طاقة الرياح في المباني العالية (1)

حصد طاقة الرياح من المباني الطويلة

روي دينون، براد كوشران، ديفيد بانكس، و جريم وود

ملخص

أصبح إدخال طاقة الرياح في المباني الطويلة عملا شائعا كوسيلة لتقليل آثار الكربون وإعطاء بيان جماهيري جدا عن الإمكانيات الخضراء للمبنى. هناك، عموما، عدد من الاعتبارات التي يجب تقييمها عند تحديد الفوائد البيئية طويلة المدى لعملية الدمج. ستناقش هذه الورقة البحثية بعض الجوانب العملية لتقدير فوائد إدخال توربينات الرياح، طرق تقدير الكفاءة وتحسين التصميم، ومناقشة للمواضيع الهامة في إدخال توربينات الرياح في البيئة الحضرية.

مقدمة

يبدي مصممو المباني الطويلة اهتماما متزايدا بالأثر البيئي لإنشاء مبانيهم. أحد الأساليب المستخدمة – والتي تبحث كثيرا- هو إدخال توليد الطاقة –أجهزة الشمس والرياح- في تصميم المبنى. متطلبات تمثيل الأداء على مولدات الرياح في بيئة حضرية تختلف تماما عن اعتبارات المواقع المفتوحة التي كانت المجال التقليدي لمزارع الرياح. يتطلب هذا استخدام مختلف طرق التصميم لتقييم أكثر أنواع المولدات ملائمة، تطوير أشكال مباني تعزز كفاءتها، والتنبؤ بخرج الطاقة المنتظر.

ستفحص هذه الورقة البحثية اعتبارات إدخال توليد طاقة الرياح في المباني الطويلة ومساعدة المصممين في تقدير قيمتها لأي مشروع.

الأنواع الشائعة من توربينات الرياح

هناك ثلاثة أنواع أساسية من توربينات الرياح شائعة الاستخدام اليوم: المروحة أفقية المحور، والرأسية، وتوربينات داريوس وسافونيوس. هناك عدة متغيرات لكل تصميم أيضا، كعدد من ألأجهزة ألأخرى تحت التطوير – مثل الهولندية الأربعة وهي، إتش –روتور، جيروميل، وسافونيوس الملتو. عموما، هذه هي الأنواع الثلاثة الرئيسة المتاحة للتطبيقات التجارية العامة. نوع المروحة يستخدم أكثر في التطبيقات الكبيرة بينما التوربينات رأسية المحور يكثر تنفيذها في التركيبات المتوسطة والصغيرة.

المعادلة الأساسية لتوليد طاقة الرياح

المعادلة الأساسية التي تحكم خرج قدرة مولد رياح هي

P_t = 1/2 ρ.U³.λ.A

حيث :

P_t      القدرة التي تنتجها توربينة الرياح، بالوات

ρ      كثافة الهواء، كجم /م³

U      سرعة الرياح الداخلة إلى توربينة الرياح، م/ث

λ       كفاءة التوربينة

A      مساحة التوربينة المسقطة عموديا على الرياح الساقطة، م²

أول نقطة يجب ملاحظتها هي أن القدرة يعبر عنها كدالة في سرعة الرياح المكعبة. لذلك، فإن أقل زيادة في سرعة الرياح سوف ينتج عنها كسب كبير في خرج القدرة.

النقطة الثانية هي العلاقة البينية بين المساحة والكفاءة. المهم هنا هو تعريف المساحة المسقطة. للتوربينة أفقية المروحة تكون المساحة المسقطة مستقيمة تقريبا؛ إنها المساحة الممتدة لريش المروحة. للتوربينات رأسية المحور التعريف غير محدد جيدا. مثلا، مصنع توربينة داريوس قد يعرف الكفاءة في تسويق منتجه على أساس المساحة الفعلية للريش وليس المساحة الممتدة لكل التوربينة. بالمثل، فإن التوربينة ذات المجرى قد تستخدم مساحة الدوار وتتجاهل مساحة قناة المجرى. قد تؤدي هذه التعريفات إلى توربينات بكفاءة تتخطى 100%، لذلك يجب الحرص عند تقييم كفاءة كل توربينة قبل مقارنة أداء التوربينات المختلفة.

مناخ الرياح

عند اعتزام إدخال قدرة الرياح في تصميم مبنى طويل، فإن أول ما يجب دراسته هو مناخ الرياح المحلية بالمنطقة. لنتحدث بفظاظة، إذا لم تكن هناك ريح تبدأ بها، فإن المتوقع من استخدام ناجح للتوربينات سيكون محدودا جدا.

أكثر ما يجب تحديده عند تقييم قدرة الرياح المتوقعة هو متوسط سرعة الرياح. إنها متوسط سرعة الرياح خلال كل يوم خلال العام كله. بسبب العلاقة التكعيبية بين سرعة الرياح والقدرة، فإنه في حد ذاته ليس عاملا مفيدا ولا يكشف أي شيئ عن خصائص مناخ الرياح الأساسي. مثلا، تحدث رياح تجارية في عدة مواقع بالعالم، ما يعني أنه مع حدوث رياح كبيرة في بعض أوقات العام، فإن ظروفا أخرى أهدأ بكثير – بخرج قدرة محدود- ستحدث في أوقات أخرى كبيرة من العام. بالمثل، قد تحدث تأثيرات يومية كبيرة في عدة مواقع حيث تتباين سرعة الرياح بشدة خلال اليوم، كنتيجة لنسمات البحر بعد الظهر مثلا. المقياس الأفضل لتحديد القدرة المنتظرة هو كثافة قدرة الرياح المتوسطة السنوية لموقع ما. كثافة قدرة الرياح هي متوسط القدرة الموجودة بالرياح طوال العام، وهي لا تأخذ في اعتبارها سرعة الرياح الوسيطة لموقع ما، وإنما أيضا التوزيع التكراري لسرعات الرياح.

اتجاهية الرياح هامة أيضا. كما سنرى لاحقا، فإن ضم التوربينات إلى المباني الطويلة يميل لتفضيل اتجاهات الرياح المحدودة، ربما في قطاع زاوية 45°، بحسب شكل المبنى وموقع توربينات الرياح في المبنى.