تعتبر طاقة الرياح من أهم الطاقات المتجددة في العالم. يتم استخدامه بشكل متزايد بسبب قدرته على توليد الطاقة النظيفة دون إنتاج غازات الدفيئة. لذلك، من الضروري معرفة كيفية تشغيلها، وخاصة تشغيل توربينات الرياح. هنا، سنغطي بعمق كيفية عملها وميزاتها الرئيسية.
تعتبر توربينات الرياح، والمعروفة أيضًا باسم توربينات الرياح، أحد العناصر الأساسية لهذا النوع من الطاقة. على الرغم من أن جميع التوربينات تشترك بشكل عام في جوانب متشابهة، إلا أن هناك أنواعًا مختلفة اعتمادًا على مزرعة الرياح أو التركيب. علاوة على ذلك، تطورت التوربينات منذ نماذجها الأولى، مما يسمح لنا بالحصول على الطاقة بطريقة فعالة بشكل متزايد.
سنخبرك في هذا المقال بكل ما تحتاج لمعرفته حول توربينات الرياح وخصائصها وكيفية عملها، بالإضافة إلى تفاصيل إضافية حول هيكل مزارع الرياح.
ما هي توربينات الرياح
توربينات الرياح هي جهاز ميكانيكي يحول طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية. وهو مصمم لتحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة ميكانيكية من خلال حركة الريش الدوارة، والتي يتم تحويلها فيما بعد إلى كهرباء بفضل مولد.
يعتمد المبدأ الأساسي لتشغيل توربينات الرياح على ثلاثة قوانين أساسية في الفيزياء:
- تتناسب الطاقة التي ينتجها التوربين مع مربع سرعة الرياح. أي أنه إذا تضاعفت سرعة الرياح فإن الطاقة المولدة تزيد أربع مرات.
- تتناسب الطاقة المتاحة مع المساحة التي تجتاحها الشفرات، مما يعني أنه كلما كانت الشفرات أكبر، زادت كمية الطاقة الملتقطة.
- الحد الأقصى للكفاءة النظرية لتوربينات الرياح هو 59%، والمعروف باسم حد بيتز.
على عكس طواحين الهواء القديمة، التي كانت تعمل بقوة دفع الرياح المباشرة، تستخدم التوربينات الحديثة مبادئ ديناميكية هوائية أكثر تعقيدًا، مثل تأثير فنتوري، لالتقاط أكبر قدر ممكن من الطاقة.
الداخلية لمولدات الرياح
داخل توربينات الرياح نجد العديد من العناصر الأساسية التي تسمح بتحويل الطاقة الحركية للرياح إلى كهرباء. الدوار، المكون من الشفرات، مسؤول عن التقاط طاقة الرياح وجعلها تدور حول محورها.
تنتقل هذه الحركة الدورانية إلى المولد الكهربائي من خلال نظام مجموعة نقل الحركة، والذي يتضمن علبة التروس التي تزيد من سرعة الدوران إلى مستويات مناسبة للمولد. ويعتمد المولد على قانون فاراداي الذي ينص على كيفية تحويل الطاقة الميكانيكية الدورانية إلى طاقة كهربائية.
وللقيام بذلك، يتضمن النظام دوارًا مقترنًا بمولد التيار المتردد، والذي يحول الحركة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. ويمكن استخدام الكهرباء المولدة مباشرة أو تخزينها في البطاريات لاستخدامها لاحقا.
عناصر توربينات الرياح
تتكون توربينات الرياح من عناصر مختلفة تعمل معًا لضمان التشغيل الأمثل للتوربين والتحويل الفعال لطاقة الرياح إلى كهرباء. هذه هي المكونات الرئيسية:
- الدوار: الدوار هو العنصر الذي يجمع الطاقة من الرياح. وهي مكونة من شفرات تدور حتى عند سرعات الرياح المنخفضة، وذلك بفضل تصميمها الديناميكي الهوائي.
- نظام اقتران: هي مجموعة الآليات التي تربط الشفرات بدوار المولد لنقل حركة الدوران.
- المضاعف أو علبة التروس: يعمل هذا النظام على رفع سرعة الدوران من حوالي 10-40 دورة في الدقيقة للدوار إلى 1.500 دورة في الدقيقة اللازمة في المولد لإنتاج الكهرباء.
- مولد كهرباء: يقوم المولد بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء. اعتمادًا على التوربين، يمكن أن تختلف قوته من 5 كيلووات إلى 10 ميجاوات في أحدث الموديلات.
- محرك التوجيه: إنها تسمح للكنة والدوار بالتدوير لمواجهة اتجاه الرياح السائد دائمًا.
- دعم الصاري: إنه الهيكل الذي يدعم المولد والدوار. كلما زاد حجم التوربين، زاد الارتفاع الذي تقع فيه الكنة.
- الشفرات وأجهزة قياس شدة الريح: تقوم أجهزة قياس شدة الريح بقياس سرعة الرياح، بينما تقوم أجهزة الاستشعار بكبح الشفرات عندما تتجاوز الرياح عتبات معينة، مما يمنع تلف التوربين.
أنواع توربينات الرياح
هناك نوعان رئيسيان من توربينات الرياح، يختلفان حسب اتجاه محور الدوار:
- توربينات المحور الأفقي: وهي التقليدية المستخدمة في مزارع الرياح، حيث يكون محور دورانها موازيا للأرض. هذا النوع هو الأكثر كفاءة من حيث الطاقة التي يلتقطها السطح المكتسح.
- توربينات المحور العمودي: تتمتع هذه التوربينات بميزة التقاط الرياح في أي اتجاه دون الحاجة إلى إعادة توجيه نفسها، على الرغم من أن كفاءتها عادة ما تكون أقل مقارنة بالتوربينات ذات المحور الأفقي.
بالإضافة إلى ذلك، هناك تصميمات جديدة ناشئة، مثل توربينات الرياح الخالية من الشفرات، والتي تستفيد من تذبذبات الرياح لتوليد الكهرباء، على الرغم من أنها لا تزال في مرحلة التطوير.
تشغيل مزرعة الرياح
تتكون مزرعة الرياح من عدة توربينات رياح تقع في مواقع استراتيجية لتحقيق أقصى استفادة من الرياح السائدة في المنطقة. تقوم مجموعة التوربينات بتوصيل الكهرباء المولدة من خلال شبكة داخلية تنقلها إلى محطة فرعية، حيث يتم تحويل الكهرباء إلى جهد مناسب للتوزيع.
لضمان التشغيل المستمر وكفاءة الحديقة، يتم استخدام أنظمة التحكم التي تراقب سرعة الرياح واتجاه الكرات وحالة التوربينات. وهذا يسمح بزيادة إنتاج الكهرباء إلى الحد الأقصى وتجنب الأضرار في حالة هبوب رياح قوية جدًا.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم بعض المرافق توربينات الرياح البحرية (في الخارج) والتي، على الرغم من أن تركيبها أكثر تكلفة، إلا أنها توفر إمكانية الاستفادة من الرياح الأكثر ثباتًا وقوة في البحر.
مزايا وعيوب طاقة الرياح
مثل مصادر الطاقة الأخرى، لطاقة الرياح مزايا وعيوب:
المزايا:
- إنه مصدر للطاقة قابل للتجديدلا ينضب ولا تنبعث منها غازات الدفيئة.
- انها تسمح تقليل التبعية من الوقود الأحفوري.
- يمكن تركيب مزارع الرياح في مواقع مختلفة، بما في ذلك المناطق البحرية والأراضي الزراعية دون التأثير على استخداماتها.
- Su البصمة الكربونية ضئيلة مقارنة بتقنيات الطاقة الأخرى.
العيوب:
- وتعتمد كفاءتها على توافر الرياح، مما يجعلها مصدر متقطع من الطاقة.
- يمكن أن يكون التأثير البصري والصوتي لمزارع الرياح عيبًا في بعض المناطق.
- يمكن أن تؤثر التوربينات الكبيرة على الحياة البرية، وخاصة الطيور، لذلك يجب أخذ هذه العوامل في الاعتبار عند اختيار المواقع.
- تكلفة التثبيت الأولية مرتفعة، على الرغم من أنها تغطي تكاليفها على المدى الطويل.
لا تزال طاقة الرياح واحدة من أفضل الخيارات لإنتاج طاقة أكثر استدامة وصديقة للبيئة. ومع التقدم التكنولوجي المستمر، لا تتحسن توربينات الرياح من حيث الكفاءة فحسب، بل أصبحت أيضًا أكثر سهولة في الوصول إليها وأقل تدخلاً من حيث الصوت والصورة، مما يجعلها خيارًا قابلاً للتطبيق لمستقبل الطاقة العالمية.