الأداء الأمثل لمولد طاقة ريحي صغير للسرع المنخفضة Optimal performance of small low speed wind turbine

إن قلة البحوث الخاصة بمولدات طاقة الرياح الصغيرة للسرع المنخفضة وافتقار المستورد منها للتصميم المناسب الذي يؤهلها للعمل بنجاح في منطقتنا ، كان الهدف  الأساسي الذي دفع الطالب الباحث جعفر علي كاظم من كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية بجامعة دمشق  لتصميم توربين ريحي صغير يتناسب مع ظروف منطقتنا وخاصة في سورية  والعراق قادر على استخلاص طاقات الرياح لتوليد الطاقة الكهربائية وهو البحث الذي تقدم به لنيل إجازة الدكتوراه في هندسة الطاقة الشمسية والطاقات المتجددة.
وقال الباحث: أن بحوث أداء توربينات الرياح الصغيرة في الكثير من الجامعات ومراكز البحوث المختصة في السنوات الأخيرة قد أصبحت من البحوث المهمة لسعة انتشارها بشكل واسع وقد تكون في المستقبل منافسا قويا لتوربينات الرياح الكبيرة في توليد طاقة الرياح في معظم منطق العالم وللأسف فإن توفر الوقود في منطقتنا العربية ساهم إلى حد كبير في عدم الالتفات إلى بدائل أخرى من طاقات المتجددة ومن أهمها طاقة الرياح حيث يبلغ إنتاج أوربا من الطاقة الكهربائية المولدة عن طريق طاقة الرياح حوالي 20 % كما إن المشاكل البيئية التي تعانيها منطقتنا العربية تجعل البحث عن بدائل جديدة ونظيفة لتوليد الطاقة الكهربائية واستثمار طاقة الرياح الموجودة لدينا بالشكل الأمثل ضرورة حيوية وللأسف فإن الكثير من شركات تصنيع التوربينات الهوائية في العالم لا تدخل في حساباتها سرع الرياح المنخفضة في التصميم الأساسي للتوربينات الريحية، وهناك سرعات كبيرة  للتوربينات لا تبلغها الرياح في المنطقة إلا لساعات معدودة على مدار السنة. ويعد متوسط سرعة الرياح 5m/s متدنية من حيث محتواها من الطاقة مقارنة بمتوسط سرعة 8m/s، لذلك لم تبذل جهود ملموسة لتطوير صناعة  توربينات الرياح الصغيرة للسرعات المنخفضة وقد غطت هذه الأطروحة عدة مواضيع مهمة منها: المعالجة الإحصائية لبيانات سرع الرياح لتحديد قيمة سرعة الرياح التصميمية، وكانت بحدود (Ume=8m/s)، واعتمادها  كأساس  للحسابات التصميمية. دراسة نظريات (HAWT) وصولا لبناء موديل رياضي لحساب معامل الطاقة للحالة المثالية باستخدام نظرية(BEM). اشتقاق موديل رياضي لتصميم الريشة متضمنا عوامل التصحيح لتعديل الفرضيات النظرية ومحاكاة الجريان الحقيقي. تصميم (11) نموذج للريشة لقيم مختلفة من (dλ). تقييم النماذج وفق شروط الأداء الأيروديناميكي والمتانة الميكانيكية واختيار النموذج المناسب ) )، ولدواعي تصنيعية تم إدخال بعض التعديلات على التصميم وبيان تأثير ذلك على الأداء و إقرار المناسب منها. اختيار السطوح الانسيابية المناسبة في بناء الريشة هو المفتاح الأساسي لتحديد أداء التوربين، وبمساعدة بعض البرامج تمت دراسة السطوح الانسيابية والعوامل المؤثرة على أدائها لقيم منخفضة من (Re)، وبعد عملية مفاضلة أقر النموذج (Eppler560) للجذر و(Geo360) لطرف الريشة، وباستخدام أسلوب المزج تم تصميم 85 سطح انسيابي لبناء الريشة. بعد إكمال الجانب النظري، تم بناء توربين بقدرة 1(kW) يمكن التحكم بمعظم عوامل الأداء فيه. أعقب ذلك اختبار التوربين في موقع ثابت فوق أحد المباني، ثم فوق منصة متحركة (سيارة حمل). النتائج التي تم الحصول عليها تبين تأثير عدد الريشات  2 و3 و6، وزاوية ميل الريشة (30o-(0o، وسرع الرياح (10 –(2m/s، والحمل على الأداء كما بينت النتائج العملية إن العدد المناسب لريشات التوربين له علاقة عكسية مع سرعة الرياح، وكذلك تتحسن إمكانية التوربين للإقلاع الذاتي مع زيادة نسبة الصلابة. لقد أنتج التوربين ذو الريشات الست طاقة كهربائية مقدارها Pe=500W، عند سرعة الرياح التصميمية 8m/s محققاً Cp=0.42 وتمثل 86% من الحسابات التصميمية للأداء. والتوربين ذو ثلاثة ريشات أنتج Pe=470W محققاً 0Cp=0.4، وان التوربين بريشتين أنتج Pe=270W حقق Cp=0.25 وتضمنت النتائج تحديد أفضل علاقة لسرعة الرياح مع زاوية ميل الريشة وسرعة الدوران. وكذلك أثبت البحث إمكانية استغلال طاقة الرياح المنخفضة بمعامل طاقة مقبول.
وتابع :إن الهدف العام من تصميم توربين رياح مثالي هو إمكانية إنتاج توربين رياح يمكنه استخلاص اكبر مقدار من طاقة الرياح بأقل كلفة إجمالية للمنظومة. وهذا الهدف قد يختلف بعض الشيء عن تصميم توربين رياح مثالي لسرعة رياح منخفضة، حيث يكون الهدف هذه المرة هو إمكانية عمل التوربين ضمن شروط سرعات الرياح المنخفضة، وبذلك سيواجه التصميم تحديات أكبر تتمثل بانخفاض الأداء عند سرعة الرياح المنخفضة إضافة إلى مشكلة الإقلاع. إن معظم العوامل المؤثرة على الأداء قد تم دراستها خلال مرحلة البحث وأُدخلت القيم المثالية لها في التصميم الأساسي، وبما إن التوربين يمكن أن يواجه ظروف أداء مختلفة عن الواقع التصميمي، فقد تم دراسة أداء التوربين عمليا من خلال التحكم بقيم معظم البارامترات المؤثرة، وبيان تأثير ذلك على بعضها الآخر وكذلك على أداء التوربين في استخلاص الطاقة. ومن أهم هذه العوامل: عدد ريشات الدوار N ونسبة الصلابة σ، وزاوية ميل الريشة ө، ونسبة سرعة الطرفλ، والحمل المسلط P. تعدُّ بحوث أداء توربينات الرياح الصغيرة في الكثير من الجامعات ومراكز البحوث المختصة في السنوات الأخيرة من البحوث المهمة، وإذا حققت توربينات الرياح الصغيرة كفاءة مقبولة، ولسعة انتشارها بشكل واسع فقد تكون منافسا قويا لتوربينات الرياح الكبيرة في توليد طاقة الرياح.
وأضاف: يبلغ طول التوربين ثلاثة أمتار استغرق العمل لانجازه ثلاثة سنوات حيث جرت مطابقة الجانب النظري بالعملي ولم يتم استيراد أي جزء أو قطعة من مكونات التوربين من الخارج وإنما تم تصنيعه محلياً وقد تم اختبار هذا التوربين على مدى أسبوعين وأجريت عليه ثلاثة آلاف تجربة حيث أعطى نتائج كبيرة أثبتت إمكانية استغلال طاقة الرياح المنخفضة بمعامل طاقة مقبول حيث جرت دراسة معظم العوامل المؤثرة على الأداء خلال مرحلة البحث وأُدخلت القيم المثالية لها في التصميم الأساسي، وبما إن التوربين يمكن أن يواجه ظروف أداء مختلفة عن الواقع التصميمي، فقد تم دراسة أداء التوربين عمليا من خلال التحكم بقيم معظم البارامترات المؤثرة، وبيان تأثير ذلك على بعضها الآخر وكذلك على أداء التوربين في استخلاص الطاقة والنتيجة الأهم  أن البحث أثبت بأن هناك مجال كبير لاستثمار طاقة الرياح في سورية وباستخدام هذا التوربين يمكن توليد الكهرباء وخاصة في المناطق النائية التي يصعب وصول الكهرباء إليها أو في  مجال ري المزروعات في المزارع.
وبين المشرف العلمي على البحث الدكتور فريد أبو حامد أن البحث يأتي في سياق التوجهات العالمية على الصعيد العالمي والمحلي والاهتمام بالطاقات المتجددة لمعالجة التلوث وتوفير مصادر وبدائل جديدة للطاقة وهو الأول على صعيد كليات الهندسة في الجامعات السورية في مجال طاقة الرياح. وتكمن أهميته في عدد من الجوانب ومنها الجانب التنظيمي حيث تم الاعتماد على حوالي عشرين برنامج حاسوب في مراحل تصميم التوربين والمواد والتقانات كانت محلية دون الاعتماد على مصدر خارجي  لكون الطالب يتمتع بخبرة عالية  في مجال التصنيع وقد تم بناء النموذج والتحقق من دقة التصميم ومن ثم اختبار النموذج في موقعين الأول في منطقة البراق  في السويداء لكونها مناطق واعدة في الرياح  والثاني في مناطق منخفضة بالرياح كجرمانا وعلى اعتبار أن جميع التوربينات المستوردة خارجياً لا تراعي بمجملها السرعات المحلية للرياح في منطقة الشرق الأوسط التي تتصف بسرعات منخفضة أو متوسطة للرياح مثل سورية والعراق  فقد أتى هذا النموذج ليلبي حاجات المناطق المتوسطة والنائية والبعيدة عن الخدمة الكهربائية أو في المزارع وأسطح المباني لتأمين احتياجات المنازل من الكهرباء كما إن هذا التوربين يتمتع بتقنيات جديدة ومتطورة يلبي الاحتياجات بتكلفة معقولة
كما إن هذا التوربين سوف يغني تجهيزات قسم الميكانيك العام في الكلية  ويشكل مادة بحث للطلاب بدل أن نستورد تجهيزات من الخارج  وبما أن هذا التوربين هو نموذج تجريبي وقابل للتطوير. فهو مرشح مستقبلاً من أجل إنتاج التوربينات بالسرعات المنخفضة وبإمكان اللهيئة العليا للبحث العلمي والجهات البحثية والصناعية المعنية أن تقوم بتطوير هذا النموذج  والقيام بتصنيعه وتزويد السوق المحلية به ومن الممكن استثمار في عملية ضخ المياه.