مبدأ عمل عنفات الرياح وأنواعها

طاقة الرياح أُنشأت بشكل ناجح في معظم أنظمة إنتاج الطاقة الكهربائية حول العالم، إلا أن إنشاء هذه المصادر الجديدة؛ والتكنولوجيا الحديثة تحتاج لدعم كبير للأبحاث الموجهة في هذا الصدد. لا يمكن القول أن طاقة الرياح تؤسس مصدر طاقة حديثة، بحيث شهدت تطور مهم منذ القرن العشرين، وفي حالة الاستخدامات الكهربائية التي بدأت منذ منتصف القرن المنصرم. هذه النتائج تؤكد وجود معرفة و خبرات متراكمة أينعت ثمارها في العقد الماضي.[1]

مبدأ الطاقة لعنفات الرياح

تتكون الرياح من جزيئات صغيرة تحمل كلًا منها طاقة حركية نُعبر عنها باستخدام معادلة الطاقة الحركية:

m= الكتلة، v= السرعة.
عندما يتعلق الأمر بحساب الطاقة الحركية للرياح، يصبح من المستحيل حساب الطاقة الحركية لكل جزء بسرب الرياح لوحده. لهذا يُعبر عن كتلة الجزيئات كمقدار موحد متجانس من الكتلة التي تسري خلال نظام معين بمعدل وحدة زمنية معينة، فيصبح التعبير عن مقدار الطاقة الحركية للرياح بالشكل التالي:

A= مساحة مقطع الريش، ρ= كثافة الهواء، V= حجم الهواء، v= سرعة الهواء.
ومن هنا يصبح لدينا مقدار الطاقة التي يمكن الاستفادة منها وتحويلها إلى شكل آخر للطاقة عبر المنظومة المراد استخدامها.

إن نظام تحويل الطاقة لا يمكن أن يستفيد من الطاقة الحركية التي يستقبلها بكفاءة ١٠٠%، بسبب الفواقد في الطاقة التي يكون سببها ارتطام جزيئات الهواء بمراوح المنظومة من جهة، وذهاب جزء آخر من طاقتها التي تحملها بتدوير المراوح من جهة أخرى.

طبقًا لمبدأ ألبرت بيتز الذي ينص أن أفضل كفاءة من الممكن الوصول لها للاستفادة من الطاقة الحركية للرياح تعادل ٥٩%. ومن هنا يأتي السؤال عن كيفية الوصول لهذه الكفاءة.
من معادلة الطاقة السابق ذكرها، يمكن الاستدلال أنه كلما ازدادت سرعة الرياح، ازدادت تِبعًا الكفاءة. وبالتالي يمكننا القول بأن معرفة العوامل التي تحكم سرعة الرياح، تؤسس الأطر الأساسية التي يجب الاعتماد عليها لبناء منظومات طاقة الرياح.

أول وأهم هذه العوامل هو الموقع الجيد! إذ يجب أن يكون مرتفعًا بالشكل المطلوب، وفي منطقة مفتوحة؛ فلا يصح وجود أجسام عالية تعيق الرياح وتسبب ظاهرة القص الهوائي.

الديناميكا الهوائية لعنفات الرياح

خلافًا لمراوح طواحين الهواء المتعارف عليها، والتي اعتمدت على قوة الرياح لدفع المراوح وإجبارها على الحركة أوتوماتيكيًا، بنيت العنفات الحديثة على مفاهيم أكثر تعقيد بناءًا على نظريات الديناميكا الهوائية وميكانيكا الموائع الأحدث.
أحد مبادئ الديناميكا الهوائية الأساسية المستخدمة في بناء الطائرات، يُستخدم أيضًا في تسيير عنفات الرياح. والذي يعتمد على مبدأ تبادل رئيسي بين قوتين تتحكمان في تسيير الأجسام تحت تأثير الهواء. وهما:

• قوة الرفع: والتي تؤثر على الجسم المتحرك بشكلٍ عموديٍّ على اتجاه سريان الهواء.
• قوة الجر: والتي تؤثر على الجسم المتحرك بشكلٍ موازٍ لسريان الهواء.

ولأن الأساس بالتصميم الحديث لريش العنفات الحديثة اُسْتُوحي من تصميم أجنحة الطائرة، فسنرى بأن مفهوم السطح الإنسيابي الهوائي المقوس «Airfoil» في أجنحة الطائرة تم تطبيقه على ريش العنفات الحديثة على حدٍ سواء.
نرى أن سطح أحد جانبي الريش يكون مقوسًا، خلافًا للجانب الآخر الذي يكون بالعادة مسطّحًا نسبيًا. يساعد وجود هذا التصميم بشكل خاص على انتقال الهواء مرورًا بالجانب المقوس الموازي لاتجاه هبوب الرياح من الريشة، فيصل إلى نهاية الريشة كي يلحق بالهواء الساري خلال الجانب المسطح المعاكس لاتجاه الرياح. ينتج عن سريان الهواء السريع، تولد منطقة ضغط منخفض أمام الجانب المقوس، والتي تعمل على رفع الريشة لتدور وفق اتجاه الرياح. في الجهة المعاكسة لاتجاه الرياح من الريشة، يسري الهواء بسرعة أبطئ، مولدًا بذلك منطقة ضغط عالٍ تجر الريشة، وتبطئ سرعتها.[2]

أنواع عنفات الرياح

هنالك نوعان من عنفات الرياح المستخدمة حاليًا، وتصنف بحسب اتجاه دوران عمود الإدارة إلى: عنفات ذات محور أفقي، وعنفات ذات محور عمودي.
بالنسبة لأحجامها فهي تختلف وتتنوع، فالعنفات الصغرى تُستخدم لتشغيل المنازل أو المؤسسات الصغرى التي تتطلب طاقة أقل من ١٠٠ كيلو واط. أما الأحجام التجارية الكبرى، فقد تصل الطاقة التي يمكن أن تنتجها إلى خمسة مليون واط، أو خمسة ميجا واط. العنفات الكبرى تجمع بعض الأحيان معًا لتشكل مزارع رياح تزود الطاقة على مستوى واسع.[3]

عنفات المحور الأفقي «HAWT»

معظم أجهزة الرياح المستخدمة اليوم تقع ضمن هذا التصنيف، هذه العنفات لديها ريش تشبه مراوح طرد الهواء في الطائرة. يوازي طول التصميم القياسي لها طول مبنى مكون من عشرين طابق، ويحتوي على ثلاثة ريش أساسية موازية للأرض وتدور ضمن محيط يصل إلى مائتين قدم. يتجاوز طول مراوح أكبر تصميم يقع ضمن هذا النوع من العنفات طول ملعب كرة قدم، وصمم بهذا الطول والعرض حتى يتم الاستفادة من أكبر قدر من الرياح.[3]

عنفات المحور العمودي «VAWT»

لدى هذه النوعية مراوح تمتد من الأعلى إلى الأسفل، والنوع الأكثر شيوعًا المسمى بعنفة رياح داريوس يشبه آلة خفق بيض عملاقة. يصل طول هذه العنفات إلى مائة قدم، وعرض خمسين قدم. تشغل عنفات المحور العمودي نسبة صغيرة من المنظومات المستخدمة في الوقت الحالي.[3]

شبكة الدوار لتقوية الرياح «The Wind Amplifier Rotor Platform»

يعتبر نوع مختلف وآخر من منظومات الرياح، مصمم خصيصًا ليكون أكثر فاعلية ويشغل مساحة أقل من المساحة التي تشغلها منظومات الرياح الأخرى. الوارب «WARP» كما تم اختصار مسماه، لا يتطلب عنفات كبيرة الحجم، بدلًا عنها؛ يستخدم عنفات تشبه تصميمها تصميم شفاطات الهواء أو مجموعة من عجلات السيارات المكدسة فوق بعضها. كل جزء لديه زوج من العنفات الصغرى عالية القدرة يتم تركيبها داخل إطار مقعر. يسحب سطح الإطار الرياح نحو العنفات مزودًا إياها بسرعة أعلى قد تصل إلى ٥٠ %.الشركة التي صممت وارب والمدعوة بإينكو«ENCO»، تخطط لتسويق تصميمها الحديث هذا إلى منصات الحفر البحرية، وأنظمة الاتصالات اللاسلكية.[3]

محطات الرياح للطاقة

تتكون محطات الرياح، أو ما تعرف باسم مزارع الرياح، من مجموعات من منظومات الرياح المستخدمة لإنتاج الطاقة الكهربائية. لدى مزرعة الرياح عشرات الوحدات موزعة على نطاق واسع. توجد أكبر مزرعة رياح في تكساس، وتتكون من 421 عنفة تولد طاقة لتغطي ٢٢٠ ألف منزل في السنة.[3]

مكونات منظومة الرياح للطاقة

١- البرج

البرج مصمم ليحمل الجزء الدوار والقمرة لعنفة الرياح إلى الارتفاع المطلوب. الأنواع الرئيسية للأبراج المستخدمة في العنفات الحديثة هي: أبراج شبكية، وأبراج فولاذية أُحادية، والأبراج المدعمة بالكابلات.[3]

1. الأبراج الشبكية «Lattice Tower»: مصنوعة من أعمدة الفولاذ المجمعة معًا بشكل بنية شبكية، تصميمها شبيه بتصميم أبراج نقل الكهرباء العادية. هذه الأبراج تستخدم نصف المواد المطلوبة لتصنيع الأبراج الفولاذية الأُحادية، وبالتالي تعتبر أخف وزنًا وأقل تكلفة. أرجل البرج تنفرج بشكل واسع، موزعة بذلك الأحمال عليها بالتساوي.[3]
2. الأبراج الفولاذية الأحادية «Turbular Steel Tower»: مصنوعة من عمود مخروطي يزيد قطره تدريجيًا نحو القاعدة، وتوفر مساحة مقطعه الدائرية مقاومة لي عالية. يتراوح طوله من عشرة إلى عشرين متر.[3]
3. الأبراج المدعمة بالكابلات «Guyed Tower»: مناسبة للمنظومات الصغيرة، بحيث يتم تثبيت العنفة فوق أسلاك مشدودة. تتميز هذه الأبراج بوزنها الخفيف، وتكلفتها المنخفضة نسبيًا.[3]

٢- الجزء الدوار «Rotor»

يعتبر أهم مكونات عنفة الهواء «Wind Turbine»، ودوره يتلخص باستقبال الطاقة الحركية من الرياح وتحويلها إلى عمود الإدارة«Shaft». يتكون الجزء الدوار من:

• ريش «Blades»
• مشبك«Hub»
• عمود إدارة«Shaft» مصقولا من الفولاذ الصلب
• محامل«Bearings»، وأجزاء داخلية أخرى.[3]

الريش «Blades»

الريش كما ذكر سابقًا، لديها أجزاء ذات سطوح انسيابية مقوسة. بالنسبة لعدد ريش العنفات المستخدمة حاليًا في معظم المنظومات لا يتجاوز ثلاثة ريش للعنفة الواحدة، إلا أن بعض عنفات الهواء الصغيرة المستخدمة في شحن البطاريات، لديها ريش أكثر قد تصل إلى ستة بسبب الحاجة لتشغيلها الآلي في سرعات رياح منخفضة. المواد المستخدمة في صناعة الريش تتفاوت بحسب حجم المنظومة، فمثلًا الريش الخشبية والمعدنية تُستخدم للمنظومات الصغيرة. بينما تستخدم معظم المنظومات الكبيرة والتجارية ريش مصنوعة من الألياف الزجاجية متعددة الطبقات.[3]

المشبك «Hub»

ريش الجزء الدوار مرتبطة بالمشبك، والذي يتكون من براغي، ومحامل الريش، ونظام تأرجح«Pitch System». يحتوي المشبك على نقاط لتثبيت الريش والوصلات الميكانيكية المصممة للتحكم بانحدار الريش. وهو أحد أهم مكونات الجزء الدوار، ولهذا يُصمم بمواصفات متانة عالية، فالمادة المستخدمة في تصنيعه هي صفائح حديد الزهر.[3]

المحامل «Bearings»

عمود الإدارة الرئيسي للعنفة يمر خلال المحامل الرئيسية. المحامل الكروية 《Roller Bearings》 هي المستخدمة والأكثر شيوعا، لقدرتها على تحمل الأخطاء البسيطة الناتجة من انحراف العمود مانعة بذلك حدوث زيادة بالأحمال الجانبية.[3]

٣- صندوق تروس السرعات «Gear Box»

يعتبر جزئية مهمة في عملية تحويل الطاقة في عنفة الرياح. تتراوح سرعة الجزء الدوار لعنفة الرياح بين ٣٠ إلى ٥٠ دورة/ دقيقة. بينما قد تصل السرعة القصوى للمولد إلى ١٥٠٠ دورة/ الدقيقة، هنا يأتي دور صندوق السرعات للتلاعب بالسرعة طبقًا لمتطلبات المنظومة من الطاقة. مصمم ليعمل بسلاسة حتى تحت الظروف البيئية السيئة.[3]

تتحقق السرعة المطلوبة في العنفات الصغير عبر تطبيق مرحلتين، أو ثلاث مراحل لمنظومة التروس. أما في العنفات الأكبر، يتم استخدام تجميعة من التروس الكوكبية«Planetary Gears» والعادية معًا.[3]

٤- المولد «Generator»

يعتبر المولد أحد أهم مكونات نظام تحويل طاقة الرياح. بعكس المولدات المعتاد استخدامها في أنظمة تحويل الطاقة الأخرى، يعمل مولد عنفة الرياح تحت مستويات طاقة متقلبة، بسبب تفاوت سرعة الرياح.[3]
عنفات الرياح الصغيرة مزودة بمولد ذو تيار مستمر تصل قدرته إلى واحد كيلو واط، بينما الأنظمة الكبرى فتستخدم مولدات التيار المتردد ذوات الطور الواحد، أو الثلاثة أطوار. محطات الرياح تستخدم مولدات ذات ثلاثة أطوار، وهذه المولدات قد تكون في بعض الأحيان مولدات تزامنية.[3]

المصادر:

1. Future of wind: Deployment investment, technology, grid integration and socio-economic aspects
2. wind-power
3. Wind Energy Fundamentals ,Resource Analysis and Economics