طاقة الرياح و كيفية الاستفادة منها في توليد الكهرباء 1
طاقة الرياح و كيفية الاستفادة منها في توليد الكهرباء
بحث عن طاقة الرياح، تصنف طاقة الرياح أحد أنواع مصادر الطاقة المتجددة لاعتمادها على مصدر الرياح بدلاً من استخدام مصادر الوقود الأحفوري والنفط والغاز الطبيعي، فهذه المصادر تعد مصادر ضارة على البيئة لما ينتج عنها من غازات سامة عند احتراقها، بالإضافة إلى توافرها فقط في مناطق محدودة في العالم.
حيث جاءت أهمية استخدام طاقة الرياح في الدول الأوروبية وأمريكا للتقليل من الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية والحد من التلوث البيئي والتكاليف.
ما هي الطاقة
تعني الطاقة (الإنجليزية: energy) في علم الفيزياء بالقدرة على القيام بعمل ما وذلك بتحويل الطاقة من شكل لآخر لإنتاج أشكال مختلفة من الطاقة مثل: تحويل الطاقة إلى طاقة كهربائية أو حرارية أو إشعاعية أو نووية أو كيميائية، والتي تعتمد عملها على الطاقة الحركية أو الطاقة الكامنة.
تعريف طاقة الرياح
تعرف طاقة الرياح (بالإنجليزية) بأنها مصدر من مصادر الطاقة المتحولة والتي تنتج من استغلالها على حركة الرياح وتحولها إلى شكل آخر من أشكال الطاقة مثل طاقة الكهرباء، حيث تعتمد عملها على الحركة الناتجة من الرياح في توليد الطاقة الكهربائية عن طريق تحريك التوربينات الهوائية طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية والتي بدورها تتحول إلى طاقة كهربائية، وتعتبر طاقة الرياح من أحد مصادر الطاقة المتجددة والتي تستخدم كمصدر بديل عن مصادر الطاقة التقليدية.
استخدامات طاقة الرياح
استخدمت طاقة الرياح منذ القدم على مستوى الحضارات المختلفة، حيث قام المصريون القدماء هذه الطاقة لتسيير قواربهم على نهر النيل في مصر، كما قام المسلمون باستخدامها في طحن الحبوب المختلفة، بينما قام الصينيون في استغلالها لضخ المياه الجوفية بشكل خاص.
أما الدول العربية فلا توجد دراسات تطويرية حول زيادة الاعتماد على هذه الطاقة لتوليد الكهرباء، كما أن ضعف التعاون والتنسيق بين الدول أدى إلى ضعف الاعتماد على هذه الطاقة وغيرها من مصادر الطاقة المتجددة والغير ملوثة للبيئة.
فكرة عمل طاقة الرياح لتوليد الكهرباء
تعتمد فكرة عملها على الطاقة الحركية للرياح من خلال إدارة الريش المثبتة على التوربينة المثبتة على صرة ترتكز على عمود الدوران الرئيسي المتصل بصندوق سرعات لرفع سرعة الدوران، حيث تنتقل الحركة إلى عمود الدوران السريع فيقطع بدورانه مجال مغناطيس داخل المولد، ما يتنج عنه توليد الكهرباء، وبالتالي يمكننا خلالها توفير الكهرباء في كافة الأماكن العامة والخاصة.
مزايا طاقة الرياح
- تكلفتها المنخفضة مقارنة مع غيرها من مصادر الطاقة التقليدية.
- تساهم في توفير فرص العمل ورفع الاقتصاد والتقليل من استهلاك البترول.
- لا تحتاج لمعدات من أجل الحفر مثل مصادر الوقود الأحفوري.
- طاقة مستدامة وغير قابلة للنفاذ.
- لا تحتاج لأي نوع من مصادر الوقود الخام أثناء عملها مثل المحطات الحرارية.
- تعد طاقة الرياح من المصادر النظيفة والغير ملوثة.
- تساهم على خفض انبعاث ثاني أكسيد الكربون.
- إمكانية استخدامها في العديد من التطبيقات المختلفة.
سلبيات طاقة الرياح
- تحتاج إلى مساحات واسعة جداً.
- تحتاج إلى مكان ذات سرعة رياح عالية ومعتدلة نسبياً.
- تسبب الضوضاء على مدار اليوم.
- لا تتوفر الرياح بشكل دائم لتحريك الطواحين بل موسمية.
كيف تعمل توربينات الرياح؟
كيف تعمل توربينات الرياح؟ تعد طاقة الرياح من إحدى طرق توليد الكهرباء، وتصنف من مصادر الطاقة المتجددة الصديقة للبيئة.
سنتطرق في هذا المقال إلى آلية عمل توربينات الرياح، وما المكان الأفضل لوضع الحقل؟
كيف تعمل توربينات الرياح؟
تحتوي توربين الرياح على ريش دوارة تحمل على عمود ومولد يعمل على تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية.
عند مرور الرياح على الريش تخلق دفعة هواء ديناميكية تتسبب في دوران الشفرات، بالتالي يشغل المولد ما ينتج طاقة كهربائية، وقد جهزت تلك التوربينات بجهاز تحكم في دوران الريش لتنظيم معدلات دورانها ووقف حركتها إذا لزم الأمر.
وتعتمد كمية الطاقة المنتجة من تروبين الرياح على سرعة الرياح، وقطر الشفرات، ولهذا توضع التوربينات التي تستخدم في تشغيل المصانع أو وحدات الإنارة فوق الأبراج؛ لأن سرعة الرياح تزداد مع الارتفاع عن سطح الأرض، ويتم وضع تلك التوربينات بأعداد كبيرة على مساحات واسعة من الأرض لإنتاج أكبر قدر ممكن من الكهرباء.
إليك مثال عن أحد الحقول حول العالم، تنتج الولايات المتحدة وحدها سنوياً حوالي 3 بليون كيلو وات في الساعة، وتلك الكمية تكفي لسد احتياجات مليون شخص من الكهرباء، وذلك من حقول الرياح التي تقع في ولاية كاليفورنيا على الساحل الغربي لأمريكا.
ما أفضل مكان لوضع توربينات الرياح؟
يفضل وضع توربينات الرياح في مكان يجب ألا يقل فيه متوسط سرعة الرياح سنويا عن 12 ميل في الساعة، إذ تقام معظم حقول الرياح داخل المياه، ويطلق عليها المزارع البحرية، حيث ترتفع سرعات الرياح عنها في اليابسة.
ولأن هناك بعض الأوقات التي تقل فيها سرعة الرياح، ما يصعب إنتاج الطاقة الكهربائية، فإن مستخدمي طاقة الرياح يجب أن يكون لديهم مولد احتياطي يعمل بالديزل أو بالطاقة الشمسية لاستخدامه في تلك الأوقات.
نأمل أن يكون قد نال استحسانك ما تم عرضه لعمل توربينات طاقة الرياح، إن راودك أي استفسار اترك لنا تعليق.
مكونات محطة توليد الكهرباء من الرياح
مكونات محطة توليد الكهرباء من الرياح، لكل محطة توليد مكوناتها الخاص بها، فالمحطات التي تعتمد على طاقة الرياح تحتوي على ريش وصندوق وتوربين، بينما محطات الطاقة الشمسية تتكون من الألواح والانفرترات.
سنتعرف في هذا المقال على نظرة سريعة عن مصدر الرياح، ثم نذكر لكم المكونات الأساسية لمحطات توليد الكهرباء من الرياح.
نظرة سريعة عن مصدر الرياح
تتولد الرياح نتيجة لامتصاص أسطح الأرض والبحار والمحيطات لأشعة الشمس، بالتالي ترتفع درجة حرارة هذه الأسطح بدرجات مختلفة.
وعندما يسخن الهواء فإن ذلك يؤدي إلى انخفاض كثافته، وتبعا لذلك ينتقل الهواء من منطقة الضغط المرتفع إلى منطقة الضغط المخفض، مما يؤدي إلى نشوء الرياح.
فقد انتشرت طواحين الرياح منذ القرن الثاني عشر حتى وصل عددها في عام 1750 ميلادية إلى أكثر من 8000 طاحونة في هولندا، وأكثر من 10000 طاحونة في إنجلترا،
وكان الغرض الرئيسي من عملها وقتها، هو ضخ الماء من المناطق المنخفضة إلى مناطق الزراعات المرتفعة أو إدارة أحجار لطحن حبوب القمح والذرة وغيرها.
مكونات محطة توليد الكهرباء من الرياح
تتكون مروحة التوليد من العناصر التالية:
شفرات العنفة
تصل طول الشفرة إلى 20 متر، وفي الأنواع الجديدة مثل وحدة الـ 5 ميجا يتجاوز قطر الدوران 130 متر.
صندوق التروس
تربط التروس بين:
- محول السرعة البطيئة الذي تركب عليه الريش (الشفرات)، وهو يدور بسرعة حوالي 30 لفة في الدقيقة.
- محور السرعة العالية، هو الذي يصل مباشرة للمولد، ويدور بسرعة 1500 لفة في الدقيقة.
غرفة القمرة (Nacelle)
وتشتمل المولد والتروس، فهي بمثابة Housing لكل المعدات، وتشتمل أيضاً على المعدات التي تتحكم في الريش (الشفرات)، إذ يمكنها تغيير زاوية ميل الريشة بالنسبة للريح بواسطة موتور، وبذلك تتحكم في سرعة الدوران التي بلفة/ ثانية متأثرة بسرعة الريح التي يجب ألا تقل عن 5 متر في الثانية، ويجب ألا تزيد عن 30 م/ث.
المولد الكهربائي
ويتراوح قدرة المولد بين 500 إلى 1500 كيلووات، وبعض المولدات وصلت الآن إلى 3 و5 و6 و7 ميجا وات، وأكثر.
المحول الخاص بنقل القدرة
يقوم المحول الخاص بالوحدة بنقل القدرة بجهد توزيع حوالي 24 كيلو فولت عبر كابلات، ويتم تجميعه مع الوحدات الأخرى، ثم رفعه إلى خطوط النقل، ولا يتم اتصال كل وحدة مباشرة مع خطوط النقل.
برج التوليد
تثبت جميع المعدات ما عدا المحول في أعلى برج التوليد، والمصنوع من الاستيل ويبلغ ارتفاعه من 40 إلى 60 متر، وفي الوقت الحالي يتجاوز الارتفاع 140 متر، مع قدرات 5 ميجا.
يصنع البرج من حديد المعالج حراريا ليتحمل كافة مكونات الحاوية التي تصل وزنها إلى قرابة 30 طن.
ولضمان الاستفادة بأقصى قدر ممكن من طاقة الرياح، يستخدم نظام لتوجيه التوربينه في اتجاه الرياح، فإذا ارتفعت سرعة الرياح عن 25 متر/ ثانية، فإن الفرامل تمنع الريش من الدوران مخافة أن تؤدي سرعة الرياح العالية إلى تحطمها وتكسير الأجزاء الدوارة في الحاوية.
العوامل المؤثرة على إنتاج الكهرباء من الرياح
العوامل المؤثرة على إنتاج الكهرباء من الرياح، هناك عدة عوامل مهمة تؤثر على محطات التوليد التي تعتمد على طاقة الرياح.
تابعوا معنا المقال لنتعرف إلى أهم العوامل التي تؤثر على إنتاجية محطات التوليد التي تعمل بواسطة أحد مصادر الطبيعة وهي مصدر طاقة الرياح.
العوامل المؤثرة على إنتاج الكهرباء من الرياح
يوجد عدة عوامل تؤثر على إنتاجية الطاقة الكهربائية بواسطة تحويل طاقة الرياح إلى طاقة حركية، ثم طاقة كهربائية، فمن هذه العوامل:
- سرعة الرياح.
- مساحة سطح الدوران.
- نسبة سرعة سن الريشة.
سنشرح كل عامل على حدة.
تأثير سرعة الرياح على التوبينات
يتأثر إنتاج توربينات الرياح تأثيرا مباشرا بسرعة الرياح، حيث تتناسب الطاقة المنتجة مع مكعب السرعة، ولبيان هذه العلاقة نضرب المثال التالي:
إذا كانت سرعة الريح 5 متر/ ثانية، فإن الطاقة الناتجة تعادل 125 وحدة طاقة تقريباً، بينما إذا ارتفعت السرعة إلى 6 متر/ ثانية، فإن الطاقة الناتجة تزيد إلى 216 وحدة طاقة.
وما نستنتجه من المثال أن ارتفاع سرعة الريح بمقدار 1 متر/ ثانية، أدى إلى زيادة كبيرة في الطاقة المنتجة، وعلى هذا الصعيد فإن الطاقة المنتجة من التوربينات تتأثر بعدة عوامل أخرى، منها:
- كثافة الهواء.
- ارتفاع البرج.
- مساحة سطح الدوران.
- تأثير التوبينات على بعضها البعض.
مع ذلك، إلا أن التأثر المباشر والأكبر لمنظومة التوليد يكون مع سرعة الرياح.
مساحة سطح الدوران
تعبر مساحة سطح الدوران عن المساحة الناشئة عن دوران الريش التي تحدد بطول الريشة، وحجم الهواء الذي يضرب مستوى الدوران، ويطلق أيضاً على مساحة الدوران مساحة سطح الدوران قطر التوربينه.
نسبة سرعة سن الريشة
هي النسبة بين السرعة عند نهاية الريشة، وسرعة الريح، التي تزيد كلما زاد طول الريشة، وتحدد حدودها المثلي بين 60-80.
وتعتمد عمل التوربينة على سرعة الرياح لإدارة العضو الدوار تبعا للقوى الايروديناميكية، ويتم نقل هذه الحركة إلى المولد عن طريق محورين، وصندوق تروس سرعة، (محور السرعة البطيئة، ومحور السرعة العالية)، ونسبة النقل لصندوق التروس تحدد السرعة التي سوف تصل للمولد.
كمية الطاقة المولدة من الرياح
تتوقف كمية الطاقة المولدة بالرياح بشكل كلي على الطاقة الحركية للهواء، والتي تتناسب طرديا مع كتلة الهواء، وسرعته، والمعادلة التالية تبين ذلك بدلالة مساحة المروحة وكثافة الهواء كما يلي:
العلاقة بين القدرة المنتجة من التوربينه وسرعة الرياح
العلاقة بين القدرة المنتجة من التوربينه وسرعة الرياح، من المهم أن تعرف العلاقة بين القدرة الإنتاجية بين توربينة طاقة الرياح وسرعة الهواء المحيطة.
نستعرض لكم في هذا المقال شرح مفصل ومبسط عن العلاقة بين القدرة المتولدة من التوربينه وسرعة الرياح.
نظرة سريعة عن علاقة التوربينة بسرعة الرياح
قد يظن البعض أنه بمجرد صنع مروحة ووضعها فوق سطح البناء، ستعمل على إنتاج طاقة كهربائية ثابتة أو أن هذا التصميم عملي ومشابه تماما للحقول التي تشاهدنها في محطات طاقة الرياح.
هذا الاعتقاد خاطئ، لأن جميع حقول محطات طاقة الرياح تكون مدروسة بدقة عالية ومن قبل خبراء مختصين بهذا المجال على المستوى العلمي والعملي، وعمل محاكاة بواسطة برامج خاصة قبل البدء في التنفيذ للتأكد من كفاءة النظام.
وبما أن سرعة الرياح متغيرة، ستحتاج إلى أنظمة متحكمات من أجل التعامل مع التغير والحفاظ على سرعة ثابتة للتوربينه للحفاظ عليها من السرعات العالية، ولإبقاء تشغيل التروبينه ضمن حدود أمان التشغيل.
وخلاصة القول: لا يمكن القيام بتصميم أو تثبيت أو اختيار المكان المناسب إلا بعد عمل دراسات عالية الكفاءة وبمساعدة مختصين بمجال طاقة الرياح، لأن كل خطوة ستقوم بها تؤثر على النتيجة النهائية بالنجاح أو الفشل.
العلاقة بين القدرة المنتجة من التوربينه وسرعة الرياح
دون الإطالة في الموضوع، لاحظ المنحنى الذي يوضح العلاقة بين القدرة المنتجة وسرعة الرياح.
تلاحظ أن المنحنى ينقسم إلى ثلاث أجزاء هما: منطقة Cut-in ومنطقة Rated Speed ومنطقة Cut-Out، حيث إن منطقة تشغيل التروبينة بين الـ Cut in Speed والـ Cut out Speed تكون ضمن الحدود التي تسمح بها قدرتها وتبقيها في حدود أمان التشغيل، وتساعد في الحفاظ على بنيتها.
كما هو موضح في المنحنى أن المنطقة الأولى والثانية عندما تكون سرعات الرياح قليلة، يتم تعديل الريش للحصول على أعظم قدرة، أما في المنطقة الثالثة وعند السرعات العالية التي تكون فوق سرعة الرياح الاسمية المصممة عليها التوربينه، يتم تعديل الريش لتقليل تأثير سرعة الرياح والحفاظ على التوربينه من السرعات العالية.
مميزات وضع توربينات الرياح في البحر
مميزات وضع توربينات الرياح في البحر، لعل البعض قد يسأل عن التداعيات التي أدت إلى أفضلية إنشاء توربينات الرياح في البحر بدلا من اليابسة.
سنتعرف في هذا المقال عن السبب المباشر وراء أفضلية بناء محطات توربينات الرياح في البحر؟ وما المميزات الرئيسية التي نحصل عليها وراء تنفيذ ذلك.
محتويات
أسباب أفضلية وضع توربينات الرياح في البحر
الرياح البحرية تميل للتدفق بسرعة وقوة أكبر من الرياح على اليابسة، ذلك لأن خشونة سطح البحر أقل منها عند اليابسة، وعوائق هبوب الرياح أقل، ما يسمح لتوربينات الرياح بتوليد كمية طاقة كهربائية أكثر.
كما نعلم أن الطاقة المستخرجة من الرياح تتناسب مع مكعب سرعة الرياح، فإن أي زيادة بسيطة في سرعة الرياح يمكنها أن تحقق زيادة ملحوظة في الطاقة الكهربائية المتولدة.
فمثلاً توربينة الرياح المتواجدة في موقع سرعة الرياح فيه 16 ميل بالساعة (7 متر بالثانية) تنتج أكثر بنسبة 50% من نفس التوربينة المتواجدة في موقع سرعة الرياح فيه 14 ميل بالساعة (6 متر بالثانية).
مميزات وضع توربينات الرياح في البحر
انخفاض نسبة الضجيج الصوتي
تنتج التوربينات خلال عملها صوت مزعج تسبب بمشاكل للناس الذين يسكنون في المناطق المجاورة لمحطة الرياح، كما يتأثر بعض المزارعين بأن مواشيهم تتأثر بالضجيج الصادر عن شفرات توربينه الرياح.
لهذا السبب تجد أن وضع التوربينات في البحر بعيدا عن التجمعات السكنية والمناطق المأهولة، هو الحل الأمثل والأفضل في كل الأحوال.
لا تشكل تهديد على حياة الطيور المهاجرة
قد تسبب التوربينات التي تقع على أرض اليابسة في اصطدام الطيور بشفراتها المتحركة على مدار اليوم، وتم حل المشكلة بإنشاء محطات الرياح بعيداً عن مناطق هجرة الطيور، حيث أن الطيور نادرا ما تطير فوق المحيطات.
وهناك العديد من المميزات الأخرى مثل:
- قوة وسرعة تدفق الرياح البحرية عن اليابسة.
- الطاقة المستخرجة من الرياح تتناسب مع مكعب سرعة الرياح، بالتالي فإن الزيادة البسيطة من سرعة الرياح البحرية تزيد من نسبة إنتاجية الطاقة الكهربائية.
- استغلال مساحة البحار.
عيوب وضع توربينات الرياح في البحر
هناك عيب وحيد لإنشاء توربينات الرياح في البحار، هو التكلفة الأولية، حيث من الممكن أن تزيد كلفة الطاقة المولدة عن هذه التوربينات بحوالي ضعفين إلى ثلاث أضعاف ونص عن تلك الموجودة على اليابسة.
على صعيد ذلك، ما زالت توربينات الرياح في البحار قيد التطوير وتخفيض هذه التكلفة، علماً بأن التكلفة العالية متعلقة بظروف عمل التركيب والصيانة، التي تتطلب الاستعانة بسفن خاصة لتركيبها في مياه البحر.
نأمل أن يكون قد نال استحسانك ما تم عرضه من مميزات وضع توربينات الرياح في البحر.
إذا كان لديك أي استفسار ، فالرجاء الاتصال بنا بحرية وسنكون سعداء بخدمتك .
يسعدنا زيارتكم صفحاتنا على مواقع التواصل الاجتماعي حيث نقوم بنشر عروض حصرية على موقعنا الالكتروني.
صفحتنا علي الفيسبوك هنا.
حسابنا على تويتر هنا.
اترك تعليقاً
يجب أنت تكون مسجل الدخول لتضيف تعليقاً.