تتولد الرياح نتيجة لإمتصاص أسطح الأرض و البحار و المحيطات لأشعة الشمس بنسب متفاوتة، فعند سقوط أشعة الشمس يتأثر الغلاف الجوي و يسخن الهواء مما يؤدي إلى انخفاض كثافته.

وتبعاً لذلك ينتقل الهواء من منطقة الضغط المرتفع إلى منطقة الضغط المنخفض في كوكبنا وتكون أشعة الشمس هي المسؤولة عن فرق الضغط هذا

مما يؤدي إلى نشوء الرياح، واليوم يتم استخدام طاقة الرياح في توليد الكهرباء، و ذلك عن طريق توربينات الريحي.

فما هي توربينات الرياح و ما هي أجزاؤها و كيف تعمل؟

توربينات الرياح تشبه مراوح الطائرات، حيث تدور حول موضع أو مركز ولكن دون الإنتقال إلى أي مكان آخر، أي تبقى في مكانها

تقوم هذه التوربينات بتحويل الطاقة الحركة الموجودة في الرياح إلى طاقة كهربائية عن طريق المولد الكهربائي.

مكونات توربينات الرياح

  • الشفرات Blades ( لها شكل منحني خاص يشبه أجنحة الطائرات).
  • الحاوية أو القمرة Nacelle (تضم أجزاء التوربين).
  • الدوار Rotor (الجزء الذي تثبت علبه الشفرات).
  • الفرامل Brakes.
  • محور السرعة المنخفضة.
  • محور السرعة العالية.
  • علبة السرعة Gear box (تحويل سرعة الدوران المنخفضة إلى سرعة عالية وتربط بين محور السرعة المنخفضة ومحور السرعة العالية).
  • المولد generator.
  • مقياس شدة الرياح Anemometers ( يوضع على الجزء الخلفي للحاوية أو القمرة، ويزود بمعلومات عن سرعة الرياح واتجاهها).
  • نظام التوجيه Yawing (يعمل هذا النظام لضمان الاستفادة من أقصى طاقة للرياح معتمداً على مقياس شدة الرياح، حيث يوجه التوربين باتجاه هبوب الرياح وإذا ما ارتفعت سرعة الرياح عن 25 متر/ثانية ، فإن هذا النظام يعطي أمراً للفرامل بمنع الشفرات من الدوران، مخافة أن تؤدي سرعة الرياح العالية إلى كسر الأجزاء الدوارة في التوربين).
  • البرج Tower (يُصنع من الحديد المعالج حرارياً ليتحمل مكونات الحاوية والتي يصل وزنها إلى قرابة 30طن، ويمر في البرج كابلات يتدفق عبرها التيار الكهربائي الذي يتم توليده من المولد الكهربائي، وتختلف ارتفاعات الأبراج حسب طراز التوربين).

ماهي الطاقة الناتجة عن توربينات الرياح ؟

تتأثر الطاقة الناتجة عن توربينات الرياح بعدة عوامل منها :

  • المساحة التي تدور بها شفرات التوربين (بمعنى أنهُ كلما ازداد طول الشفرات تزداد الطاقة المولدة).
  • مكعب سرعة الرياح (إذا تضاعفت سرعة الرياح هذا يعني تضاعف الطاقة المنتجة).
  • كثافة الهواء.
  • ارتفاع البرج ( كلما ازداد الارتفاع ازدادت سرعة الرياح).

يختلف تدفق الرياح من وقت لآخر، وهذا ينعكس على الطاقة المنتجة، لذا فإن ربط العديد من توربينات الرياح معاً في ما يعرف بمزارع الرياح

وربط هذه المزارع المتواجدة في مناطق مختلفة بالشبكة الوطنية ينتج عنه إمداد أكثر ثباتاً للطاقة بشكل عام.

كيف تُنتج توربينات الرياح الطاقة القصوى ؟

إذا سبق لك أن وقفت تحت توربينات كبير للرياح فسوف تعرف كم هي عملاقة ومركبة على أبراج عالية بشكل لا يصدق

فكلما ازادت طول شفرات التوربين ازادت الطاقة التي يمكن للتوربينات إنتاجها.

يبلغ قطرشفرات توربين الرياح عادةً 70متر وأكثر وتضاعف العجلة والمحور الخاصة بالتوربين قوة الرياح

لذلك فإن نسيم خفيف من الرياح يكون كافياً لتدوير التوربين.

ومع ذلك فإن توربينات الرياح النموذجية تبقى في وضع السكون بفترة 14% من الوقت ومعظم هذا الوقت لا تقوم بإنتاج الطاقة.

لا يشكل هذا عائقاً على إنتاج الطاقة من خلال التوربينات، إذ توجد ميزة مُعتمدة في تصميمها تسمح للتوربينات بالعمل بكفاءة عالية في الرياح المتغيرة باستمرار.

وعلى سبيل المثال لتوضيح الفكرة السابقة

لا تعمل السارة بالسرعة القصوى طوال الوقت، إذ أن محرك السيارة وعلبة السرعة تغذي العجلات بسرعة أو ببطء حسب حاجتنا

و ذلك تبعاً للازدحام ومتطلبات عدة، وتوربينات الرياح مماثلة للسيارات، فهي مصممة لتعمل بكفاءة عند مجموعة من المتطلبات المختلفة.

لماذا يتم وضع شفرات توربينات الرياح على ارتفاعات كبيرة ؟

إذا فرضنا أنك تقف على تلة مرتفعة وهي أعلى نقطة في المحيط المتواجد أنت فيه، ستلاحظ أن الرياح تنتقل بسرعة كبيرة

يكون سبب ارتفاع سرعة الرياح هو أن المنطقة المرتفعة خالية من المباني والأشجار والتلال وغيرها من العوائق التي تعيق حركة الهواء.

لذلك عندما يتم وضع شفرات توربينات الرياح على ارتفاعات كبيرة فإننا سوف نحصل على طاقة أكبر من الرياح نتيجة لسرعة الرياح العالية.

تدور شفرات التوربينات بفعل الطاقة الحركية للرياح وهذا تطبيقاً للقانون الأساسي في الفيزياء (قانون تحول الطاقة) والذي ينص على أنه لا يمكن خلق طاقة من من العدم.

ختاماً

تنخفض سرعة الرياح بشكل قليل خلال مرورها بالتوربين وهذا لا يسبب مشكلة لأن الرياح مستمرة في التدفق.

لكن االمشكلة تكمن عند إقامة المزارع الريحية، لذا يجب التأكد من أن كل التوربينات تبعد عن بعذها البعض بمسافة جيدة حتى لا تؤثر على تدفق الهواء.


مصدر المقال: اضغط هنا

  • إعداد : المهندسة أسماء حمود 
  • تحرير : المهندس خليل محمود
  • تصميم : المهندس غيث الحجلي