اقرأ في هذا المقال
ما هي توربينات الرياح؟
هي تطور طواحين الهواء الكلاسيكية التي يمكن رؤيتها في مناطق ريفية أكثر من العالم، والغرض منها هو تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري لتوليد الطاقة وأيضًا لتوليد الطاقة بطريقة أقل إهدارًا، تعمل باستخدام الطاقة الحركية للرياح والتي تدفع ريش التوربين وتدور محركًا يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية لاستخدام المستهلك.
كما أنها عبارة عن آلات دوارة يمكن استخدامها مباشرة للطحن أو يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء من الطاقة الحركية للرياح، حيث أنها توفر لنا الطاقة النظيفة والمتجددة في كل من المنزل والمكتب وتوربينات الرياح هي طريقة رائعة لتوفير المال وجعل البيئة نظيفة وخضراء.
تم تكييف هذه العملية لاستخدامها في العديد من التطبيقات ويمكن رؤيتها قيد الاستخدام بواسطة القوارب أو إشارات المرور أو المجتمعات بأكملها التي تستخدم مزرعة الرياح لتوليد الطاقة، يعد تطوير توربينات الرياح خطوة رئيسية نحو إصلاح الطريقة التي ننتج بها طاقتنا.
يوجد في الأساس نوعان من مولدات الرياح تلك ذات المحور الرأسي وتلك ذات المحور الأفقي، حيث يمكن استخدامهم لتوليد الكهرباء في البر والبحر، يمكن دمج توربينات الرياح لتشكيل مجموعات تسمى “مزارع الرياح” والتي تستخدمها الشركات الكبيرة لاستخدام هذه الطاقة كنسخة احتياطية لها، بصرف النظر عن توليد الكهرباء يمكن استخدامها أيضًا في طحن الحبوب وضخ المياه وشحن البطاريات.
تاريخيا كانت توربينات الرياح تستخدم للإبحار والري وطحن الحبوب وفي أوائل القرن العشرين تم استخدامه لتوليد الطاقة، اليوم يمكن رؤية توربينات الرياح الكبيرة في المناطق الريفية أو بالقرب من ساحل البحر حيث تكون سرعة الرياح بشكل عام طوال اليوم، يوجد جهاز يسمى تقييم موارد الرياح والذي يستخدم لتقدير سرعة الرياح.
مكونات توربينات الرياح:
تتكون أنظمة توربينات الرياح من العديد من القطع المختلفة من المعدات التي تخدم جميعها غرضًا في توصيل الكهرباء إلى حيث من المفترض أن تذهب، من بين تلك القطع العديدة المختلفة تعمل القائمة أدناه كمخطط عام للمكونات الرئيسية التي يمكن العثور عليها وغالبًا في أنظمة توربينات الرياح بغض النظر عن نوع التصميم، وفيما يلي بعض مكونات توربينات الرياح:
- الدوار: حيث أنه مصنوع من شفرات متصلة بقطعة مركزية، حيث تتشكل الشفرات بحيث تدور عندما تدفعها الرياح.
- محرك الملعب: يستخدم لتدوير الشفرات لاستيعاب الرياح عالية السرعة.
- Nacelle: يتم توصيل الدوار بوحدة مبيت تسمى الكنة والتي تحمي مختلف المكونات الأخرى اللازمة لتشغيل توربينات الرياح.
- الفرامل: ضرورية لإبطاء الدوار.
- عمود السرعة المنخفضة: يتم توصيله بالدوار ويتحول عندما يتحول الدوار إلى نسبة 1:1.
- صندوق التروس: يؤدي نفس وظيفة السيارة، حيث يدور الدوار ببطء حيث تدفع الرياح ضده ويزيد صندوق التروس أو ناقل الحركة من سرعة الدوران للمولد.
- رمح عالي السرعة: تم توصيله بعلبة التروس والمولد ويدور بسرعة أعلى من الدوار أو العمود منخفض السرعة.
- المولد: الآلية الفعلية التي تحول الطاقة الحركية الدورانية إلى كهرباء.
- ريح الريح: يكتشف اتجاه الرياح ويضبط الدوار والكنسة للتعويض.
- محرك الانعراج: يحافظ على الدوار وبالتالي التوربينات في مواجهة الرياح.
- البرج: يرفع المكونات المذكورة أعلاه إلى ارتفاع يعمل على تحسين التعرض للرياح.
كيف تعمل توربينات الرياح؟
تعمل توربينات الرياح على نظام يتألف من العديد من المكونات الأساسية التي تسمح بتحويل طاقة الرياح الحركية إلى طاقة كهربائية، بغض النظر عن نوع نظام توربينات الرياح فإنها تعمل جميعًا وفقًا لنفس المبدأ الذي يسمح للمولد بإنتاج الكهرباء، هذا المبدأ هو أنه إذا تم تدوير المغناطيس حول ملف من الأسلاك أو إذا تم تدوير ملف من الأسلاك داخل مجال مغناطيسي بسرعة كافية يتم إنتاج الكهرباء.
يشكل المولد الغريب الكلي للمغناطيس والموصلات، حيث يؤدي استخدام الريح لتدوير الشفرات إلى توليد القوة اللازمة لتدوير المغناطيسات أو لفائف الموصل والتي بدورها تولد الكهرباء، فيما يلي عملية خطوة بخطوة تسلط الضوء على الطرق التي تأتي بها توربينات الرياح فعليًا لإنتاج الكهرباء:
- تم بناء البرج الذي يضع نظام توربينات الرياح على الارتفاع الصحيح، حيث تنتقل الرياح بمعدل أعلى وأكثر ثباتًا.
- تتعرض الشفرات الدوارة للرياح التي تجبرها على البدء في الدوران.
- بينما يدور الدوار يدور عمود السرعة المنخفضة الموصل بصندوق التروس بنفس المعدل.
- يأخذ صندوق التروس هذه السرعة الدورانية البطيئة ومن خلال التروس الصحيحة يحولها إلى سرعة دوران أسرع.
- يدور العمود عالي السرعة الموجود على الطرف الخارج من علبة التروس والمتصل بمولد بمعدل سرعة أعلى.
- يدور المولد على هذا المعدل العالي للسرعة والذي يدور المغناطيس حول ملف من الأسلاك المعدنية ويولد الكهرباء.
- تنتقل الكهرباء من المولد عبر الأسلاك إلى التطبيقات اللازمة سواء كانت أجهزة مباشرة أو بطارية.
ما هي أنواع توربينات الرياح؟
هناك نوعان رئيسيان من توربينات الرياح التي يمكن رؤيتها في التصميم والتنفيذ في صناعة طاقة الرياح اليوم، النوع الأول والأكثر شيوعًا هو توربينات الرياح ذات المحور الأفقي والتي تعتمد على عمود أفقي يعمل بشكل عمودي على الشفرات التي تدور عموديًا، يمكن رؤية أنظمة توربينات الرياح هذه قيد الاستخدام في مزارع الرياح الرئيسية وكذلك العمليات الفردية.
النوع الثاني الأقل شيوعًا بين صناعة طاقة الرياح هو توربينات الرياح ذات المحور الرأسي، كما قد يكون المرء قادرًا على الاستنتاج فإن توربين المحور الرأسي له عمود رأسي تتصل فيه الشفرات أو الدوار وتدور أفقيًا، هناك العديد من الاختلافات في توربينات الرياح ذات المحور الرأسي ولكن الميزة الرئيسية هي أن الصيانة أسهل؛ وذلك لأن صندوق التروس والمولد يسهل الوصول إليه، فيما يلي شرح لهذه الأنواع:
- توربينات الرياح ذات المحور الأفقي: هذا هو النوع القياسي من توربينات الرياح، حيث يكون العمود منخفض السرعة الذي يتصل بالدوار أفقيًا، وهناك طرق مختلفة لبناء توربينات الرياح هذه ولكنها تتبع نفس المفهوم الموضح أعلاه، يدور الجزء المتحرك مع الريح ويتم تحويل الطاقة الحركية الدورانية إلى طاقة كهربائية من خلال مولد.
- توربينات الرياح ذات المحور الرأسي: هذا النوع من توربينات الرياح أقل شيوعًا ولكن له ميزة في أن الدوار لا يحتاج إلى مواجهة الريح، يكون العمود المتصل بالدوار عموديًا ويكون صندوق التروس والمولد عمومًا في أسفل البرج، هناك العديد من أنواع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي والتي تتبع جميعها نفس مفهوم القوة على طول المحور X (الموازي للأرض) على عكس توربينات المحور الأفقي التي تستخدم القوة على طول المحور Y (عمودي على الأرض).
فيما يلي الاختلافات المختلفة التي تأتي من أنظمة توربينات الرياح ذات المحور الرأسي، حيث تم تصميم العديد من هذه العناصر منذ عقود ولم تعد مستخدمة اليوم ولكن تم تكييفها وتعديلها، بحيث يمكن تطوير نماذج أحدث تكون أكثر كفاءة مع مشاكل أقل من النماذج القديمة:
1. توربينات الرياح (داريوس): تستخدم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي شفرات منحنية تدور وتخلق قوة داخلية للرياح تمكن الدوار من الدوران بسرعات عالية بغض النظر عن سرعة الرياح، الجانب السلبي لهذا هو أن هذا التوربين يتطلب عمومًا محركًا خارجيًا لبدء الدوران.
2. جيروميل: هو نوع مختلف من توربين الرياح داريوس من حيث أنه يستخدم دوار على شكل حرف H، الفرق بين الاثنين هو أن جيروميل يستخدم شفرات مستقيمة تعمل بالتوازي مع العمود، بخلاف ذلك يعمل الاثنان على نفس المبدأ تمامًا.
3. Cycloturbine: هو نوع من الجيروميل ولا يحتوي على شفرات مستقيمة وتعمل عموديًا ولكن أيضًا يمكن للشفرة المستقيمة أن تدور حول محورها المركزي، الميزة في هذا النوع من التوربينات هي أنه يولد أكبر قدر من الطاقة ويمكنه بدء التشغيل الذاتي (البدء دون أي مساعدة خارجية).
