التوربينات الهوائية: نافذة إلى مستقبل مشرق

في عصر تتزايد فيه الاهتمامات بالبيئة والاستدامة، أصبحت الطاقة الهوائية مصدرًا مهمًا لتوليد الطاقة الكهربائية. تعتبر التوربينات الهوائية من أبرز وسائل توليد الطاقة النظيفة والمتجددة. دعونا نلقي نظرة على كيفية عمل التوربينات الهوائية وفوائدها وتحدياتها ومستقبلها المشرق.

التوربينات الهوائية أنواع العنفات والطواحين الهوائية.

1. مقدمة

تُعتبر الرياح مصدراً نظيفاً وغير متناهٍ للطاقة، حيث تُستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية باستخدام العنفات أو توربينات الرياح، وتُعد طاقة متجددة من الطاقة الحركية للرياح. تمثل طاقة الرياح بديلاً بيئياً للوقود الأحفوري، وتوجد بكثرة في مناطق متعددة. وبالرغم من تباين توافرها من مكان لآخر، فإنها تُعتبر نظيفة وغير ملوثة، ولا تنتج انبعاثات ضارة خلال التشغيل. تعتمد كمية المساحة المطلوبة لتركيب محطات الرياح على حجم المشروع ونوع التوربينات المستخدمة.

في الماضي، استُخدمت طاقة الرياح في صورة طواحين الهواء لأغراض مثل طحن الحبوب وضخ المياه لعدة قرون. وفي الوقت الحاضر، يتم استخدام توربينات الرياح المتطورة في أنحاء مختلفة من العالم لتحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية.

تنتج توربينات الرياح التجارية الحديثة الكهرباء باستخدام الحركة الدورانية لتشغيل المولدات. تتألف هذه التوربينات من برج شاهق يحمل شفرات طويلة والجزء الأسفل الذي يضم المحرك. يمكن أن تبلغ طول شفرات توربينات الرياح الكبيرة التي تنتج ما يصل إلى 1.8 ميغاواط من الطاقة أكثر من 130 قدماً (40 متراً)، ويمكن تركيبها على أبراج تصل إلى حوالي 260 قدماً (حوالي 80 متراً). كما يمكن استخدام توربينات أصغر لتزويد المنازل الفردية بالطاقة.

1.1 تعريف التوربينات الهوائية

تعد التوربينات الهوائية أجهزة توليد الطاقة تعتمد على حركة الرياح لتحويلها إلى طاقة كهربائية.

الأنواع:العنفات الأفقية: عنفة أحادية الشفرة: وهي العنفات ذات الشفرة الواحدة. عنفة ثنائية الشفرات: وهي العنفات ذات الشفرتين. عنفة ثلاثية الشفرات: وهي العنفات بثلاث شفرات. العنفات العمودية: عنفة ريحية ذات محور دوران عمودي بارتفاع 30 متر: يعتمد هذا التصميم على توجيه محور الدوران بشكل عمودي على الأرض، حيث تدور ريش العنفة حول هذا المحور. يهدف هذا التصميم إلى إعادة تموضع علبة السرعة والمولد عند قاعدة برج العنفة مما يسهل من عمليات الصيانة والتوصيلات. وعلاوة على ذلك، يلغي هذا التصميم الانحناءات. ومع ذلك، يتعرض هذا النوع من عنفات الرياح إلى عزوم إيروديناميكية متغيرة مما يؤدي إلى أضرار في الريش ناتجة عن التعب بالإضافة إلى صعوبة في التحكم في التوجيه الإيروديناميكي.

1.2 أهمية الطاقة الهوائية في العصر الحديث

مع تنامي الوعي بأهمية حماية البيئة والتحول نحو الاستدامة، أصبح استخدام الطاقة الهوائية أحد الخيارات البيئية الأساسية في توليد الكهرباء.
مزارع الرياحتُعتبرمزارع الرياح مجموعة كبيرة من توربينات الرياح الموجودة في مكان واحد والمستخدمة لتوليد الكهرباء. قد تتألف مزارع الرياح الكبيرة من مئات التوربينات الفردية المنتشرة على مساحة واسعة، حيث يُستغل الفراغ بين التوربينات لأغراض مثل الزراعة وغيرها. تتمتع توربينات الرياح الكبيرة بتصميم مشابه، حيث تحتوي على محور أفقي دوار يحمل ثلاث شفرات توجه عكس اتجاه الريح، وتُثبت على هيكل محرك يوجد على قمة برج أنبوبي طويل.

طاقة الرياح البحريةطاقة الرياح البحرية تُمثل بناء مزارع الرياح في مناطق مائية واسعة لتوليد الكهرباء. تتمتع هذه المزارع بكفاءة أعلى من المزارع البرية نظرًا لقوة وتواتر الرياح في المحيطات، لكن تكاليف بنائها وصيانتها تكون أعلى بكثير من المزارع البرية. الجهود المبذولة للاستفادة من طاقة الرياح تزايدت نسبة إسهام الرياح في إجمالي إنتاج الكهرباء في العالم، وارتفعت بشكل كبير خلال السنوات الأخيرة نتيجة للمخاوف من تكلفة الوقود الأحفوري وتأثيراته البيئية. ويُتوقع أن تستمر هذه الزيادة في السنوات القادمة، حيث يمكن أن تولد طاقة الرياح نسبة مهمة من إجمالي الكهرباء بحلول عام 2030.

2. كيفية عمل التوربينات الهوائية

2.1 تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية

تعتمد عملية توليد الكهرباء من الرياح على استخدام شفرات توربينات تدور بفعل الرياح، مما يحرك مولد الكهرباء المتصل بها لتوليد الطاقة الكهربائية.

2.2 أنواع التوربينات الهوائية واختلافاتها

تتنوع أنواع التوربينات الهوائية بناءً على تصميمها وحجمها والتقنيات المستخدمة فيها، مثل التوربينات الأفقية والرأسية والبناء الهجين.

المكونات:

القاعدة:

الجزء السفلي من العنفة الريحية، يصمم أساسًا لنقل الحمل الرأسي (الوزن الساكن) إلى الأرض، مما يسمح عمومًا بتوزيع الحمل.

الصرة:

شفرات المروحة مصممة للاستفادة القصوى من سرعة الريح. المولد الكهربائي: يقوم بتحويل طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية.

الفرملة:

تقلل من سرعة الرياح الشديدة وتوقف المروحة في حالة حدوث عواصف.

الحجرة المعلقة:

تحتوي على المحول الكهربائي وأجهزة أخرى، بما في ذلك ناقل الحركة. أجهزة قياس سرعة الريح واتجاهه: تقع في مؤخرة الحجرة المعلقة وترسل قراءاتها إلى المركز الرئيسي.

المحرك الكهربائي:

يوجه العنفة في اتجاه الريح.

الإلكترونيات التحكم:

تغيير وضعية الشفرات محوريًا وإدارة الحجرة المعلقة عبر المحرك الكهربائي، لتحقيق الاتجاه الأمثل للاستفادة من الريح. تنتج 6 عنفات 31 جيجاوات ساعي في السنة.

3. فوائد الطاقة الهوائية

3.1 صديقة للبيئة

تعتبر الطاقة الهوائية من الطاقات النظيفة حيث لا تسبب انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ولا تلوث بيئي.

3.2 تقليل اعتماد الدول على الوقود الأحفوري

بفضل توليد الكهرباء من مصادر متجددة مثل الرياح، يمكن للدول تقليل اعتمادها على الوقود الأحفوري وبالتالي تقليل الانبعاثات الضارة.

ما لا تعرفه عن طاقة الرياح:

يعود استخدام توربينات الرياح في توليد الكهرباء إلى عام 2000 قبل الميلاد، حيث تم تطويرها لأول مرة في بلاد فارس والصين. وكان البحارة القدماء يستخدمون طاقة الرياح للإبحار إلى أماكن مختلفة، بينما استخدمها المزارعون لضخ المياه وطحن الحبوب.
تم بناء أول توربينات رياح حديثة في الأربعينيات في ولاية فيرمونت بالولايات المتحدة الأمريكية. وفي عام 1941، تم توصيل توربينات الرياح سميث-بوتنام، وهي أول توربينات رياح في العالم بحجم ميغاواط، بنظام التوزيع الكهربائي المحلي.
تم تثبيت أكبر توربينات رياح في العالم في هاواي، الولايات المتحدة الأمريكية، وتبلغ ارتفاعها 20 طابقًا وتحمل شفرات بطول ملعب كرة قدم.
يعتمد توليد الكهرباء من طاقة الرياح بشكل رئيسي على توربينات الرياح، حيث يتراوح متوسط قدرة التوربينات البرية الحديثة بين 2.5-3 ميغاواط، وتبلغ طول الشفرات فيها حوالي 50 مترًا.
تتمكن توربينات الرياح البرية من توفير طاقة كافية لأكثر من 1500 منزل، بينما يمكن لتوربينات الرياح البحرية توفير الطاقة لأكثر من 3312 منزل.
طاقة الرياح لا تحتاج إلى ماء، مما يجعلها فريدة من نوعها بالنسبة لمصادر الطاقة الأخرى.
من المتوقع أن توفر طاقة الرياح حوالي 30 تريليون زجاجة مياه في الولايات المتحدة بحلول عام 2030. تُستخدم توربينات الرياح في مزارع رياح وتُرتب على خطوط في مناطق عاصفة مثل التلال.
يمكن أن توفر توربينات الرياح الصغيرة في الفناء الخلفي الطاقة لشركات صغيرة أو منازل، ويمكن توصيلها بالشبكة الكهربائية أو استخدامها بشكل مستقل.
توفر صناعة طاقة الرياح دخلاً إيجاريًا للمجتمعات الريفية، مما يعزز الاقتصاد المحلي.
تشهد صناعة طاقة الرياح نموًا سريعًا، حيث تضاعف استثماراتها بنسبة خمس مرات في السنوات الأخيرة، ومن المتوقع أن تكون قادرة على تلبية ثلث الطلب العالمي على الطاقة بحلول عام 2050.
طاقة الرياح تُعتبر أسرع الطرق نموًا لتوليد الكهرباء على مستوى العالم، وفي عام 2012، تم إنفاق 25 مليار دولار على الاستثمار في طاقة الرياح، وتُشكل صناعة طاقة الرياح في الولايات المتحدة قيمة بلغت 10 مليارات دولار سنويًا!

4. تحديات التوربينات الهوائية

4.1 التأثير على الطيور والحياة البرية

تواجه التوربينات الهوائية انتقادات بسبب تأثيرها السلبي على الطيور والحياة البرية، حيث يمكن أن تتسبب في اصطدامات مميتة.

4.2 الاعتماد على الظروف الجوية

تعتمد كفاءة التوربينات الهوائية على توفر الرياح، وقد تواجه تحديات في المناطق ذات الرياح الضعيفة.

5. التقنيات المستقبلية لتطوير التوربينات الهوائية

5.1 استخدام تقنيات أكثر كفاءة

تسعى الشركات والباحثون إلى تطوير تقنيات جديدة لتحسين كفاءة التوربينات الهوائية وزيادة إنتاجية الطاقة منها.

5.2 تطوير التخزين الكهربائي لتحسين الاستدامة

يُعَدّ تطوير تقنيات تخزين الطاقة الكهربائية جزءًا هامًا من تحسين استدامة الطاقة الهوائية، مما يساهم في توفير طاقة مستقرة عند عدم توفر الرياح.

6. تأثير التوربينات الهوائية على الاقتصاد

6.1 توفير فرص عمل

تعتبر صناعة الطاقة الهوائية مصدرًا هامًا لتوفير فرص العمل في مجالات البناء والصيانة والهندسة.

6.2 تقليل تكلفة الطاقة

بفضل تقليل تكلفة توليد الطاقة الهوائية، يمكن للمستهلكين الاستفادة من أسعار أرخص للكهرباء.

7. التحديات القانونية والتنظيمية

7.1 التراخيص والتشريعات المتعلقة بتركيب التوربينات الهوائية

تواجه شركات توريد الطاقة الهوائية تحديات قانونية وتنظيمية في بعض الدول، حيث يتطلب تركيب التوربينات موافقات وتراخيص خاصة.

7.2 التحديات المتعلقة بالتنقل والملكية

يمكن أن تواجه المشاريع الهوائية تحديات فيما يتعلق بالتنقل والملكية العقارية، خاصة في المناطق الريفية أو المأهولة.

8. نماذج ناجحة لمشاريع التوربينات الهوائية حول العالم

8.1 نموذج مشروع محطة الطاقة الهوائية في دانمارك

تعتبر دانمارك من الدول الرائدة في مجال الطاقة الهوائية، حيث تستفيد من الرياح القوية في سواحلها لتوليد الكهرباء.

8.2 تجربة مشروع مزرعة رياح في الولايات المتحدة

تعتبر الولايات المتحدة من أكبر منتجي الطاقة الهوائية في العالم، حيث تستخدم تكنولوجيا متطورة لتوليد الكهرباء من الرياح.

9. المستقبل المشرق للطاقة الهوائية

9.1 التطورات المتوقعة في مجال الطاقة الهوائية

من المتوقع أن تشهد تكنولوجيا الطاقة الهوائية تطورات مستمرة تزيد من كفاءتها وتقلل من تكاليفها.

9.2 دور الطاقة الهوائية في تحقيق الاستدامة البيئية

تعتبر الطاقة الهوائية جزءًا مهمًا من مسار الاستدامة البيئية العالمية، حيث تقلل من اعتماد البشرية على الوقود الأحفوري وتقلل من تلوث البيئة.

10. ختام

باعتبار الطاقة الهوائية كحلاً للتحديات البيئية والاقتصادية، يبدو مستقبلها واعدًا ومشرقًا. من خلال تطوير التقنيات وتشريعات التشجيع، يمكن أن تلعب الطاقة الهوائية دورًا أساسيًا في توفير الطاقة النظيفة والمستدامة للجميع.
الأسئلة الشائعة

1. هل يمكن أن تؤثر التوربينات الهوائية على جودة الهواء؟

نعم، فالتوربينات الهوائية لا تسبب تلوث هواء مثل مصادر الطاقة التقليدية مثل الفحم والنفط.

2. ما هي التكلفة المتوقعة لبناء مزرعة رياح صغيرة؟

تختلف التكلفة بناءً على الحجم والموقع، ولكن عمومًا، يمكن أن تكون التكلفة الابتدائية مرتفعة لكن تُعتبر استثمارًا مستدامًا على المدى الطويل.

3. هل يمكن تخزين الطاقة المولدة من التوربينات الهوائية للاستخدام في الأوقات التي لا تكون فيها الرياح قوية؟

نعم، يمكن تخزين الطاقة الكهربائية المولدة من التوربينات الهوائية باستخدام تقنيات التخزين الكهربائي مثل البطاريات.

4. هل تعتمد فعالية التوربينات الهوائية على سرعة الرياح فقط؟

لا، بالإضافة إلى سرعة الرياح، تعتمد فعالية التوربينات الهوائية أيضًا على ارتفاع الموقع وتصميم التوربينات وحجم الشفرات.

5. هل يمكن للأفراد تركيب توربينات هوائية في منازلهم؟

نعم، يمكن للأفراد تركيب توربينات هوائية صغيرة في منازلهم لتوليد جزء من احتياجاتهم من الكهرباء.

المراجع:

"Part 1 — Early History Through 1875". مؤرشف من الأصل في 2018-10-02. اطلع عليه بتاريخ 2008-07-31.
^ A.G. Drachmann, "Heron's Windmill", Centaurus, 7 (1961), pp. 145–151
قاموس المصطلحات المتعلقة بقطاع الطاقة الكهربائية (بالعربية والإنجليزية والفرنسية)، الاتحاد العربي لمنتجي وناقلي وموزعي الكهرباء، ج. 2، 2009، ص. 9، QID:Q125253723