الفيزياءعلوم

كيفية تحويل طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية .

كيف تعمل توربينات الرياح؟

من مزارع الرياح الضخمة التي تولد الطاقة إلى التوربينات الصغيرة التي تشغل منزلاً واحداً ، تولد توربينات الرياح حول العالم كهرباء نظيفة لمجموعة متنوعة من احتياجات الطاقة.

ما هو توربين الرياح؟

يعود مفهوم تسخير طاقة الرياح لتوليد الطاقة الميكانيكية إلى آلاف السنين. في وقت مبكر من 5000 قبل الميلاد ، استخدم المصريون طاقة الرياح لدفع القوارب على طول نهر النيل. اعتمد المستعمرون الأمريكيون على طواحين الهواء لطحن الحبوب وضخ المياه وقطع الأخشاب في المناشر.

تعد توربينات الرياح اليوم المكافئ الحديث لطاحونة الهواء – حيث تقوم بتحويل الطاقة الحركية في الرياح إلى كهرباء نظيفة ومتجددة.

كيف يعمل توربين الرياح؟

تتكون غالبية توربينات الرياح من ثلاث شفرات مثبتة على برج مصنوع من الأنبوب الصلب . توجد أصناف أقل شيوعاً ذات نصلتين أو أبراج شبكية خرسانية أو فولاذية. على ارتفاع 100 قدم أو أكثر فوق سطح الأرض ، يسمح البرج للتوربين بالاستفادة من سرعات الرياح الأسرع الموجودة على ارتفاعات أعلى.

تلتقط التوربينات طاقة الرياح بشفراتها التي تشبه المروحة ، والتي تعمل مثل جناح الطائرة. عندما تهب الرياح ، يتشكل جيب بهواء منخفض الضغط على جانب واحد من النصل. ثم يسحب الجيب الهوائي للضغط المنخفض الشفرة باتجاهه ، مما يتسبب في دوران الدوار. وهذا ما يسمى رفع.

قوة الرفع أقوى بكثير من قوة الرياح على الجانب الأمامي من النصل ، وهو ما يسمى السحب. يؤدي الجمع بين الرفع والسحب إلى دوران الدوار مثل المروحة. تعمل سلسلة من التروس على زيادة دوران الدوار من حوالي 18 دورة في الدقيقة إلى ما يقرب من 1800 دورة في الدقيقة – وهي السرعة التي تسمح لمولد التوربين بإنتاج الكهرباء المتناوبة.

حاوية مبسطة تسمى الكنة تحتوي على مكونات التوربينات الرئيسية – بما في ذلك التروس والدوار والمولد – توجد داخل مبيت يسمى الكنة. يجلس فوق برج التوربينات ، بعض الكرات كبيرة بما يكفي لتهبط عليها طائرة هليكوبتر.

عنصر رئيسي آخر هو جهاز التحكم في التوربين ، والذي يحافظ على سرعات الدوار من تجاوز 55 ميلاً في الساعة لتجنب الأضرار الناجمة عن الرياح العاتية. يقيس مقياس شدة الريح سرعة الرياح باستمرار وينقل البيانات إلى جهاز التحكم. تعمل الفرامل الموجودة أيضًا في الكنة على إيقاف الدوار ميكانيكياً أو كهربائياً أو هيدروليكياً في حالات الطوارئ.

أنواع التربينات الهوائية.

هناك نوعان أساسيان من توربينات الرياح:

( تلك ذات المحور الأفقي وتلك ذات المحور الرأسي ) .

تحتوي غالبية توربينات الرياح على محور أفقي: تصميم على غرار المروحة مع شفرات تدور حول محور أفقي. تكون توربينات المحور الأفقي إما في اتجاه عكس اتجاه الريح (تضرب الرياح الشفرات قبل البرج) أو في اتجاه الريح (تضرب الرياح البرج قبل الشفرات). تشتمل توربينات عكس اتجاه الريح أيضاً على محرك الانعراج والمحرك – وهي مكونات تقوم بتحويل الكنة لإبقاء الدوار في مواجهة الرياح عندما يتغير اتجاهه.

في حين أن هناك العديد من الشركات المصنعة لتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي ، إلا أنها لم تخترق سوق نطاق المرافق (سعة 100 كيلوواط وأكبر) بنفس درجة توربينات الوصول الأفقي.

تنقسم توربينات المحور الرأسي إلى تصميمين رئيسيين:

▪️ تحتوي التوربينات القائمة على السحب ، أو Savonius ، بشكل عام على دوارات ذات ريش صلبة تدور حول محور عمودي.

▪️ تتميز التوربينات القائمة على الرفع ، أو Darrieus ، بنمط جنيح عمودي طويل (يبدو أن بعضها له شكل خافق البيض). Windspire هو نوع من التوربينات القائمة على الرفع.

تطبيقات الرياح التوربينية.

تُستخدم توربينات الرياح في مجموعة متنوعة من التطبيقات – من تسخير موارد الرياح البحرية إلى توليد الكهرباء لمنزل واحد:

▪️ تتراوح توربينات الرياح الكبيرة ، التي تستخدمها المرافق في أغلب الأحيان لتوفير الطاقة للشبكة ، من 100 كيلووات إلى عدة ميغاوات. غالباً ما يتم تجميع هذه التوربينات على نطاق المرافق معاً في مزارع الرياح لإنتاج كميات كبيرة من الكهرباء. يمكن أن تتكون مزارع الرياح من بضع أو مئات من التوربينات ، مما يوفر طاقة كافية لعشرات الآلاف من المنازل.

▪️ عادة ما تكون توربينات الرياح الصغيرة ، التي تصل سعتها إلى 100 كيلووات ، قريبة من مكان استخدام الكهرباء المولدة، على سبيل المثال ، بالقرب من المنازل أو أطباق الاتصالات أو محطات ضخ المياه. ترتبط التوربينات الصغيرة أحيانًا بمولدات الديزل والبطاريات والأنظمة الكهروضوئية. تسمى هذه الأنظمة أنظمة الرياح الهجينة وتستخدم عادةً في المواقع البعيدة خارج الشبكة ، حيث لا يتوفر اتصال بشبكة المرافق.

▪️ تُستخدم توربينات الرياح البحرية في العديد من البلدان لتسخير طاقة الرياح القوية والمتسقة الموجودة قبالة السواحل.

المراجع :

How a Wind Turbine Works”, www.energy.gov

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى