طاقة رياح

طاقة رياح

 

طاقة الرياح، هي طاقة مستخرجة من الرياح باستخدام توربينات الرياح لإنتاج الطاقة الكهربائية، وطواحين الهواء من أجل الطاقة الميكانيكية، ومضخات الرياح لضخ المياه، أو لدفع أشرعة السفن. تعد طاقة الرياح بديل للوقود الأحفوري، وهي طاقة وفيرة وقابلة للتجدد، وتوجد على نطاق واسع، بجانب أنها طاقة نظيفة لا ينتج انبعاثات غازات الاحتباس الحراري أثناء التشغيل وتستخدم مساحات قليلة من الأراضي.^[1] والآثار على البيئة عادة ما تكون أقل إشكالية من مصادر الطاقة الأخرى.

تتألف مزارع الرياح كبيرة من مئات من توربينات الرياح الفردية التي ترتبط بشبكة لنقل الطاقة الكهربائية. طاقة الرياح البرية مصدر غير مكلف وتنافسي؛ فهو أرخص من محطات الفحم أو الغاز أو الوقود الأحفوري.^[2][3][4] أما الرياح البحرية فهي الأكثر ثباتاً وأشد من الرياح البرية، ولكن مزارع الرياح البحرية لها تكاليف بناء وصيانة مرتفعة عن المزارع العادية. ويمكن أن مزارع الرياح البرية صغيرة أن توفر الكهرباء لمواقع معزولة خارج نطاق الشبكة الكهربية.^[5]

بحسب إحصاءات عام 2013، فإن الدنمارك هي أكثر دول العالم استخداماً لطاقة الرياح، فهي تولد أكثر من ثلث احتياجاتها من الكهرباء من الرياح.^[6][7][8] كذلك 83 بلداً في جميع أنحاء العالم تستخدم طاقة الرياح لتعزيز شبكات الكهرباء لديها.^[9] قدرة طاقة الرياح توسعت بسرعة إلى 336 غيغاوات في يونيو 2014، لذلك إنتاج طاقة الرياح سجل حوالي 4% من إجمالي استهلاك الكهرباء في جميع أنحاء العالم، وهذه النسبة في زيادة مستمرة.

أول طاحونة هوائية استخدمت لإنتاج الكهرباء بنيت في اسكتلندا في يوليو 1887 من قِبل البروفيسور جيمس بليث الأستاذ بكلية أندرسون في غلاسغو.^[11] فقد ثبّت التوربينات على ارتفاع 10 أمتار في حديقته منزل عطلاته في ماريكيرك، وكان يستخدم لشحن البطاريات التي طورها الفرنسي كاميل ألفونس فور، لتشغيل الإضاءة في الكوخ،^[11] مما يجعل من أول بيت في العالم أضيء بالكهرباء الموردة من طاقة الرياح.^[12] عرض بليث الكهرباء الفائض لسكان ماريكيرك لإضاءة الشارع الرئيسي، إلا أنهم رفضوا العرض لاعتقادهم أن الكهرباء من "عمل الشيطان".^[11] على الرغم من أنه بني في وقت لاحق توربينات للرياح لتوفير الطاقة في حالات الطوارئ في حالات اللجوء المحلي ولخدمة العيادات والمستوصف؛ إلا أن اختراعه لم يعمل بشكل كواسع خاصةً أنه مكلف اقتصادياً.^[11]

في كليفلاند بولاية أوهايو في الولايات المتحدة الأمريكية، صُممت آلة أكبر بكثير، فقد تم تصميمها هندسياً وبناؤها في شتاء 1887-1888 من قِبل تشارلز برش،^[13] وقد بني هذا عن طريق شركة هندسية في منزله وشغلها بين عاميّ 1886 و1900.^[14] كان قطر توربينات الرياح الدوارة 17 متر (56 قدم) وركبه على برج ارتفاعه 18 متر (60 قدم). وعلى الرغم أنها مقاييس كبيرة بالنسبة للمقاييس الحالية، ألا أنها أنتجت فقط 12 كيلوواط. تم استخدام دينامو مرتبط إما لتوجيه الطاقة للبطاريات أو لتشغيل ما يصل إلى 100 مصباح متوهج الضوء وثلاثة مصابيح قوس، ومختلف المحركات في المختبر الخاص بتشارلز برش.^[15]

مع تطور الطاقة الكهربائية، وجدت طاقة الرياح تطبيقات جديدة في إضاءة المباني البعيدة عن محطات الطاقة المركزية. طوال القرن العشرين وضعت محطات الرياح الصغيرة مسارات متوازية مناسبة للمزارع أو المساكن، ومولدات الرياح التي أصبحت ذات فائدة أكبر يمكن أن ترتبط بشبكات الكهرباء للاستخدامها عن بُعد. مولدات الرياح اليوم تعمل على عدة أشكال، ما بين صغيرة الحجم في محطات صغيرة لشحن بطاريات في مساكن معزولة، أول محطات تنتج بالجيجاواط كمزارع الرياح البحرية التي توفر الكهرباء لشبكات الكهرباء المحلية.

مزارع الرياح

مزرعة الرياح هي مجموعة من توربينات الرياح في مكان واحد تستخدم في إنتاج الكهرباء. قد تتكون مزرعة الرياح الكبيرة من عدة مئات من توربينات الرياح الفردية الموزعة على مساحة ممتدة، ولكن الأرض بين التوربينات قد تستخدم لأغراض زراعية أو غيرها. ^[27] تقريباً كل توربينات الرياح الكبيرة لها نفس التصميم، فتوربينات الرياح بها المحور الأفقي الدوار بثلاث شفرات موجه عكس اتجاه الريح، تعلق على هيكل محرك على قمة برج أنبوبي طويل.

طاقة الرياح البحرية

يشير مصطلح طاقة الرياح البحرية إلى بناء مزارع الرياح في وسط مسطحات مائية كبيرة لتوليد الكهرباء. ويمكن لهذه المنشآت الاستفادة من الرياح الأكثر تواتراً والرياح القوية التي تتوفر في هذه المواقع. رغم فوائدها إلا أنها تتكلف تكاليف عالية في البناء والصيانة.^[28][29]

شركتيّ سيمنز وفيستاس هما أكبر موردي توربينات الرياح البحرية. كذلك دونغ إنرجي وفاتينفول وإي أون من الرواد في هذا المجال.^[30] اعتباراً من أكتوبر 2010، كان هناك حوالي 3.16 غيغاواط منتجة إجمالياً من طاقة الرياح البحرية، خاصةً في شمال أوروبا. وفي نهاية 2014 تم تشغيل أكثر من 16 غيغاواط كقدرة إضافية بما جعل المملكة المتحدة وألمانيا من الأسواق الرائدة. ومن المتوقع إزدياد الاعتماد على طاقة الرياح البحرية لتصل إلى ما مجموعه 75 غيغاواط في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2020، بمساهمات كبيرة متوقعة من الصين والولايات المتحدة.^[30]

في نهاية عام 2012، تم تركيب 1,662 توربين في 55 مزرعة رياح بحرية في 10 دول أوروبية تولد مجتمعة 18 تيراواط/ساعة، أي أعطت طاقة إلى ما يقرب من خمسة ملايين أسرة.^[31] اعتباراً من شهر أغسطس عام 2013، فإن مزرعة مصفوفة لندن في المملكة المتحدة هي أكبر مزرعة رياح بحرية في العالم بقدرة 630 ميغاواط. يتبعها مزرعة رياح غابارد الكبرى بالمملكة المتحدة أيضاً بقدرة 504 ميغاواط. كذلك يتم إنشاء مزرعة رياح البحر في ويلز بالمملكة المتحدة بقدرة 576 ميغاواط؛ وهي حالياً في المراحل النهائية للإنشاء المتوقع إنهائها نعاية عام 2015.^[32]

تصميم العنفات الريحية

العنفات الريحية هي أجهزة تحول الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية، جاءت فكرتها نتيجة لتطور هندسة الطواحين الهوائية لأكثر من ألف عام. يتم تصنيع توربينات الرياح اليوم على نطاق واسع من انماط المحور الأفقي والمحور الرأسي. وتستخدم أصغر التوربينات الصغيرة في أعمال بسيطة مثل شحن البطاريات المساعدة لمصادر الطاقة الأساسية. والتوربينات الأكبر قليلاً يمكن استخدامها لتقدم إمدادات للطاقة المنزلية بجانب بيع الطاقة الغير مستخدمة إلى الشركات الموردة للطاقة الكهربائية. أما مصفوفات التوربينات الكبيرة والمعروفة باسم مزارع الرياح فهي مصدر مهم للطاقة المتجددة وتستخدم في العديد من البلدان كجزء من استراتيجية خاصة تعتمد على الحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري.

يعتمد تصميم العنفات الريحية على تحديد شكل وموصفات العنفة الريحية لاستخلاص أكبر قدر من الطاقة الحركية للرياح.[39] تتألف العنفة الريحية من الأنظمة الضرورية لالتقاط الرياح وتوجيه العنفة الرياح في اتجاه هبوب الرياح إاضافة لعمليات تحويل الطاقة الحركية للأجزاء الميكانيكية الدوارة إلى طاقة كهربائية، إضافة إلى أنظمة أخرى مثل عمليات الإقلاع والتوقف وعمليات التحكم بالعنفة

عرض الفيزيائي الألماني ألبرت بيتز في عام 1919 فرضية عن استخلاص الطاقة الريحية باستخدام آلة. ووفق هذه النظرية وبالاعتماد على القوانية الأسساسية في مصونية الطاقة والكتلة فإنه لا يمكن أستخلاص أكثر من 59.3% من الطاقة الحركية للرياح وقد دعي هذا الحد بحد بيتز. يمكن للتصميمات الحديثة أن تقترب من حد بيتز لتصل إلى ما يقارب بين 70-80% من حد بيتز.[40][41]

الديناميكا الهوائية للعنفات الريحية الأفقية ليست خطية. بمعنى أن تدفق الهواء على شفرات العنفة ليست هو نفسه التدفق بعد العنفة بمسافة كبيرة. تسبب طبيعة الطريقة التي يتم فيها استخلاص الطاقة الريحية من الهواء بتشوه تدفق الهواء نتيجة مروره على العنفة.[42] بالإضافة إلى أن ظاهرة الديناميكا الهوائية للعنفة الهوائية ونتيجة لدورانه فهي ظاهرة نادراً ما ترى في حقول ديناميكا الهواء الأخرى. يتحدد شكل وأبعاد شفرات العنفة الهوائية بدراسة الديناميكا الهوائية عليها من أجل زيادة كفاءة استخلاص الطاقة من الرياح بالإضافة لحساب قوة مادة الشفرة لمقاومة الاجهادات نتيجة القوى المطبقة على الشفرات.[43]

شارك هذه الصفحة وتابعنا على صفحاتنا الرسمية

شارك الموضوع →

تويت

تابعنا →

إنشر الموضوع →