مبدأ عمل طاقة الرياح – Wind Power

إن طاقة الرياح وفيرة وتعد من الطاقات النظيفة المتجددة، وهي لا تؤدي إلى أي انبعاثات للغازات الدفيئة أثناء التشغيل. وبالتعريف، فإن طاقة الرياح هي الطاقة التي نحصل عليها من الطاقة الحركية للرياح باستخدام العنفات، ويهدف هذا المقال إلى توضيح مبدأ تحويل هذه الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.

سنبدأ بتعريفكم على مكونات عنفات الرياح ومن ثم على مبدأ عملها قبل أن ننتقل إلى توضيح الفرق ما بين أنواع هذه العنفات ومن ثم إلى توضيح أنواع محطات الرياح.

مكونات عنفات الرياح – Wind Turbines

إن عنفات الرياح (التوربينات) Wind Turbines عبارة عن أجهزة تقوم بتحويل طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية، وتتألف هذه العنفات من المكونات التالية:

مقطع عرضي في عنفة طاقة رياح يوضح أقسام العنفة
مكونات عنفة الرياح

شفرات العنفة – Blades

إن الغالبية العظمى، حوالي 90%، من عنفات الرياح مزودة بثلاث شفرات متساوية بالأبعاد والشكل و تتمتع بانسيابية هوائية عالية (آيروديناميكية عالية) بحيث تدور بتأثير سرعة الرياح.

إن مهمة شفرات العنفة هي تسخير الطاقة الحركية التي تحملها الرياح لتدوير محور الدوران للسرعة المنخفضة المتصل مع الشفرات عن طريق مركز الدوار.

تعطى الطاقة الحركية للرياح بالعلاقة:

الطاقة الحركية = 0.5 * كتلة الرياح * مربع سرعة الرياح.

  • الطاقة الحركية: واحدتها جول.
  • كتلة الرياح: واحدتها كغ.
  • سرعة الرياح: واحدتها متر بالثانية.

كما أن كمية الطاقة المستخرجة من الطاقة الحركية للرياح والتي تدور بتأثيرها العنفة تعطى بالعلاقة:

طاقة العنفة= 0.5 * كثافة الهواء * مساحة الدائرة التي ترسمها العنفة * مردود العنفة * مكعب سرعة الرياح

  • طاقة العنفة : الطاقة التي تم تحويلها من طاقة الرياح الحركية إلى طاقة حركية دورانية في العنفة.
  • كثافة الهواء: هي كتلة الهواء لكل واحدة حجم وتقل بالارتفاع عن سطح البحر وواحدتها كغ بالمتر المكعب (kg/m3).
  • مساحة الدائرة: π* مربع طول الشفرة. وهي المساحة التي ترسمها الشفرة بدورانها وواحدتها متر مربع.
  • مردود العنفة: هو قدرة العنفة على تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة حركية تدور بفعلها العنفة.

وضع العالم الألماني بيتز  Betz قوانينا تتعلق بعنفات الرياح و توصل إلى أنه لا يمكن للعنفة أن تحول أكثر من 59% من الطاقة الحركية الموجودة في الرياح إلى طاقة حركية دورانية وهذه النتيجة تعرف بحد بيتز Betz Limit.

وبالعودة إلى علاقة طاقة العنفة، نلاحظ أن كثافة الهواء وسرعة الرياح عاملان لا يمكن التحكم بهما حيث يتعلق هذان العاملان بمكان تواجد العنفة وارتفاعها.  أما مساحة الدائرة التي ترسمها العنفة تتعلق بطول الشفرة والذي يمكن التحكم به، وبالتالي فإن الزيادة في طول الشفرة تؤدي إلى زيادة الطاقة المتحولة وبالتالي إلى زيادة الطاقة الكهربائية الناتجة من العنفة الواحدة.

مركز دوران الشفرات (مركز الدوار) – Rotor Hub

يوجد في مقدمة العنفة ويرتبط مع محور دوران السرعة المنخفضة من جهة بينما ترتكز الشفرات على جوانبه، وتعد وظيفته الأساسية هي الدوران مع الشفرات وتدوير محور دوران السرعة المنخفضة، كما يؤمن الدعم والربط للشفرات.

محور دوران السرعة المنخفضة Low Speed Shaft

يرتبط مع الشفرات عن طريق مركز الدوار و يدور بسرعة الشفرات نفسها ومهمته نقل الحركة إلى علبة السرعة التي تدور بدورانه.

علبة السرعة Gear Box

تتألف علبة السرعة من مجموعة مسننات متراكبة مع بعضها البعض وتكون المسننات الكبيرة من جهة محور دوران السرعة المنخفضة بينما المسننات الصغيرة تكون من جهة محور دوران السرعة العالية بهدف نقل الحركة ورفع السرعة بحيث تكون مناسبة لسرعة دوران المولد الكهربائي.

محور دوران السرعة المرتفعة High Speed Shaft

يرتبط مع علبة السرعة من جهة ومع المولد الكهربائي من الجهة الأخرى عن طريق محور المولد ومهمته نقل الحركة من علبة السرعة إلى المولد الكهربائي.

المولد الكهربائي Electrical Generator

يرتبط محور المولد الكهربائي مع محور دوران السرعة العالية ويدور لتوليد الطاقة الكهربائية بتردد مساوي لتردد الشبكة الكهربائية. تخرج الأسلاك من المولد الكهربائي وتمر عبر برج العنفة لتصل إلى المحول الكهربائي الرافع للجهد الذي يقوم برفع قيمة الجهد الكهربائي لتكون مساوية لجهد النقل. كما يرتبط المحول الكهربائي مع مركز التحويل الذي يربط عددا من العنفات مع بعضها البعض ويؤمن بدوره الربط مع الشبكة الكهربائية و بالتالي نقل الطاقة المنتجة من العنفات إلى الشبكة.

برج عنفة الرياح Turbine Tower

يتم تصميم البرج ليتحمل وزن جسم العنفة كاملاً وتمر في داخله الأسلاك الخارجة من المولد إلى المحول كما يتم بناء السلالم داخل البرج حتى يتمكن عمال الصيانة من الوصول إلى أقسام العنفة عند الحاجة.

تضم قاعدة البرج غرفة التحكم بالعنفة لمراقبة أداء العنفة وإيقافها في أوقات الصيانة مثلاً كما قد يوجد المحول الكهربائي في قاعدة البرج أو خارجه.

أما في قمة البرج وفي نقطة الاتصال مع جسم العنفة يوجد محرك الانحراف Yaw Motor، و يتصل هذه المحرك مع حاسوب يقوم بتحليل الإشارات القادمة من الحساسات، ومن ثم يرسل الحاسوب بدوره إشارة إلى المحرك ليقوم بتدوير جسم العنفة ليصبح باتجاه الرياح.

حساسات ومكابح Sensors and Breaks

يوجد في نهاية جسم العنفة حساس لاتجاه الرياح وسرعتها ويكون بعيداً عن تأثير الرياح التي تصطدم بالشفرات.

يتصل هذا الحساس بحاسوب ينقل له باستمرار معلومات عن سرعة الرياح واتجاهها ليقوم هذا الحاسوب بتحليل هذه الإشارات وإرسال إشارة إلى محرك الانحراف ليصحح اتجاه العنفة.

أما المكابح فتوجد على محاور الدوران ومهمتها إيقاف دوران العنفة عند الحاجة للصيانة أو في حالات العواصف الشديدة لتأمين الحماية للعنفة.

مبدأ عمل عنفات الرياح الأفقية

يمكن تقسيم مبدأ عمل العنفة إلى المراحل التالية:

مشهد متحرك يوضح مبدأ عمل العنفة الريحية ودورانها بتأثير الرياح

مرحلة دوران الشفرات

تصطدم الرياح بشفرات العنفة وتمر على جانبيها وبسبب تصميم الشفرة ينتج اختلاف في ضغط الهواء على جانبي الشفرة الواحدة، وتدور الشفرات حول محور العنفة بنتيجة هذا الفرق بالضغط.

مرحلة نقل الحركة

تدور شفرات العنفة ويدور معها محور دوران السرعة المنخفضة بنفس السرعة ومن ثم تنتقل الحركة إلى علبة السرعة التي تساهم في رفع سرعة الدوران لتكون مناسبة لسرعة دوران المولد الكهربائي المتصل مع علبة السرعة بواسطة محور دوران السرعة العالية.

السبب الرئيسي لوجود علبة السرعة هو انخفاض سرعة دوران شفرات العنفة التي تتراوح بين 5 – 20 دورة بالدقيقة بالمقارنة مع سرعة المولد الكهربائي التي تتراوح بين 750 – 3600 دورة بالدقيقة.

مرحلة توليد الكهرباء

بدوران محور المولد الكهربائي بالسرعة المناسبة يتم توليد الطاقة الكهربائية بتردد مساوي لتردد الشبكة الكهربائية، وتتجه الأسلاك الخارجة من المولد إلى محطات الربط التي تضم محولات رافعة وخافضة للتوتر لتحقيق شروط الربط مع الشبكة الكهربائية.

أنواع عنفات الرياح

عنفات الرياح ذات المحور الأفقي Horizontal Axis Wind Turbine – HAWT

عنفات ريحية تعمل في مزرعة ريحية

هي أشهر أنواع العنفات وأقدمها وأكثرها انتشاراً في العالم، و سمي هذا النوع من العنفات بالعنفات الأفقية لأن جسم العنفة يحمل على برج ويكون محور دوران العنفة أفقياً.

 يتم تصميم شفرة العنفة بشكل يعرف بالمجنح (Airfoil design) أي أن مقطع الشفرة يشبه مقطع جناح الطائرة، و بالتالي عندما تصطدم الرياح بها تنشأ قوة رافعة نتيجة لفرق الضغط و تسبب دوران الشفرات.

مقطع يوضح تدفق الرياح على العنفة واختلاف الضغط على جانبيها واتجاه القوى

نرى في الصورة مقطعاً لشفرة عنفة رياح وكيف تنتشر الرياح على جانبيها وكيف يتوزع الضغط نتيجة لهذا الشكل.

نلاحظ مخطط تدرج الضغط أسفل الصورة حيث يشير اللون الأصفر والأرجواني وأحمر إلى قيم مرتفعة للضغط بينما اللون الأخضر والأزرق إلى الضغط الأقل منه وتوضح الصورة اتجاه الحركة الناتج عن قوة الرفع حيث يكون من الضغط المرتفع إلى الضغط المنخفض.

المحاسن

  • الأبراج العالية تضمن التعرض لرياح أقوى لأن قوة الرياح تزداد بالارتفاع، كما أن طول الأبراج يسمح بتنصيب العنفات على ارتفاعات مختلفة وفي الغابات حيث يمكن أن تكون فوق خط الأشجار.
  • تتوضع الشفرات على جانب مركز الجاذبية للعنفة مما يساعد في تحقيق الثبات، كما أن وجود حساس اتجاه وسرعة الرياح ومحرك الانحراف يضمن مواجهة العنفة لاتجاه الرياح. كما أنه يمكن التحكم بزاوية ميلان الشفرة نفسها بتأثير الرياح مما يقلل الأضرار خلال العواصف و تعرف هذه الخاصية باسم (Changing Blades Pitch Angle) وفي هذا الفيديو نشاهد محاكاة لهذا التغير راقب تغير ميلان الشفرة المواجهة للرياح.

المساوئ

  • نقل هذه العنفات صعب ومكلف حيث تبلغ تكاليف النقل حوالي 20% من التكاليف الإجمالية، وتركيبها صعب كونها تحتاج إلى رافعة ضخمة ويد عاملة خبيرة.
  • يصعب تشغيلها في المناطق التي تكثر فيها الرياح القريبة من الأرض.
  • صيانتها صعبة.
  • تؤثر على أمواج الرادار والمظهر الجمالي للمنطقة بشكل عام.
  • هنالك تقارير عن إنزعاج الساكينين من مقربة من عنفات الرياح من الصوت العالي، و لكن تتضارب الآراء بهذا الصدد.

عنفة الرياح ذات المحور العمودي Vertical Axis Wind Turbine – VAWT

عنفة ريحية عمودية المحور

في هذا النوع تكون الشفرات متلة مع محور الدوران ويكون كلاهما عمودي على الأرض كما موضح بالشكل وهناك نوعان من عنفات الرياح ذات المحور العمودي: عنفات تعمل بالرفع و عنفات تعمل بالجر.

العنفات العاملة بالرفع

تشبه في مبدأ عملها العنفات ذات المحور الأفقي ولكن الاختلاف هنا هو توضع الشفرات على جوانب محور الدوران. كما يكون تصميم الشفرات ومقطعها مشابها لتصميم الشفرات في العنفات ذات المحور الأفقي.

العنفات العاملة بالجر

إن قوة الرياح تصطدم بسطح الشفرة للعنفة فتسبب قوة ضغط على سطح الشفرة فتجرها مسببة دورانها. انتشرت تطبيقات وأفكار جديدة تعتمد على العنفات العاملة بالجر كشجرة العنفات التي نشاهدها في الفيديو هنا.

المحاسن

  • سهلة الصيانة.
  • منخفضة تكاليف النقل والتركيب.
  • لاتحتاج إلى التوجيه باتجاه الرياح حيث تدور بغض النظر عن الاتجاه الذي تأتي منه الرياح.
  • تكون فعالة في الهضاب الصغيرة والتلال.

المساوئ

  • أقل كفاءة بالمقارنة مع العنفات ذات المحور الأفقي.
  • عزم إقلاعها منخفض.
  • قد تحتاج القليل من الطاقة لتبدأ بالدوران.

عنفات الرياح الغير تقليدية – Unconventional wind turbines

هذه العنفات تختلف بأشكالها عن النماذج التقليدية التي تحدثنا عنها في الأعلى،و انتشر بعضها ودخل مرحلة التنفيذ والإنتاج.

نموذج عنفة ريحية بدون شفرات
نموذج عنفة ريحية بدون شفرات

عنفات الرياح بدون شفرات – Bladeless Turbine

تعتمد هذه العنفات على خاصة تعرف باسم (Vortex Shedding) وتعني أنه عندما  يتحرك الهواء بسرعة واتجاه معينين ويتعرض لعائق ما، يتشكل خلف العائق دوامات بفعل الإصطدام تبدأ خلف العائق وتتحرك مبتعدة عنه. يشكل الهواء نتيجة ذلك دوامات متناوبة ذات ضغط منخفض خلف العائق مما يسبب اهتزاز العائق باتجاه منطقة الضغط المنخفض.في الشكل المجاور نرى نموذجا لإحدى العنفات بدون شفرات حيث يصدم فيها الهواء كما ذكرنا وتبدأ بالاهتزاز بتردد معين على جانبي محورها ويوجد في قاعدتها مولد كهربائي من النوع الذي يعمل بالاهتزاز. يقوم هذا المولد بتحويل الطاقة الحركية الناتجة عن الاهتزاز إلى طاقة كهربائية.

عنفة ريحية بدون شفرات أثناء العمل
عنفة ريحية بدون شفرات أثناء العمل

أنواع محطات طاقة الرياح

رغم تعدد أنواع عنفات الرياح إلا أنه يمكن تقسيم محطات طاقة الرياح (مزارع الرياح) إلى نوعين:

مزارع الرياح على اليابسة – Onshore Wind Farms

مزرعة ريحية في حقل قمح
مزرعة ريحية في حقل قمح

تتألف مزارع الرياح على اليابسة من عدد من العنفات التي تشغل مساحة من الأرض ويتم ربطها مع بعضها البعض بمحطات ربط ومنها تُربط مع الشبكة الكهربائية.

تختلف المساحة التي تشغلها مزرعة الرياح الواحد حسب نوع العنفات المستخدم والاستطاعة المراد الحصول عليها، كما أن طبيعة الأرض لها تأثير أيضاً على مساحة المزرعة.

يعد مشروع محطة جانسو (Gansu Wind Farm Project) في الصين أكبر مزرعة رياح في العالم باستطاعة 6000 ميغا واط منذ عام 2012 ومن المتوقع أن تصل إلى 20000 ميغا واط في عام 2020.

مزارع الرياح في المياه – Offshore Wind Farms

مزرعة والني لطاقة الرياح في المياه
مزرعة والني

يتم تنصيب عنفات الرياح في هذا النوع من المزارع في المياه، و يمكن أن تكون مياه بحيرات و لكن غالباً ما يتم إنشاؤها في المحيطات.

تعتمد هذه المزارع على الرياح البحرية التي هي في الغالب أقوى من الرياح على اليابسة مما يزيد من حجم الإنتاج الكهربائي.

قد تكون العنفات مثبتة بشكل مباشر في الأرض أو من النوع العائم حيث يوجد مرساة تثبت في قاع المساحة المائية مما يضمن ثبات العنفة.

تعد مزرعة والني للرياح (Walney Wind Farm) قبالة سواحل كمبريا (Cumbria) في المملكة المتحدة أكبر مزرعة رياح مائية باستطاعة قدرها 659 ميغا واط.

تطور عنفات الرياح

تطور عنفات الرياح بالإرتفاع و الإنتاجية
تطور عنفات الرياح بالإرتفاع و الإنتاجية

بالنظر إلى الصورة في الأعلى نشاهد كيف تطورت عنفات الرياح منذ أوائل القرن العشرين حتى اليوم في الارتفاع والاستطاعة التي تنتجها العنفة الواحدة.

حيث كان ارتفاع العنفة لا يصل إلى 100 متر باستطاعة قدرها 500 كيلو واط في عام 1990 أما الآن فقد تجاوز ارتفاع العنفة بعض أشهر المعالم الأثرية في العالم كتمثال الحرية. كما أن هنالك عنفات رياح بارتفاع يصل إلى 190 متر وتنتج استطاعة قدرها 9 ميغا واط أي أكثر ب 180 مرة من العنفات الأولى وهذا التطور يعد مذهلاً خلال فترة عشرين عاماً فقط ويتوقع استمرار هذا التطور في جميع العنفات مع ظهور أفكار جديدة بعضها دخل مرحلة التجريب والأخر التصنيع يتوقع أن يصل مردود العنفة الواحدة إلى 15 ميغاواط في الأعوام القليلة القادمة.

هكذا وتستمر الدول في الاستثمار في مجال طاقة الرياح وتتوسع في إنشاء المحطات حيث وصل إجمالي الإنتاج من الطاقة الكهربائية بواسطة مزارع طاقة الرياح في العالم إلى 591549 MW وذلك في نهاية عام 2018 بزيادة قدرها 9.8% عن عام 2017.

نتمنى لكم يوما مشمسا!

Image Credits: How Stuff Works, Boston University, vortexbladeless, Bloomberg NEF

حنا ندروس

مهندس طاقة كهربائية محرر في القسم التعليمي وأخبار الطاقة المتجددة ومهتم بأبحاث الطاقة المتجددة بشكل عام والطاقة الشمسية بشكل خاص.

7 thoughts on “مبدأ عمل طاقة الرياح – Wind Power

اترك تعليقاً

You have to agree to the comment policy.

إنضم إلى قائمتنا البريدية

error: جميع الحقوق محفوظة لسولارابيك