Optimized Blade Design for Homemade Windmills/ar

يهدف هذا المشروع، الذي أُنجز بالتعاون مع قسم الهندسة الميكانيكية (Mech425)، إلى تحديد الزاوية المثلى للشفرات المسطحة والمتجانسة بالنسبة لتدفق الهواء. ينبغي تحسين زاوية الشفرات لتحويل أكبر قدر من الطاقة إلى حركة دورانية. تُستخدم الشفرات المسطحة مع التوربينات ذات المحور الرأسي، ويُفضّل هذا التصميم عادةً عندما يُفضّل البساطة أو عندما تكون إمكانية الوصول إلى الأدوات والمستلزمات محدودة.

• تم اختيار المشروع لتقديم الدعم للأفراد الذين يتطلعون إلى توليد الكهرباء عن طريق استغلال طاقة الرياح.
• الجمهور المستهدف هم الأشخاص الذين لا يستطيعون تحمل تكلفة النماذج المتوفرة تجارياً واختاروا بناء نماذجهم الخاصة

تُستخدم طواحين الهواء في العديد من التطبيقات، ويمكن تشغيلها في أي مكان تتوفر فيه الرياح. تستخدم هذه الطواحين شفراتها لتحويل طاقة الرياح إلى حركة دورانية. يمكن استخدام هذه الحركة الدورانية إما في أعمال مباشرة أو تحويلها مرة أخرى إلى كهرباء. في الأصل، كانت طواحين الهواء تُستخدم في طحن الحبوب في المطاحن. واليوم، لا تزال تُستخدم لهذا الغرض، ولكن توسعت استخداماتها لتشمل ضخ المياه وتوليد الكهرباء. في الدول الأقل نموًا اقتصاديًا، غالبًا ما تُستخدم الكهرباء المولدة من طواحين الهواء المنزلية لشحن البطاريات والهواتف المحمولة، أو لتشغيل أجهزة الإضاءة وأجهزة الراديو ومضخات الري.

صُممت توربينات الرياح الحديثة المتوفرة تجاريًا لتناسب سرعات رياح محددة، وهي قادرة على توليد ميغاواط من الكهرباء من كل توربينة. مع ذلك، غالبًا ما تكون الحلول المصنعة محليًا بسيطة التقنية، ولم تخضع لدراسات كافية لتحسين أدائها. يهدف هذا التقرير إلى تحديد الزاوية المثلى لإمالة شفرات التوربينات بالنسبة لاتجاه الرياح لتوليد أكبر قدر من الكهرباء.

يُعدّ ويليام كامكوامبا مثالًا رائعًا لشخصٍ يُمكنه الاستفادة من التحليل الوارد في هذا التقرير. فقد تمكّن من بناء طاحونة الهواء بفضل براعته ونهجه القائم على التجربة والخطأ. ونجح في تحويل المواد الخردة المحيطة به إلى طاحونة هواء عملية تُوفّر الإضاءة والري. وقد ساهم عمله في تحسين حياة عائلته وأصدقائه، مُلهمًا في الوقت نفسه الناس في جميع أنحاء العالم. مع ذلك، ونظرًا لمحدودية تعليمه الرسمي، لم يُدرج الحسابات الهندسية اللازمة لتحسين التصميم. ومع تزايد سعي الناس إلى تسخير طاقة الرياح، تبرز أهمية تحسين هذه الأجهزة لتعظيم فوائدها الاجتماعية.

للمزيد من المعلومات حول ويليام، يمكنكم الاطلاع على قصته الملهمة أدناه:

تُعدّ الشفرات المسطحة أقل شيوعًا من التصاميم الأخرى، لكنها توفر فوائد كبيرة، لا سيما في المناطق ذات الدخل المنخفض أو النائية. فيما يلي قائمة بالفوائد التي يوفرها استخدام الشفرات المسطحة:

• سهل البناء
• يتطلب الأمر تصميمًا أقل ومعرفة محلية أقل
• يتطلب البناء معدات ووقتًا أقل
• يسهل ضمان أن تكون الشفرات ذات شكل وحجم متناسقين

يمكن إيجاد الطاقة الحركية المخزنة في الرياح وفقًا لمبدأ برنولي:

الطاقة الحركية = 1 / 2( m * v ² )

لإيجاد طاقة الرياح، يجب علينا إيجاد كتلة الأسطوانة. ويعتمد ذلك على حجم الأسطوانة مضروبًا في كثافة السائل.

m = ρ * V

الحجم الكلي للسائل الذي يمثله العمود الأسطواني هو:

V = A * L

يمكننا حساب مساحة قاعدة الأسطوانة عن طريق:

أ = 1 / 4(π * د ² )

يمثل طول الأسطوانة كمية السائل التي مرت عبر مساحة طاحونة الهواء. ويتم حساب ذلك بضرب سرعة الرياح في الزمن.

L = v * t

يمكن تبسيط ذلك على النحو التالي:

KE = 1 / 8(ρ * π * D ² ) * v ³ * t

وأخيرًا، فإن قوة الرياح هي ببساطة الطاقة لكل وحدة زمنية

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

كما هو موضح، ترتبط قوة الرياح ارتباطًا وثيقًا بسرعة الهواء، وبدرجة أقل بقطر شفرات التوربين. وتتناسب كمية الطاقة في الهواء طرديًا مع مكعب سرعة الهواء، مما يُبرز أهمية سرعات الرياح العالية. لذا، لزيادة إنتاج الطاقة، يُعدّ إيجاد موقع ذي سرعات رياح عالية العامل الأهم. ويمكن تحقيق ذلك بإنشاء برج لوضع طاحونة الهواء في مكان مرتفع، مما يُساعد على تقليل تأثير أي عوائق من مستوى الأرض. كما يُعدّ حجم شفرات التوربين عاملًا مهمًا، ويجب أخذه في الاعتبار كوسيلة لزيادة الطاقة.

طُوِّر حد بيتز على يد ألبرت بيتز، وهو يُمثّل أقصى طاقة يُمكن لجهاز ما استخلاصها من تيار سائل عند سرعة مُحدّدة. في حالة طاحونة الهواء، يُمكن إيجاد أقصى كفاءة نظرية لدوار رقيق بناءً على الافتراضات التالية:

• يُعتبر الدوار مثالياً، حيث يحتوي على عدد لا نهائي من الشفرات ولا يوجد به أي مقاومة.
• يكون التدفق داخل وخارج الدوار محوريًا ويتوافق مع معادلات الحفظ.
• تم تصميم نموذج السائل بناءً على التدفق غير القابل للانضغاط.

تنبأت نظرية بيتز بأن القيمة القصوى النظرية لمعامل القدرة تبلغ 0.593. وهذا يعني أن الحد النظري للطاقة المُستخرجة من المائع هو 59.3%. في المقابل، تستطيع توربينات الرياح التجارية حاليًا تحقيق كفاءة تحويل تتراوح بين 40 و50% بسبب بعض أوجه القصور الطفيفة المتعلقة بتصميم الشفرات والعملية الميكانيكية. ^{[ 1 ]}

تم توضيح كمية الطاقة المتاحة في تيار السائل أدناه، وهي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بكل من سرعة السائل ومساحة مسح الشفرات. أما العنصر المهم الآخر فهو مقدار الطاقة التي يمكن استخلاصها من السائل المتدفق. بالنسبة للشفرات المسطحة، تحدد زاوية ميل شفرات طاحونة الهواء بالنسبة لتيار السائل مقدار الطاقة التي يمكن تحويلها إلى حركة دورانية، ومن ثم استغلالها بواسطة النظام لأداء عمل ذي قيمة. تم حساب الزاوية المثلى أدناه:

ضغط الرياح هو مقدار القوة التي تبذلها الرياح على وحدة مساحة الشفرات، ويُعطى بالمعادلة التالية: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• حيث c ثابت ويساوي 1.0 للألواح المسطحة الطويلة.

تعتمد قوة الرياح المؤثرة على شفرة طاحونة الهواء على ضغط الرياح مضروبًا في مساحة الشفرة المواجهة للتيار الهوائي. في حال ميلان الشفرة بزاوية معينة بالنسبة للتيار الهوائي، تقل مساحة الشفرة المعرضة للسائل بمعامل sin θ . ولذلك، يُضرب ضغط الرياح في A * sin θ لحساب قوة الرياح المؤثرة على الشفرات. إضافةً إلى ذلك، ترتبط قوة الرياح المتحولة إلى حركة دورانية بزاوية ميل الشفرة بالنسبة للتيار الهوائي، وتُعطى هذه العلاقة بمعامل cos θ .

علاوة على ذلك، ستواجه الشفرات معامل سحب مرتبط بزاوية دورانها حول محورها العمودي على تدفق السائل. ويُرمز إلى معامل السحب هذا بالرمز D * cos θ .

وبالتالي، فإن الحساب المجمع لتحديد توازن القوى على الشفرات هو:

F = ρ * الخامس ² * أ * الخطيئة θ * كوس θ * د * كوس θ

من العلاقات المهمة التي يجب ملاحظتها العلاقة بين القوة و θ . يشير توازن القوى الكلي إلى وجود علاقة بين القوة و sin θ * cos θ * cos θ .

ونتيجةً لذلك، فإن الميل الأمثل للشفرات يوفر زاوية لتدفق الهواء بحيث تكون قيمة sin θ * cos θ * cos θ في أقصى قيمة لها. وقد تم عرض هذه القيمة في الرسم البياني أدناه لتوضيح كيفية تغيرها مع تعديل θ .

تُضبط الزاوية بالراديان، ويبدو أنها تُشير إلى قيمة قصوى عند حوالي 0.62 راديان، أو ما يُقارب 35.5 درجة. وهذا يُترجم إلى تحويل أقصى لقوة الرياح إلى حركة دورانية بنسبة 38.5%. لذا، ينبغي إمالة الشفرات بزاوية 35.5 درجة تقريبًا من اتجاه تيار الهواء للحصول على الكمية المُثلى من الطاقة باستخدام طواحين الهواء ذات الشفرات المسطحة.

كان الهدف من تحليل ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) لهذه الزاوية من الشفرة هو دراسة توزيع الضغط وتدفق الهواء أثناء مروره بها. لسوء الحظ، انتهت صلاحية ترخيص برنامج Fluent المستخدم في تحليل ديناميكا الموائع الحسابية. تم إدراج نموذج مُجزأ لتصميم الشفرة، باستخدام برنامج Gambit، أدناه.

سيتم نشر تحليل CFD المكتمل بمجرد توفر إمكانية الوصول إلى برنامج Fluent أو برنامج مكافئ.

تستهدف هذه التقنية المناطق التي يعاني سكانها من محدودية الوصول إلى الأدوات والمستلزمات، مثل منطقة جنوب الصحراء الكبرى في أفريقيا. إضافةً إلى ذلك، يجب أن تتوفر في هذه المناطق موارد رياح مناسبة، فضلاً عن إمكانية الوصول إلى بعض المواد الأساسية. تشمل هذه المواد العديد من المواد المتطورة تقنياً، مثل المولدات والمحركات. مع ذلك، يمكن العثور على هذه المواد في ساحات الخردة طالما أنها صالحة للاستخدام وتفي بالمتطلبات الأساسية. في حين أن الكثيرين لا يستطيعون تحمل تكلفة هذه المواد، إلا أن هناك العديد من السيارات والأجهزة المنزلية المعطلة التي تُعد بديلاً مناسباً.

من الناحية الاجتماعية، يُعدّ الحصول على الكهرباء أداةً فعّالة تُسهم في انتشال المجتمعات من الفقر. في المقابل، أظهرت الدراسات مرارًا وتكرارًا أنها تُساعد في ترسيخ الفجوة الاقتصادية وتوسيعها. لذا، من الضروري التعامل مع الطاقة بمسؤولية وعدم استخدامها كوسيلة لزيادة فقر المحتاجين.

تُبيّن القائمة التالية المواد الأساسية اللازمة لصنع طاحونة هوائية، سواء في المنزل أو باستخدام مواد مُعاد تدويرها. وكما أظهر ويليام كامكوامبا ما هو ممكن وألهم الناس في جميع أنحاء العالم، فإن المواد التي استخدمها لبناء طاحونته الهوائية الأولى موضحة أدناه: ^{[ 2 ]}

إذا كان يتم بناء طاحونة الهواء وكان الهدف هو تخزين الكهرباء، فإن المواد التالية مطلوبة أيضًا: ^{[ 3 ]}

• بطاريات دورة عميقة 12 فولت (إذا كان المستخدم ينوي تخزين الطاقة الكهربائية)
• منظم الشحن لتنظيم مقدار شحن البطارية
• محول تيار مستمر/متردد
• مقوم الجسر (لضمان تدفق الكهرباء إلى البطاريات)

إذا لم تكن هناك قيود على الأدوات المتاحة، فسيكون من المفيد امتلاك منشار، ومفك براغي، وبراغي، ومطرقة، ومسامير، وحلقات معدنية، وصواميل، ومسامير، وميزان، وقلم تحديد. إضافةً إلى ذلك، ستكون أعمال الكهرباء أسهل باستخدام كماشة، وكذلك أجهزة قياس الجهد والتيار والمقاومة. مع ذلك، في المناطق الريفية من العالم، يضطر الناس إلى أن يكونوا أكثر إبداعًا في استخدام الموارد المتاحة. إليك مثالان على ذلك: ^{[ 4 ]}

• يمكن صنع الشفرات المسطحة عن طريق قطع أنبوب PVC طولياً باستخدام منشار أو أداة مماثلة، ثم تسخين الأنبوب على النار. وبمجرد أن يسخن، يمكن تشكيله على هيئة شفرة طويلة ومسطحة.
• يمكن صنع الحلقات المعدنية عن طريق طرق أغطية الزجاجات لتصبح مسطحة ثم ثقبها من المنتصف.

في هذه الظروف، تُصبح المسامير والصخور والنار والخشب أدواتٍ لبناء توربينات الرياح. يُمكن استخدام الفولاذ أو الصخور كمطارق، كما يُمكن كشط أسلاك الدراجات على الصخور لتكوين حافة مسطحة، وصهر الأكياس البلاستيكية لصنع مقبض حول أحد طرفيها. علاوة على ذلك، يُمكن صنع مثاقب من كوز الذرة كمقبض ومسمار بارز. يُسخّن المسمار على نار مكشوفة حتى يحمرّ، ثم يُستخدم لاختراق مواد معينة.

للاستفادة من إمكانات توليد الطاقة بواسطة توربينات الرياح، من المهم فهم كمية الرياح المتاحة في موقع معين. يوفر مقياس بوفورت مؤشرًا لسرعة الرياح بناءً على مؤشرات بصرية مختلفة. وبينما تُشير هذه المؤشرات إلى سرعة الرياح على سطح الأرض، فمن المرجح أن تكون كمية الطاقة في الرياح أكبر مع ازدياد الارتفاع. ويعود ذلك إلى طبقة الهواء الحدودي التي تتشكل على سطح الأرض، بالإضافة إلى العوائق المختلفة على الأرض التي تؤثر على تدفق الرياح. يُوضح مقياس بوفورت أدناه: ^{[ 5 ]}

للحصول على قائمة أكثر شمولاً بالعوامل الجسدية المميزة، يرجى اتباع هذا الرابط.

علاوة على ذلك، لنقل الكهرباء المولدة لاستخدامها في تطبيقات مثل تشغيل المصابيح أو أجهزة الراديو أو شحن البطاريات، من الضروري فهم النظرية الكهربائية، كالجهد والتيار الكهربائي اللازمين لتشغيل الجهاز المطلوب. يمكنكم الاطلاع على ملخص لهذه المعرفة هنا.

تمكن ويليام من بناء طاحونته الهوائية بناءً على المخطط الموضح أدناه. ^{[ 6 ]} ثم قام بتركيبها على برج كبير صنعه من الخشب. عموماً، تُعدّ الآلة بسيطة نسبياً من حيث المبدأ، وتتمثل أبرز القيود في المواد المتاحة ومحدودية الوصول إلى الأدوات. من خلال الاختبارات، وجد ويليام أن الطاحونة الهوائية ذات الأربع شفرات، باستخدام تصميمه، قادرة على توليد طاقة أكبر من نظيرتها ذات الثلاث شفرات. ^{[ 7 ]}

كشف ويليام أن تكلفة إنتاج طاحونة الهواء التي صنعها بلغت حوالي 15 دولارًا، وأن مولد الدراجة كان الأصعب في الحصول عليه. ^{[ 8 ]} وقد تم تجميع تقدير لتكاليف المكونات المختلفة بناءً على ما تمكن من إيجاده مجانًا في ساحة الخردة أو من العائلة.

في المناطق الريفية، تختلف تكلفة قطع الغيار اختلافًا كبيرًا بناءً على المواد التي يمكن استخلاصها أو التي يجب شراؤها محليًا أو من القرى المجاورة. لذا، من الأنسب تقديم نطاق من التكاليف المتوقعة بناءً على مدى سهولة الحصول على بعض المواد. ورغم أن هذا مجرد تقدير، إلا أنه يعطي فكرة عن المبلغ الذي يمكن توقعه مقابل قطع الغيار.

كما هو موضح، يتراوح نطاق التكاليف تقريبًا بين 0 و99 دولارًا، وهو يمثل نطاقًا عامًا لتكاليف المشروع بناءً على كمية المواد القابلة لإعادة التدوير. وبناءً على هذه التقديرات، يبدو أن ميزانية ويليام البالغة 15 دولارًا تقع في الحد الأدنى من هذا النطاق، حيث تمكن من الحصول على معظم مواده مما اعتبره الآخرون نفايات.

إلى جانب التكلفة الأولية، تُتيح الطاقة المُستمدة من الرياح فرصةً لتصبح تقنيةً مُدرّةً للدخل. فقد وفّرت الهواتف المحمولة فرص عملٍ لكثيرٍ من الناس الذين يؤجرونها لأفرادٍ يرغبون في الاتصال بالأسواق المجاورة لتحديد أسعار السلع المختلفة. وبالمثل، يُمكن بيع الطاقة لمن يرغبون في شحن هواتفهم المحمولة أو بطاريات أخرى تُستخدم في الإضاءة أو الاستماع إلى الراديو. 

توجد العديد من الاختلافات في تصميم طاحونة الهواء التي استخدمها ويليام كامكوامبا، والتي تم تطويرها في هذا القسم. مع ذلك، هناك بعض الاختلافات الشائعة الاستخدام والتي تؤثر سلبًا على الأداء. أحد هذه الأمثلة هو استخدام الخشب كمادة لصنع الشفرات. يُعد الخشب خيارًا غير مناسب لأنه مادة ثقيلة، وبالتالي يتطلب طاقة أكبر لبدء الدوران وزيادة سرعة الدوران. لذا، ينبغي النظر في استخدام مواد أخرى.

من المهم جدًا أن تكون شفرات التوربين متساوية الشكل، لأن عدم استقامتها قد يُسبب اهتزازًا. هذا الاهتزاز يُقلل من كفاءة التوربين ويُقصر عمره الافتراضي نتيجةً للاهتزازات الإضافية. كما يُنصح بوضع شفرات التوربين على ارتفاعٍ عالٍ فوق جميع العوائق الأخرى للحصول على تيار رياح أقوى وأكثر استقرارًا. ويُفضل وضع التوربين على ارتفاع يُعادل ضعف ارتفاع أي عائق قريب.

إذا توفرت لديك معدات إضافية مثل المناشير وورق الصنفرة، فقد يكون من الممكن استخدام التصميم الموضح في الفيديو أدناه. لاحظ أيضاً أن توربين الرياح قابل للدوران ويستخدم ذيلاً لتوجيه الشفرات باتجاه الرياح.