Chapter 09 - Alternative use of energy Summary (1) - Energy Management 1 AU - Spring 2024 - PDF

DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ Energy Management 1 AU 2nd term Spring 2024 Chapter 0920242024 - Alternative use of energy ‫دكتور أبو يحيي‬...

DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ Energy Management 1 AU 2nd term Spring 2024 Chapter 0920242024 - Alternative use of energy ‫دكتور أبو يحيي‬ ‫غير محلل البيع او التصوير او المشاركة‬ 1 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ Chapter 09 - Alternative use of energy ‫االستخدام البديل للطاقة‬ 9.1 Solar Thermal Systems ‫ أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية‬9.1 9.2 Photo Voltaic Systems ‫ أنظمة الصور الفولتية‬9.2 9.3 Wind Power ‫ طاقة الرياح‬9.3 ========================= 2 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ An alternative energy source is a non- ‫مصدر الطاقة البديلة هو مصدر طاقة غير مستنفد أو‬ depleting or renewable energy source..‫متجدد‬ Alternative energy sources, for example solar ‫ مثل الطاقة الشمسية‬، ‫كانت مصادر الطاقة البديلة‬ and wind, were, back in time, important ‫ مصادر تقليدية مهمة‬، ‫ في الماضي‬، ‫وطاقة الرياح‬ conventional sources of energy. Conversely, ‫ كان الغاز الطبيعي‬، ‫ على العكس من ذلك‬.‫للطاقة‬ natural gas, coal, and oil were, at some time ‫ مصادر‬، ‫ في وقت ما من التاريخ‬، ‫والفحم والنفط‬ in history, alternative energy sources..‫طاقة بديلة‬ Government funding for R&D as well as tax ‫انخفض التمويل الحكومي للبحث والتطوير وكذلك‬ incentives in the alternative energy area ‫الحوافز الضريبية في مجال الطاقة البديلة بشكل حاد‬ dropped sharply during the decade of the.‫خالل عقد الثمانينيات وأوائل التسعينيات‬ eighties and early nineties. ========================== 9.1 Solar Thermal Systems ‫أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية‬ Introduction ‫مقدمة‬ Solar Irradiance ‫اإلشعاع الشمسي‬ Solar Thermal Collectors ‫مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية‬ Thermal Storage Systems ‫أنظمة التخزين الحراري‬ 𝑻𝒔𝒖𝒓𝒇𝒂𝒄𝒆 = 𝟓𝟕𝟕𝟖 𝑲 𝟓𝟓𝟎𝟓℃ 𝑻𝒄𝒐𝒓𝒆 = 𝟏𝟓. 𝟔 × 𝟏𝟎𝟔 𝑲 𝐏𝐨𝐰𝐞𝐫 = 𝟑. 𝟖𝟓 × 𝟏𝟎𝟐𝟔 𝑾𝒂𝒕𝒕𝒔 𝐄𝐧𝐞𝐫𝐠𝐲 = 𝟑. 𝟑𝟕 × 𝟏𝟎𝟐𝟕 𝑲𝑾.𝒉𝒓 𝒚r Annual Energy Intercepted (on Earth): 𝟏. 𝟓 × 𝟏𝟎𝟏𝟖 KW.hr/year (0.000000045%)) 3 World Energy Demand: 𝟏. 𝟒 × 𝟏𝟎𝟏𝟒 KW.hr /year (0.0093%) - Total: 𝟒. 𝟐 × 𝟏𝟎−𝟏𝟐 % Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ====================================== Solar Irradiance (Distribution) )‫اإلشعاع الشمسي (توزيع‬ The MENA region receives the ‫تستقبل منطقة الشرق األوسط وشمال‬ highest solar irradiance all over the globe. ‫إفريقيا أعلى نسبة إشعاع شمسي في جميع أنحاء‬.‫العالم‬ ======================================== Solar Irradiance (Orientation) )‫اإلشعاع الشمسي (توجيه‬ To collect the maximum possible amount of ‫ يجب على‬، ‫لجمع أكبر قدر ممكن من الطاقة‬ energy, the designer should estimate the ‫المصمم تقدير زاوية اإلشعاع الشمسي لتظل‬ solar radiation angle to remain ‫متعامدة معها‬ perpendicular to it 4 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ========================= Solar Irradiance (Splitting) )‫اإلشعاع الشمسي (تقسيم‬ 5 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ================================ Solar Irradiance (Numerical Facts) )‫اإلشعاع الشمسي (حقائق عددية‬ Solar energy arrives at the earth’s ‫تصل الطاقة الشمسية إلى الغالف الجوي لألرض بمعدل‬ atmosphere at a rate of about 1353 W/m2 / ‫ وحدة حرارية بريطانية‬428( 2‫ م‬/ ‫ واط‬1353 ‫حوالي‬ (428 Btu/hr ft2). This value is referred to ‫ يشار إلى هذه القيمة باسم الثابت‬.)2‫ساعة قدم‬ as the solar constant..‫الشمسي‬ Part of this radiation is reflected back to ، ‫ينعكس جزء من هذا اإلشعاع مرة أخرى إلى الفضاء‬ space, part is absorbed by the atmosphere ، ‫ويمتص الغالف الجوي جز ًءا منه ويعاد انبعاثه‬ and re-emitted, and part is scattered by.‫ويتناثر جزء منه بواسطة جزيئات الغالف الجوي‬ atmospheric particles. As a result, only ‫ يصل فقط حوالي ثلثي طاقة الشمس إلى‬، ‫نتيجة لذلك‬ about two-thirds of the sun’s energy.‫سطح األرض‬ reaches the surface of the earth. For example: at 40° north latitude, the ، ‫ خط العرض الشمالي‬°40 ‫ عند‬:‫على سبيل المثال‬ noontime radiation rate on a flat surface ‫معدل اإلشعاع في وقت الظهيرة على سطح مستو عادي‬ normal to the sun’s rays is about 946 ‫ وحدة‬300( 2‫ م‬/ ‫ واط‬946 ‫ألشعة الشمس حول‬ W/m2 (300 Btu/hr ft2 ) on a clear day..‫ ) في يوم صاف‬2‫ ساعة قدم‬/ ‫حرارية بريطانية‬ A solar collector tracks the sun to be ‫يتتبع المجمع الشمسي الشمس ليكون دائ ًما طبيعيًا‬ always normal to the sun’s rays..‫ألشعة الشمس‬ Since no collector is perfect and might ‫ من‬٪70 ‫نظرا لعدم وجود مج ّمع مثالي وقد يجمع فقط‬ ً collect only 70% of the energy striking it, ‫ وبما أن النسبة المئوية ألشعة‬، ‫الطاقة التي تضربه‬ and since the percent sunshine might also ‫ فإن المنطقة‬، ٪70 ‫الشمس قد تكون أيضًا حوالي‬ be about 70%, a more realistic area would ‫) ليزود‬2‫ قد ًما‬567( 2‫ م‬53 ‫األكثر واقعية ستكون حول‬ be about 53 m2 (567 ft2) to provide 293.‫) من الطاقة في اليوم‬1e6 Btu( ‫ كيلوواط ساعة‬293 kWh (1e6 Btu) of energy per day. 6 ================================= Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ Solar Thermal Collectors ‫مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية‬ Non-concentrating collectors ‫المجمعات غير المركزة‬ Flat plate ‫لوحة مسطحة‬ Evacuated tube ‫أنبوب مفرغ‬ Volumetric air ‫الهواء الحجمي‬ Concentrating collectors ‫جامعي التركيز‬ Parabolic Trough ‫حوض ذو قطع مكافئ‬ CSP CSP Fresnel ‫فرينل‬ Solar Power Tower ‫برج الطاقة الشمسية‬ Solar Dish Sterling Engine ‫طبق الطاقة الشمسية المحرك االسترليني‬ 7 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ================================ 1. Flat plate collectors ‫ جامعي األلواح المسطحة‬.1 ************************ 1. Flat plate collectors ‫ جامعي األلواح المسطحة‬.1 Tracking-type collectors are usually used ‫عادةً ما يتم استخدام المجمعات من نوع التتبع في‬ where relatively high temperatures (above )‫ج‬°120 ‫درجات الحرارة المرتفعة نسبيًا (فوق‬ 120°C) are required..‫مطلوبة‬ The flat-plate collector is usually oriented ‫عادة ما يكون المج ّمع ذو اللوحة المسطحة متج ًها‬ South (if in the northern half of the globe). ‫نحو الجنوب (إذا كان في النصف الشمالي من الكرة‬ Its purpose is to harvest the solar radiation ‫ الغرض منه هو حصاد اإلشعاع الشمسي‬.)‫األرضية‬ that falls upon it to raise the temperature of a :‫الذي يسقط عليه لرفع درجة حرارة السائل (المبرد‬ fluid (coolant: can be air or water) )‫يمكن أن يكون الهواء أو الماء‬ above the ambient conditions The heated fluid is used to provide hot water.‫فوق الظروف المحيطة‬ or space heat, to drive an engine or a refrigerating device, or perhaps to remove ‫يستخدم السائل المسخن لتوفير الماء الساخن أو‬ moisture from a substance. ‫ أو‬، ‫ لتشغيل محرك أو جهاز تبريد‬، ‫حرارة الفضاء‬ 8.‫ربما إلزالة الرطوبة من مادة ما‬ Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ Glazing ‫تزجيج‬ Absorber plate ‫لوحة امتصاص‬ Flow tubes ‫أنابيب التدفق‬ Insulation ‫عازلة‬ Casing ‫غالف‬ Fluid in (cold) )‫سائل في (بارد‬ Fluid out (hot) )‫يخرج السائل (ساخن‬ 2. Evacuated tubes (vacuum tubes) )‫ األنابيب المفرغة (األنابيب المفرغة‬.2 Its concept is very similar to a flat plate ‫مفهومها مشابه جدًا للوحة المسطحة‬ the glass tube permits the solar radiation ‫يسمح األنبوب الزجاجي باإلشعاع الشمسي‬ Heat is trapped from escaping through ‫حجز الحرارة من الهروب من خالل الحمل الحراري بسبب‬ convection due to the vacuum ‫الفراغ‬ =================================== 9 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ============================ 3. Volumetric air collector ‫ مجمع الهواء الحجمي‬.3 Air collectors have distinct advantages ‫تتمتع مجمعات الهواء بمزايا مميزة على مجمعات‬ over liquid collectors: :‫السوائل‬ Freezing is not a concern..‫التجميد ليس مصدر قلق‬ Leaks, although undesirable, are not as ‫ إال‬، ‫على الرغم من أن التسريبات غير مرغوب فيها‬ detrimental as in liquid systems..‫أنها ليست ضارة كما هو الحال في األنظمة السائلة‬ Corrosion is less likely to occur ‫من غير المرجح أن يحدث التآكل‬ 10 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ========================= 4. Parabolic Trough ‫ حوض مكافئ‬.4 Temperature range 250-450oC ‫اسلزيوس‬450 -250 ‫نطاق درجة الحرارة‬ Concentrating collectors provide relatively high ‫جامعي التركيز توفر درجات حرارة عالية‬ temperatures for applications such as power.‫نسبيًا لتطبيقات مثل توليد الطاقة‬ generation. They generally cannot use the diffuse or scattered ‫ال يمكنهم عمو ًما استخدام اإلشعاع المنتشر‬ radiation from the sky and must track the sun’s ‫أو المتناثر من السماء ويجب عليهم تتبع‬ direct radiation..‫إشعاع الشمس المباشر‬ =============================== 11 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ================================== 5. Compound Parabolic Concentrator (CPC) )CPC( ‫ المركب المكافئ المركب‬.5 Used in residential and commercial heating ‫تستخدم في تطبيقات التدفئة السكنية والتجارية‬ applications 12 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ 6- Fresnel ‫فرينل‬ It is composed of multiple smaller flat mirrors ‫وهي تتألف من عدة مرايا مسطحة أصغر تركز‬ that concentrate the radiation similar to ، ‫اإلشعاع على غرار أحواض القطع المكافئ‬ parabolic troughs, however, simpler and ‫ولكنها أبسط‬ cheaper. ========================== 13 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ========================= 7- Solar Power Tower ‫برج الطاقة الشمسية‬ A set of two-axis tracking mirrors (heliostats) ‫تقوم مجموعة من مرايا التتبع ذات المحورين‬ track the sun reflecting light to the tower top. ‫(الهليوستات) بتتبع الشمس التي تعكس الضوء‬.‫إلى قمة البرج‬ It uses molten salt (Sodium Nitrate NaNO3) as a ‫يستخدم الملح المصهور (نترات الصوديوم‬ coolant for its huge thermal capacity..‫) كمبرد لقدرته الحرارية الهائلة‬3‫نانو‬ =========================== 8- Solar Dish Concentrator ‫ طبق الطاقة الشمسية المكثف‬.8 It uses a generator at the receiver to ‫يستخدم مولدًا في جهاز االستقبال لتوليد طاقة التيار‬ directly generate AC power..‫المتردد مباشرة‬ 14 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ========================= Thermal Storage Systems ‫أنظمة التخزين الحراري‬ Because energy demand is almost never tied to ‫نظرا ألن الطلب على الطاقة ال يرتبط أبدًا بتوافر‬ ً solar energy availability, a storage system is ‫ فعادة ما يكون نظام التخزين‬، ‫الطاقة الشمسية‬ usually a part of the solar heating or cooling.‫جز ًءا من نظام التدفئة أو التبريد الشمسي‬ system. With air-type collectors, however, a rock-bed ‫ يتم‬، ‫ مع المجمعات من النوع الهوائي‬، ‫ومع ذلك‬ type of storage is sometimes used..‫استخدام نوع التخزين الصخري أحيانًا‬ The most common solar thermal storage system ‫نظام التخزين الحراري الشمسي األكثر شيوعًا‬ is one that uses water, usually in tanks. ‫ عادةً في‬، ‫هو النظام الذي يستخدم الماء‬.‫الخزانات‬ Water also freezes, and therefore in most ، ‫ وبالتالي في معظم المناخات‬، ‫يتجمد الماء أيضًا‬ climates, the system must either (1) drain all of ‫) تصريف كل سائل‬1( ‫يجب على النظام إما‬ the collector fluid back into the storage tank, or ‫ أو‬، ‫المجمع مرة أخرى في خزان التخزين‬ Use antifreeze in the collectors and separate the ‫استخدام مانع التجمد في المجمعات وفصل سائل‬ collector fluid from the storage fluid by use of a ‫المجمع عن سائل التخزين باستخدام مبادل‬ heat exchanger..‫حراري‬ 15 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ====================================== Solar Cells (photovoltaics) )‫الخاليا الشمسية (الخاليا الكهروضوئية‬ How solar cells work? ‫كيف تعمل الخاليا الشمسية؟‬ What types of solar cells? ‫ما أنواع الخاليا الشمسية؟‬ How to determine the size of a PV system? ‫كيف تحدد حجم النظام الكهروضوئية؟‬ ========================== 16 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ Solar Cells (photovoltaics) )‫الخاليا الشمسية (الخاليا الكهروضوئية‬ How solar cells work? ‫كيف تعمل الخاليا الشمسية؟‬ Solar cells use the electronic properties of ‫تستخدم الخاليا الشمسية الخصائص اإللكترونية‬ semiconductor material to convert sunlight ‫لمادة أشباه الموصالت لتحويل ضوء الشمس‬ directly into electricity. Most solar cells are ‫ تتكون معظم الخاليا‬.‫مباشرة إلى كهرباء‬ composed of very large area of p-n junction ‫الشمسية من مساحة كبيرة جدًا من ثنائيات‬ diodes..pn ‫الوصلة‬ ================================= Solar Cells (photovoltaics) )‫الخاليا الشمسية (الخاليا الكهروضوئية‬ p-n junction has electronic asymmetry. The n-type ‫ المناطق‬.‫ص تقاطع طرق لديه عدم تناسق إلكتروني‬ regions have large electron densities but small hole ‫ لها كثافة إلكترون كبيرة ولكن كثافات‬n ‫من النوع‬ densities. Electrons flow readily through the ‫ تتدفق اإللكترونات بسهولة عبر المادة‬.‫ثقوب صغيرة‬ material but holes find it very difficult. p-type p ‫ المواد من النوع‬.‫ولكن الثقوب تجد ذلك صعبًا للغاية‬ material has the opposite characteristic..‫لها خاصية معاكسة‬ Excess electron-hole pairs are generated ‫يتم إنشاء أزواج الثقوب اإللكترونية الزائدة في جميع‬ throughout the p-type material when it is ‫ تتدفق‬.‫ عندما تكون مضاءة‬p ‫أنحاء المادة من النوع‬ illuminated. Electrons flow from the p-type region n ‫ إلى النوع‬p ‫اإللكترونات من المنطقة من النوع‬ 17 to the n-type and a flow of holes occurs in the.‫ويحدث تدفق من الثقوب في االتجاه المعاكس‬ Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ opposite direction. ================================= Example PV Power output: 𝑱𝒕𝒐𝒕 𝑷𝒎𝒑 = 𝑷𝑺𝑻𝑪 𝒙 𝒙 ⌈𝟏 − 𝜷 𝒙 (𝑻 − 𝟐𝟓)⌉ 𝒙 𝒏 𝟏𝟎𝟎𝟎 ******************* Example: Calculate the power output from a PV panel at 60oC with 840 W/m2 incident solar radiation if the same panel produces 150 W at STC (1000 W/m2 & 25oC). 𝛽 is measured at 0.003 W/K. 𝟖𝟒𝟎 𝑷𝒎𝒑 = 𝟏𝟓𝟎 𝒙 𝒙 ⌈𝟏 − 𝟎. 𝟎𝟎𝟑 𝒙 (𝟔𝟎 − 𝟐𝟓)⌉ 𝒙 𝟏 = 𝟏𝟏𝟐. 𝟖 𝑾 𝟏𝟎𝟎𝟎 ================= For the Same situation, calculate the power output if the temperature was 30oC, 𝛽 is again measured at 0.003 W/K. 𝟖𝟒𝟎 𝑷𝒎𝒑 = 𝟏𝟓𝟎 𝒙 𝒙 ⌈𝟏 − 𝟎. 𝟎𝟎𝟑 𝒙 (𝟑𝟎 − 𝟐𝟓)⌉ 𝒙 𝟏 = 𝟏𝟐𝟒. 𝟏 𝑾 𝟏𝟎𝟎𝟎 ================================= 18 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ Wind Energy ‫طاقة الرياح‬ Introduction ‫مقدمة‬ Wind Calculations ‫حسابات الرياح‬ Wind Turbine Types ‫أنواع توربينات الرياح‬ =============================== Introduction ‫مقدمة‬ Wind is a form of solar energy. Winds are ‫ تحدث‬.‫الرياح هي شكل من أشكال الطاقة الشمسية‬ caused by the uneven heating of the ‫الرياح بسبب التسخين غير المتكافئ للغالف الجوي‬ atmosphere by the sun, the irregularities of ‫ ودوران‬، ‫ وعدم انتظام سطح األرض‬، ‫بفعل الشمس‬ the earth's surface, and rotation of the.‫األرض‬ earth. This wind flow, or motion energy, when ‫ عند‬، ‫ أو طاقة الحركة‬، ‫يمكن استخدام تدفق الرياح‬ "harvested" by modern wind turbines, can ‫ لتوليد‬، ‫"حصادها" بواسطة توربينات الرياح الحديثة‬ be used to generate electricity ‫الكهرباء‬ 19 ================================== Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ Introduction ‫مقدمة‬ Wind speed: The amount of energy in the ‫ تختلف كمية الطاقة في الرياح‬:‫سرعة الرياح‬ wind varies with: :‫باختالف‬ Density of the air: Air density varies with ‫ تختلف كثافة الهواء باختالف االرتفاع‬:‫كثافة الهواء‬ elevation and temperature. Air is less dense ‫ يكون الهواء أقل كثافة في‬.‫ودرجة الحرارة‬ at higher elevations than at sea level, and ، ‫االرتفاعات األعلى منه عند مستوى سطح البحر‬ warm air is less dense than cold air..‫ويكون الهواء الدافئ أقل كثافة من الهواء البارد‬ Swept area of the turbine: The larger the ‫ كلما كبرت مساحة‬:‫منطقة التوربين المنجرفة‬ swept area (the size of the area through ، )‫التوربين (حجم المنطقة التي يدور خاللها الدوار‬ which the rotor spins), the more power the ‫زادت قوة التوربين التي يمكن أن تلتقطها من‬ turbine can capture from the wind. Since ‫ = طول‬r( 2 = ‫ منذ اجتاحت المنطقةأ‬.‫الرياح‬ swept area is A = 2 (r = rotor blade length), a ‫ تؤدي الزيادة الطفيفة في طول‬، )‫الشفرة الدوارة‬ small increase in blade length results in a.‫الريشة إلى زيادة أكبر في الطاقة المتاحة للتوربين‬ larger increase in the power available to the turbine. The cube of the wind speed..‫مكعب سرعة الرياح‬ 20 Page ================================== Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ================================== Wind Turbine Types ‫أنواع توربينات الرياح‬ Modern wind turbines fall into two basic ‫تنقسم توربينات الرياح الحديثة إلى مجموعتين‬ groups: :‫أساسيتين‬ 1. The horizontal-axis variety, like the ‫ مثل طواحين الهواء‬، ‫تنوع المحور األفقي‬.1 traditional farm windmills used for ، ‫التقليدية المستخدمة في ضخ المياه‬ pumping water, The vertical-axis design, like the ‫ مثل نموذج‬، ‫تصميم المحور الرأسي‬.2 eggbeater-style Darrieus model, named ‫ والذي‬، ‫ المصمم على شكل خافق البيض‬Darrieus after its French inventor. Most large ‫ معظم توربينات‬.‫سمي على اسم المخترع الفرنسي‬ modern wind turbines are horizontal-axis.‫الرياح الحديثة هي توربينات ذات محور أفقي‬ 21 turbines Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ ====================================== Wind Turbine Types Horizontal-axis ‫أنواع توربينات الرياح توربينات المحور األفقي‬ turbines Horizontal-axis turbines are similar to ‫توربينات المحور األفقي متشابهة لمحركات‬ propeller airplane engines. Horizontal-axis ‫ تحتوي توربينات المحور األفقي‬.‫الطائرات المروحية‬ turbines have blades like airplane propellers, ‫ وعادة ما يكون‬، ‫على شفرات مثل مراوح الطائرات‬ and they commonly have three blades. The ‫ أكبر توربينات المحور األفقي يصل‬.‫لها ثالث شفرات‬ largest horizontal-axis turbines are as tall as ‫ طابقًا ولها شفرات يزيد طولها عن‬20 ‫ارتفاعها إلى‬ 20-story buildings and have blades more than ‫ تولد التوربينات األطول ذات الشفرات‬.‫ قدم‬100 100 feet long. Taller turbines with longer ‫ جميع توربينات الرياح‬.‫األطول مزيدًا من الكهرباء‬ blades generate more electricity. Nearly all of ‫المستخدمة حاليًا تقريبًا هي توربينات ذات محور‬ the wind turbines currently in use are.‫أفقي‬ horizontal-axis turbines. 22 ******************* Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ Advantages ‫مزايا‬ Blades are to the side of the turbines ‫ مما‬، ‫توجد الشفرات بجانب مركز ثقل التوربينات‬ center of gravity, helping stability ‫يساعد على االستقرار‬ Ability to pitch the rotor blades in a storm ‫ القدرة على تحريك ريش الدوار في عاصفة‬ to minimize damage ‫لتقليل الضرر‬ Tall tower allows access to stronger wind ‫ يسمح البرج الطويل بالوصول إلى رياح أقوى في‬ in sites with wind shear ‫المواقع ذات قص الرياح‬ Most are self-starting ‫ معظمهم يبدأون من تلقاء أنفسهم‬ ****************************** Disadvantages ‫سلبيات‬ Difficulty operating in near ground winds ‫ صعوبة العمل في الرياح القريبة من األرض‬ Difficult to transport (20% of equipment ‫ من تكاليف المعدات‬٪20( ‫ صعب النقل‬ costs Difficult to install (require tall cranes and ‫ صعب التركيب (يتطلب رافعات طويلة ومشغلين‬ skilled operators ‫مهرة‬ Difficult maintenance ‫ صيانة صعبة‬ ================================ Wind Turbine Types Vertical-axis turbines ‫أنواع توربينات الرياح توربينات المحور الرأسي‬ Vertical-axis turbines look like egg beaters, ‫تبدو توربينات المحور الرأسي مثل مضارب‬ Vertical-axis turbines have blades that are ‫ وتحتوي توربينات المحور الرأسي على‬، ‫البيض‬ attached to the top and the bottom of a.‫شفرات متصلة بأعلى وأسفل عمود رأسي الدوار‬ vertical rotor. The most common type of ‫النوع األكثر شيوعًا من توربينات المحور الرأسي‬ vertical-axis turbine—the Darrieus wind ‫ الذي سمي على‬، Darrieus ‫ توربين الرياح‬- turbine, named after the French engineer ‫اسم المهندس الفرنسي جورج داريوس الذي‬ 23 Georges Darrieus who patented the design in - 1931 ‫حصل على براءة اختراع التصميم في عام‬ Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ 1931—looks like a giant, two-bladed egg ‫ يبلغ‬.‫يبدو وكأنه خافق بيض عمالق ذو شفرتين‬ beater. Some versions of the vertical-axis ‫ارتفاع بعض إصدارات التوربينات ذات المحور‬ turbine are 100 feet tall and 50 feet wide. ‫ عدد قليل جدًا‬.‫ قد ًما‬50 ‫ قدم وعرضها‬100 ‫الرأسي‬ Very few vertical-axis wind turbines are in ‫من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي قيد‬ use today because they do not perform as ‫االستخدام اليوم ألنها ال تؤدي أدا ًء جيدًا مثل‬ well as horizontal-axis turbines..‫توربينات المحور األفقي‬ ******************************* Advantages ‫مزايا‬ Easy to maintain ‫سهل الصيانة‬ Lower construction and transportation ‫انخفاض تكاليف البناء والنقل‬ costs Not directional ‫ال اتجاهي‬ ****************************** Disadvantages ‫سلبيات‬ Less efficient ‫ أقل كفاءة‬ Operate in lower, more turbulent ‫تعمل في الرياح المنخفضة األكثر اضطرابا‬ wind Low starting torque and may ‫عزم دوران منخفض لبدء التشغيل وقد يتطلب طاقة‬ require energy to start turning ‫لبدء الدوران‬ ================================= Wind Turbine Types Turbine Components ‫أنواع توربينات الرياح مكونات التوربينات‬ Horizontal turbine components include: :‫تشمل مكونات التوربينات األفقية ما يلي‬ blade or rotor, which converts the energy in the ‫ مما يحول الطاقة إلى الرياح إلى‬،‫شفرة أو الدوار‬ 24 wind to rotational shaft energy; ‫طاقة عمود الدوران ؛‬ Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)  DR. ESSAM ABO YEHIA 50225245 ‫دكتور عصام ابو يحيي‬ a drive train, usually including a gearbox and a ‫ بما في ذلك عادة علبة التروس‬،‫قطار قيادة‬ generator; ‫ومولد‬ a tower that supports the rotor and drive train; ‫برج الذي يدعم الدوار والقيادة قطار؛ و‬ and other equipment, including controls, electrical ‫ الكابالت‬، ‫ بما في ذلك الضوابط‬،‫معدات أخرى‬ cables, ground support equipment, and ‫الكهربائية ومعدات الدعم األرضي ومعدات الربط‬ interconnection equipment..‫البيني‬ ===================================================== 25 Page Top Acadmy 15 ‫ الدور‬4 ‫ ابراج العربيد برج‬102 ‫ شارع‬1 ‫ صباح السالم قطعة‬55482483-51675970 Subah Al-Salem – Block 1 – St (102) – Al-Arbeed Towers – Tower 4 – Floor (15)