قدرة توربين الرياح – حد بيتز ويوم من الرياح

ماذا تعرض

تحمل الرياح التي تعبر مساحة المسح A = πR² للتوربين في كل ثانية طاقة حركية، فتكون قدرة الرياح ½ρAv³: مضاعفة طول الشفرة تعطي أربعة أضعاف القدرة، ومضاعفة سرعة الرياح تعطي ثمانية أضعافها. ولا يستطيع الدوّار أن يستخلص منها إلا جزءًا Cp؛ وقد بيّن بيتز أن Cp لا يمكن أن يتجاوز 16/27 ≈ 59.3 %. تبدأ التوربينات الحقيقية العمل عند سرعة بدء التشغيل، وتحافظ على قدرتها المقننة فوق السرعة المقننة، وتتوقف عند سرعة الإيقاف لتحمي نفسها. ويُبقي النموذج Cp ثابتًا ويستخدم بيانات رياح محاكاة لليوم.

طريقة الاستخدام

اضغط «تشغيل» لتمضي الساعة عبر اليوم، وراقب النقطة الحمراء وهي تتحرك على منحنى القدرة. غيّر «الشفرة R» و«متوسط الرياح» لترى مدى اعتماد القدرة الناتجة على كل منهما، وقارن طاقة اليوم بالقيمة المحسوبة من متوسط السرعة. ثم اضبط «Cp» و«v المقننة» و«v التشغيل» و«v الإيقاف»، واختر ارتفاعًا أعلى من قائمة «الهواء»، واضغط «يوم جديد» لتحصل على طقس مختلف.

المعاملات القابلة للتغيير

• طول الشفرة (نصف قطر الدوّار) 1–80 m
• متوسط سرعة الرياح في اليوم 2–14 m/s
• معامل القدرة Cp 0.1–0.59
• سرعة الرياح المقننة 8–16 m/s
• سرعة الرياح لبدء التشغيل 2–5 m/s
• سرعة الرياح للإيقاف 18–30 m/s
• كثافة الهواء مستوى سطح البحر، 15 °C (1.225 kg/m³), ارتفاع 1000 m (1.112 kg/m³), ارتفاع 2000 m (1.007 kg/m³)
• استهلاك المنزل من الكهرباء يوميًا 2–40 kWh

أسئلة للاستكشاف

1. إذا تضاعف طول الشفرة، فكم مرة تتضاعف القدرة؟ وماذا لو تضاعفت سرعة الرياح؟
2. لماذا يعطي استخدام متوسط سرعة الرياح قيمة خاطئة لطاقة اليوم؟
3. لماذا يجب أن يتوقف التوربين في الرياح الشديدة جدًا، ولماذا لا يتجاوز أي توربين 59.3 %؟