طاقة الرياح – كيف تعمل طاقة الرياح ؟
طاقة الرياح، أو ما تسمى بالـ Wind energy والتي تعتبر من أهم المصادر الطبيعية المتوفره و المتجدده في حياتنا والفكرة هي ان يتم تحويل طاقة الرياح الى طاقة كهربائية يمكن الإستفادة منها بمشاريع كبيره، تُعد طاقة الرياح استثمارًا مستدامًا وقيمًا للمستقبل. يتطلب الاستفادة من الرياح بناء مزارع الرياح أو الـ Wind Farms، إما على اليابسة (OnShore) أو في أعالي البحار (Offshore)، تضم عشرات من توربينات الرياح. أصبحت هذه العملاقة جزءًا من المشهد في السنوات الأخيرة، ولكن هل نعرف كيف تعمل؟
كيف تتولد الرياح؟
لا يؤثر الإشعاع الشمسي على سطح الأرض بالتساوي: بعض المناطق أكثر دفئًا من غيرها، وفي هذه المناطق، يميل الهواء، الذي يزن أقل، إلى الارتفاع، مما يخلق مناطق ضغط منخفض، بينما في المناطق الأكثر برودة، ينزل الهواء ويزن أكثر، مما يخلق مناطق ضغط مرتفع. يؤدي الفرق في الضغط إلى تحرك الهواء ويخلق الرياح، وهو عنصر قوي جدًا يمكن استخدامه لتوليد الطاقة.
ما هي التوربينات؟
التوربينات بكل بساطة هي آلات ميكانيكية ذكية تحول الطاقة الحركية للسوائل أو الغازات (مثل الماء، البخار، الغاز أو الهواء) إلى طاقة دورانية بحيث تكون مربوطة مع الجزء الدوار أو الـ Rotor للمولد الكهربائي
كيف تعمل التوربينات؟
عندما يصطدم سائل أو غاز بشفرات التوربين (Turbine Shaft)، يدفعها بقوة مما يتسبب في دورانها. هذا الدوران يمكن استخدامه لتشغيل مولدات كهربائية أو ضخ المياه أو القيام بأي عمل ميكانيكي آخر.
ما هي طاقة الرياح؟
طاقة الرياح هي الطاقة المستمدة من قوة الرياح. كيف؟ من خلال توربينات الرياح التي تحول الطاقة الحركية للتيارات الهوائية إلى طاقة كهربائية. يتم استخلاص الطاقة بشكل أساسي باستخدام الدوار، الذي يحول الطاقة الحركية إلى طاقة ميكانيكية، والمولد، الذي يحول هذه الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. نتحدث عن طاقة متجددة، فعالة، ناضجة وآمنة، وهي مفتاح الانتقال الطاقي وإنهاء الاعتماد على الكربون في الاقتصاد.
كيف تعمل طاقة الرياح؟
توربينات الرياح
كما ذكرنا سابقًا، لاستخدام الطاقة الحركية للرياح وتحويلها إلى طاقة كهربائية، من الضروري استخدام توربينات الرياح. يعتمد الاستخدام الأمثل لهذه العملاقة (عادة ما يبلغ ارتفاعها بين 80 و 120 مترًا) على قوة الرياح. لهذا السبب، يجب إقامة مزارع الرياح، التي تجمع عددًا كبيرًا من توربينات الرياح وتجعل من الممكن الحصول على هذه الطاقة بكميات كبيرة، في الأماكن التي تسود فيها الظروف العاصفة.
يجب توجيه توربينات الرياح في اتجاه الرياح، ويتم ذلك بواسطة لوحة توجيه على الغلاف. من هناك، ستضع قوة التيارات الهوائية الأجزاء الرئيسية الثلاثة لتوربينات الرياح في الحركة:
- الدوار – Rotor: يتكون من ثلاث شفرات والمحور الذي يربطها معًا، ومهمته التقاط قوة الرياح وتحويلها إلى طاقة دوران ميكانيكية.
- **المضاعف – Multiplier **: متصل بالمحرك بواسطة عمود، ومهمته زيادة سرعة الدوران من 30 دورة في الدقيقة إلى 1500 دورة في الدقيقة.
- المولد – Generator: هذا العنصر مسؤول عن تحويل الطاقة الميكانيكية للدوران إلى طاقة كهربائية.
يتم ربط كل من توربينات الرياح التي تشكل مزرعة الرياح معًا بواسطة كابلات تحت الأرض تحمل الكهرباء إلى محطة تحويل. من هناك يتم نقلها إلى المنازل والمصانع والمدارس، من بين مستلمين آخرين، من خلال شبكات التوزيع لشركات الكهرباء المختلفة.
أنواع طاقة الرياح
هناك حاليًا نوعان من طاقة الرياح اعتمادًا على مكان إقامة توربينات الرياح:
طاقة الرياح البرية – Onshore wind energy
تُعد طاقة الرياح البرية مسؤولة عن إنتاج الكهرباء من خلال تسخير الرياح من مزارع الرياح الموجودة على اليابسة. للقيام بذلك، نقوم بتثبيت توربينات الرياح القادرة على تحويل الطاقة الحركية من الرياح إلى كهرباء مناسبة للاستخدام وإرسالها إلى شبكة التوزيع.
طاقة الرياح البحرية Offshore wind energy
طاقة الرياح البحرية هي الطاقة التي يتم الحصول عليها من خلال تسخير قوة الرياح التي تنتج في أعالي البحار، حيث تصل إلى سرعة أعلى وأكثر ثباتًا من اليابسة بسبب عدم وجود حواجز. للاستفادة القصوى من هذا المورد، يتم تثبيت هياكل ضخمة تجلس على قاع البحر ومجهزة بأحدث الابتكارات التقنية.
مزايا طاقة الرياح
تقدم طاقة الرياح العديد من الفوائد، سواء للشركات التي تستثمر فيها أو للمجتمع من خلال المساعدة في تقليل تأثير تغير المناخ:
- نظيفة: نظرًا لأنها لا تتطلب أي عملية احتراق، فهي طاقة ذات انبعاثات غازات دفيئة منخفضة، وهي المسؤولة الرئيسية عن الاحتباس الحراري.
- غير محدودة: الرياح مورد غير محدود، وبالتالي فإن استخدامها غير محدود طالما توجد تيارات هوائية كافية.
- رخيصة: تكلفة الكيلووات الواحد المنتجة وصيانتها منخفضة جدًا. في المناطق التي تهب فيها الرياح بقوة أكبر، تكون الفائدة أكبر.
- تأثير منخفض: يتم بناء مزارع الرياح بعد عملية تحليل وتخطيط صارمة. بالإضافة إلى ذلك، يتم البحث عن المناطق غير المأهولة لتجنب الآثار السلبية على السكان.
- تولد فرص عمل خضراء: وفقًا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA)، توظف طاقة الرياح بالفعل أكثر من 1.2 مليون شخص اليوم، ولن يتوقف عدد الوظائف الخضراء عن النمو.
كيف يتم تصميم توربينات الرياح؟
قد تختلف آلية التصميم, ولكن يمكن إستخدام برنامج Qblade للقيام بهذه العملية وفقا لمعادلات رياضية, أولا علينا إختيار المكان المناسب لعمل محاكاه وممكن إستخدام مواقع مثل Global Wind Atlas لرؤية كفاءة سرعة الرياح بالمنطقة, من ثم دراسة ما يسمى بالـ Aerodynamic وهي الطريقة التي تتحرك بها الأجسام عبر الهواء أو ممكن ان تسمى بإنسيابة الهواء عبر الأجسام لكي يتم إختيار نوع شفرة معين او ما تسمى بالـ Airfoil للتصميم كما هو موضع الان بالصور.
وبعد ذلك يتم إختيار ارتفاع نوع مناسب للإرتفاع العامود , ويتم اختيار مولد مناسب أيضا وأخيرا يتم عمل محاكاه للتصميم النهائي كما هو مبين بالصور
كيف يتم بناء مزرعة الرياح؟
تعد عملية بناء مزرعة الرياح معقدة للغاية حيث يوجد العديد من الخصائص التي يجب تحليلها لمعرفة مكان وزمان بنائها. من بين هذه الخصائص، فإن أهم الخصائص التي يجب تحليلها هي التباين المكاني والزماني والرأسي للرياح مع مرور الوقت. يتم دراسة مراوح الرياح وأجهزة قياس سرعة الرياح، ويتم تقدير الإنتاج المستقبلي لمزرعة الرياح لضمان كفاءتها المحتملة. تعمل تقنيات الحوسبة الفائقة المتطورة على تحسين تصميم مجمع مزرعة الرياح لزيادة توليد الطاقة إلى أقصى حد.
الأسئلة الشائعة
الخاتمة
طاقة الرياح تمثل مستقبل الطاقة النظيفة والمستدامة. فهي تساهم في الحد من التغير المناخي وتوفر مصدرًا مستدامًا للطاقة للأجيال القادمة. مع التطورات التكنولوجية المتسارعة، من المتوقع أن تلعب طاقة الرياح دورًا أكبر في مزيج الطاقة العالمي.
المراجع:
https://www.iberdrola.com/sustainability/renewables-energy-wind-power
