 ميجاواط من الكهرباء أو 5.2 مليون كيلو واط ساعي سنوياً تحت الشروط المثالية وهذه كمية كافية لتزود 600 عائلة تقريباً بالطاقة ولكن ما تزال محطات الكهرباء النووية والفحمية يمكن أن تنتج كهرباء أرخص من توربينات الرياح فلماذا إذن تستخدم طاقة الرياح؟ إن أكبر سببين لاستعمال الرياح في توليد الكهرباء هما الأكثر وضوحاً: طاقة ريح نظيفة وهي قابل للتجديد وأيضاً إن توليد الكهرباء بالرياح لا يصدر غازات ضارّة مثل ثاني أوكسيد الكربون وأكسيدات النتروجين إلى الجوّ مثلما يفعل الفحم ونحن لا نخاف من استنفاذ الرياح في أي وقت وهناك أيضاً سبب ارتبط بالاستقلال في استخدام الرياح فإن أيّة بلاد يمكن أن تولد الكهرباء بالرياح بدون دعم أجنبي ويستطيع توربين الرياح أن يجلب الكهرباء إلى المناطق البعيدة الغير مخدومة بشبكة الكهرباء المركزية لكن هناك جوانب سلبية أيضا فإن توربينات الرياح لا تستطيع السير دائماً بقوة 100 بالمائة مثل العديد من الأنواع الأخرى لمحطات الكهرباء إذا أصبحت سرعة الريح متقلبة وإن توربينات الرياح يمكن أن تكون صاخبة إذا كنت تعيش بالقرب منها ويمكن أن يكونوا خطرين على الطيور والخفافيش، وفي مناطق الصحراء الصلبة هناك خطر تآكل الأرض إذا حفرت من أجل تركيب التوربينات وبما أن الريح مصدر طاقة غير موثوق به نسبياً فإنه يجب على مشغلو محطات الكهرباء بالريح أن يدعموا النظام بكمية صغيرة موثوقة وغير قابلة للتجديد من الطاقة من أجل أوقات انقطاع سرعة الريح.
لدى الولايات المتّحدة عدد جيد من توربينات الرياح المركّبة ولديها قدرة توليد أكثر من 9,000 ميجاواط في عام 2006 وهذه القدرة تولّد في المنطقة 25 بليون كيلو واط ساعي من الكهرباء وهذه الكمية تبدو هائلة لكنها في الحقيقة أقل من 1 بالمائة من الطاقة التي تولد في البلاد كلّ سنة وإن توليد الكهرباء الأمريكي يتراجع ابتداءً من عام 2005 على هذا الشكل:
الفحم 25 %
الطاقة النووية 20 %
الغاز الطبيعي 16 %
الطاقة المائية 6 %
مصادر أخرى (مثل الهواء، الشمس ....) 5 %

إنّ توليد الكهرباء الكليّ الحالي في الولايات المتّحدة بحدود 3.6 تريليون كيلو واط ساعي كلّ سنة ولدى الريح الإمكانية لتوليد أكثر بكثير من 1 بالمائة من هذه الكهرباء بحيث أن إمكانية طاقة الرياح الأمريكية المخمّنة هي حوالي 10.8 تريليون كيلو واط ساعي بالسّنة طبقاً لجمعية طاقة الرياح الأمريكية وهي كمية تعادل تقريباً كمية طاقة في 20 بليون برميل من النفط ولجعل طاقة الرياح هذه عملية في المنطقة المعطية يتطلّب سرعة ريح دنيا من 9 ميل بالساعة (3 أمتار بالثّانية) للتوربينات الصغيرة و13 ميل بالساعة (6 أمتار بالثّانية) للتوربينات الكبيرة وسرعة الرياح هذه موجودة في الولايات المتّحدة بالرغم من أن أغلبه غير مستخدم.
وعندما يتعلق الأمر بتوربينات الرياح فإن الموقع هو كلّ شيء وإن بناء محطة طاقة هوائية فعالة يتطلب معرفة كمية الرياح التي تملكها المنطقة وسرعة هذه الرياح وما هو طول هذه السرعة وإنّ الطاقة الحركيّة في الريح تزيد تصاعدياًٍ في نسبة سرعتها، لذا فإن الزيادة الصغيرة في سرعة الريح في الحقيقة زيادة كبيرة في إمكانية الطاقة وهذا يعني بأن مضاعفة سرعة الريح يزيد ثمانية أضعاف من إمكانية الطاقة لذا فإن توربين في منطقة تبلغ سرعة الريح المتوسطة فيها 26 ميل بالساعة ستولّد ثمان مرات كهرباء أكثر من منطقة تبلغ سرعة الرياح فيها 13 ميل بالساعة هذا "نظريا" لأنه في شرط العالم الحقيقي هناك حدّ لكمية الطاقة التي يمكن أن ينتزعها التوربين من الريح يدعى حد (بيتز) وهو حوالي 59 بالمائة ولكن الزيادة الصغيرة في سرعة الريح ما زالت تؤدّي إلى زيادة هامّة في الطاقة الناتجة.
كما في أكثر المناطق الأخرى التي تنتج الكهرباء عندما يتعلق الأمر بأسر الطاقة من الريح، تأتي الفعالية بالأعداد كبيرة لمجموعات التوربينات الكبيرة التي تدعى مصانع الريح أو محطات الطاقة الهوائية وهو الاستخدام الأكثر ربحاً لطاقة الرياح وإن توربينات الرياح الأكثر شيوعاً لها سعة كهربائية بين 700 كيلو واط و1.8 ميجاواط وقد جمّعوا سوياً للحصول على أكبر كمية كهرباء تأتي من مصادر الريح المتوفرة وقد أبعدوا كل على حدا في المناطق الريفية البعيدة مع سرعة الريح العالية، وإن المكان الصغير الذي تحتله توربينات HAWTs (ذات المحور الافقى ) يعني بأن الاستخدام الزراعي للأرض غير متأثّر تقريباً وإن محطات الطاقة الهوائية لها سعة تتراوح في أي مكان من بضعة ميجاواطات إلى مئات الميجاواطات وإنّ أكبر محطة رياح في العالم هي محطة رافينليف للطاقة الهوائية التي تقع خارج ساحل إيرلنده.

انخفضت كلفة وسائل طاقة الريح بشكل مثير في العقدين الأخيرين بسبب تقدّم تقني وتصميمي في إنتاج وتركيب التوربينات ففي أوائل الثمانينات كلّفت طاقة الريح حوالي 30 سنت لكل كيلو واط ساعي وفي عام 2006 أصبحت تكلفة طاقة الريح من 3 إلى 5 سنتات لكل كيلو واط ساعي حيث أنّ الريح أصبحت وفيرة وإن منطقة التوربين ذات سرعة رياح عالية هي المنطقة ذات الكلفة الأوطأ للكهرباء وإن كلفة طاقة الريح تساوي تقريباً من 4 إلى 10 سنتات لكلّ كيلو واط ساعي في الولايات المتّحدة.

إن العديد من شركات الطاقة الكبيرة تعرض برامج "التسعير الأخضر" التي تقوم على جعل الزبائن يدفعون أكثر لكلّ كيلو واط ساعي من أجل استخدام طاقة الرياح بدلاً من الطاقة من " نظام الطاقة " الذي يعتبر وحدة إنتاج كل الكهرباء في المنطقة سواء كانت قابلة للتجديد أم غير قابلة للتجديد وإذا كنت تعيش بشكل مباشر بجوار محطة طاقة هوائية فالكهرباء الذي تستعمله في بيتك قد يكون مولد عن طريق الريح وفي أغلب الأحيان إن السعر الأعلى الذي تدفعه يذهب لدعم كلفة طاقة الرياح لكن رغم ذلك تبقى الكهرباء التي تستعملها في بيتك تجيء من نظام الطاقة وفي الولايات حيث حرّرت سوق الطاقة قد يكون المستهلكون قادرون على شراء "الكهرباء الأخضر" مباشرة من مجهز طاقة قابلة للتجديد وفي هذه الحالة تكون الكهرباء التي يستخدمونها في بيوتهم تأتي بالتأكيد من الريح أو من المصادر القابلة للتجديد الأخرى.
إن تركيب نظام توربين رياح صغير من أجل حاجاتك الخاصة هي الطريقة الوحيدة لتضمن بأن الطاقة التي تستعملها نظيفة وقابلة للتجديد وإن التوربين السكني أو توربين العمل يمكن أن يكلّف في أي مكان من 5,000 دولار إلى 80,000 دولار والوسائل واسعة النطاق تكلّف أكثر بحيث أن تركيب توربين 1.8 ميجاواط وحيد يمكن أن يبلغ 1.5 مليون دولار وهذا لا يتضمّن تكاليف الأرض وخطوط الإرسال والبنى التحتية الأخرى التي ترتبط بنظام طاقة الريح وعموماً إن محطات الطاقة الهوائية تكلف 1,000 دولار لكل كيلو واط من القدرة لذا فإن محطة الطاقة الهوائية التي تشمل سبعة توربينات 1.8 ميجاواط تبلغ حوالي 12.6 مليون دولار وإن الوقت الذي يأخذه توربين كبير لتوليد كهرباء كافي من أجل إستهلاك طاقة لبناء ولتركيب التوربين هو من ثلاثة إلى ثمانية شهور تقريباً طبقاً لجمعية طاقة الرياح الأمريكية.
إن الحوافز الحكومية من أجل كلا منتجو النطاق الواسع ومنتجو النطاق الضيق يساهمان في العملية الاقتصادية لنظام طاقة الريح.
بما أن طاقة الرياح ما زالت مدعومة من قبل الحكومة فهي منتج تنافسي حالياً وبأكثر الحسابات يمكنها أن تبقى لوحدها كمصدر كهربائي فعّال ويخمن مختبر باتيل الشمالي الغربي وهو مختبر في قسم علم الطاقة والتقنية في الولايات المتحدة بأن طاقة الرياح قادرة على تموين 20 % من كهرباء الولايات المتّحدة معتمدة على مصادر الريح لوحدها.




توزيع طاقة الرياح فى الولايات المتحده الامريكيه







التوربين الهوائي او توربين الرياح:
Air or Wind Turbine


وهذه الأنواع من التوربينات مشهورة باسم الطواحين الهوائية، التي تعمل بطاقة الرياح. طوّرت هذه التوربينات قبل حوالي 1,300 سنة، وكان استخدامها الرئيسي في الماضي هو طحن الحبوب وضخ الماء.
وفي نهاية القرن الثّامن عشر الميلادي كان استخدام الطواحين الهوائية قد انتشر في بلدان كثيرة في جميع أنحاء العالم. وفي القرن التاسع عشر الميلادي، بدأ في بعض البلدان استبدال توربينات مغلفة ذات فعاليّه أفضل. وخلال السبعينيات من القرن العشرين، أدى نقصان النفط إلى زيادة الرغبة في استخدام التوربينات الهوائية لتوليد الكهرباء






الأنواع

هناك نوعان رئيسيان من التوربينات الهوائية :

1- التوربين الهوائي ذو المحور الأفقي.

2- التوربين الهوائي ذو المحور العمودي.


التوربينات الهوائيه ذوات المحاور الأفقيه : H.A.W.T

المتعارف عليه من هذا النّوع يكون فيه أعضاء دوّارة من عدة مراوح أو ريشات مثل :
الطاحونة الهوائية التقليدية وفيها ريشات متجهة من محور أفقي
والأنواع المطوّرة من هذه الطواحين والتي تستخدم لتوليد الكهرباء تكون فيها ريشتان دافعتان. ويوضع العضو الدّوار في هذه التوربينات فوق برج مرتفع يرفع الريشتين عاليًا فوق سطح الأرض لكي تتأثرا بالرّيح. ومن أجل زيادة فعاليّة التوربين، فلا بد أن توجّه الريشتان للريح، والمحور يجب أن يكون موازيًا لمجرى الريح. وعندما تهبّ الرّيح، يدور العضو الدّوار وذلك نتيجة ارتطام الهواء بالريشتين ذوات الشّكل الخاص. وهذا النوع من التوربينات مصمم ليتحمّل التّغيّرات في سرعة أو اتجاه الريح. ومن الممكن تغيير زاوية الريشتين لكي يعمل التوربين بسرعة ثابتة، بغضّ النّظر عن سرعة الرّيح.
كذلك، من الممكن إدارة هذه التوربينات حول محور عمودي لكي تكون ريشتا التوربين دائمًا مقابلتين للريح.











التوربينات الهوائية ذوات المحاور العمودية : V.A.W.T


طوّر المخترع الفرنسي جورج داريو في العشرينيّات من القرن العشرين أفضل توربين هوائي ذي محور عمودي من ناحية الفعاليّة. يشبه توربين داريو الهوائي خافقة بيض عملاقة. ويوجد في هذا التوربين ريشتان أو ثلاث منحنية ومتّصلة عند الطرفين بعمود رأسي. ويتأثر توربين داريو بأي ريح تهبّ بغضّ النّظر عن اتجاهها












تتعرض أجزاء التوربينه إلى الكثير من الاجهادات العالية التي سوف توثر عليها إثناء عمرها الافتراضي

لذلك لابد إن تتميز المواد الداخلة في صناعه تلك الأجزاء بمقاومه عاليه للاجهادات
وخاصة الاجهادات الناتجة عن إلتعب (fatigue )
ويجب أخذ اجهاد التعب فى الاعتبار اثناء التصميم كما يجب اخذ الحد الادنى فى العمر اثناء
التصميم 30 عام .



الاجزاء الاساسيه :

1- الشفرات : Blades
2- الصره او المحور : hub
3- عمود الدوران : axial shaft
4- البرج :tower
5-الجسم الخارجى:outer body
6- القاعده : base




الشكل يوضح الاجزاء الاساسيه والفرعيه فى التوربينه







الاجزاء الاساسيه

أولا :

الشفرات









تعد من أكثر الأجزاء تعرضا للاجهادات وذلك للأسباب الاتيه

• تقع خارج جسم التوربينه لذلك هي عرضه للمؤثرات الخارجية
• طول الشفرات حيث تتميز الشفرات في التربينات الكبيرة بزيادة كبيره في الطول قد تصل إلى 60م
• السرعة العالية
تلك الأسباب أدت إلى الحاجة لاستخدام مواد تتميز بجسائه rigidity عاليه ذات
مقاومه عاليه لل ,التعب fatigue , الانهيار fracture , ,الزحف creep
فكانت المواد المستخدمة كالاتى :
الصلب عالى الكربون : High Carbon Steel
لما يتمتع به من قوه عاليه ومتانة
ولكن نظرا للتطلع إلى زيادة الحجم فان النظر سوف يتوجه حول المواد الخفيفه ذات المقاومة العالية للاجهادات لان خفه الوزن وقله التكلفة هي السبب في منافسه ذلك النوع من التربينات للأنواع الأخرى سوف يتم التفكير في معدن اخف وزن واقل تكلفه وله نفس المميزات مما يحقق أفضليه في التصنيع مثل
الياف الزجاج المقوى : glass fiber-reinforced-plastic : GRP
وهى تعد من أكثر المواد المستخدمة نظرا لخفه الوزن والمقاومة العالية للاجهادات والمقاومة ضد الكسر والتآكل و الصدأ .
فتيل البلاستك المقوى : filament-reinforced-plastic: CFRP
وتتميز الألياف الكربونية بمقاومه تزيد أربع مرات عن الفولاذ وإنها اقوي المواد المركبة وأخفها من حيث الوزن .




ثانيا :

الصرة أو المحور Hub

تعتبر القاعدة التي تثبت بها الشفرات وتكون متصلة بعمود الدوران عن طريق رومان بلى . ونظرا لأنها تتأثر بوزن الشفرات والحمل المتكرر نتيجة الدوران فيجب أن تصنع من مواد شديدة المقاومة للآجهادات وبسبب تعقد الشكل لذلك تصنع بالسباكة(casting) لسبائك الزهر القوية .
سبائك الزهر القويه : strong iron alloy, called: SG cast iron





البرج THE TOWER


يمثل الدعامة التي ترتكز عليها الأجزاء العليا وهو يمثل 65% من وزن التوربينه لذلك لابد أن يصنع من ماده عاليه الجسأه و المقاومة لتحمل التأثيرات الجوية و الاهتزازات الناتجة
ونظرا للارتفاع و الوزن الكبير فهو يصنع على أجزاء من إل
الحديد الانشائى او الانبوبى : tubular steel or Fabricated structural iron
تكون معرضه للكثير من الأحمال لذلك لابد أن تصمم من مواد ذات
مقدره عاليه على تحمل الضغوط مثل الخرسانة سابقه الإجهاد
الخرسانه سابقة الاجهاد : Prestressed Concrete












رابعا :

عمود الدوران axial shaft

وهو المسئول عن توصيل الحركة الناتجة عن الشفرات إلى المولد
لذلك يجب أن يصنع من ماده تتحمل الاجهادات الناتجة من الحمل
المتكرر وتكون مقاومه للصدأ
الصلب المصلد : hardened and tempered steel












خامسا :

الجسم الخارجي

Outer frame orNACEllE

يجب إن يصنع من ماده قويه مقاومه للصدأ والتآكل ويجب ان يكون خفيف الوزن لكي لا يمثل عبء وتصنع من

الياف الزجاج : Glass Fiber










سادسا:

قاعدة الهيكل : nacelle base




هى الجزء الذى يثبت عليه الاجزاء الداخليه بالاضافه الى الهيكل الخارجى .

لذلك لذلك لابد ان تكون ماده قويه تتحمل الاجهادات والضغوط .

وبسبب تعقد الشكل تصنع السباكه

فتكون الماده المفضله:

سبائك الحديد الزهر : Cast Iron alloy

لما تتميز به من :

• التحمل العالي للضغوط
• مقاومه الصدمات
• كتم الاهتزازات

مشكوور خوى احمد وبارك الله فيك على المعلومات القيمة

تحياتى لك