تعمل طاقة الرياح ضمن عملية يتمّ فيها تسخير الطاقة الميكانيكية للرياح وتحويلها إلى طاقة كهربائية. تعرف هذه الطاقة كطاقة مستدامة تمامًا كالطاقة الشمسية والمائية. يعتبر هذا النوع من الطاقة واحدًا من أنظف أنواع الطاقة وتقوم بإنتاج الطاقة بنسبة %100 مع انبعاثات خالية من المخلّفات. يصل مقدار إنتاجها من الطاقّة ما يقرب %20 من كهرباء العالم.
لننظر أولاً في كيفية توليد توربينات الرياح للكهرباء.
كيف تولِّد التوربينات الكهرباء؟
إن التوربين عبارة عن آلة مصممة لاستيعاب كمية من الطاقة الناتجة عن سائل متحرك (مثل سائل أو غاز) بحيث يمكن استخدامه لاحقًأ. يعتبر التوربين الموجود في طاحونة الهواء واحدًا من أبسط أنواع التوربينات. تُعتبر الشفرات الدوارة الضخمة التي تراها في مقدمة الطاحونة الهوائية الجزء التوربيني من الطاحونة الهوائية. يتم تصميم الشفرات على شكل منحني شبيه بأجنحة الطائرة.
توفر الرايح عند هبوبها خلف أجنحة الطاحونة الهوائيّة قوة تصاعدية تسمى قوّة الرفع. تنتج الريح التي تهب عبر أجنحة الطاحونة الهوائية تأثيرًا دورانيًّا عليها. تكاد كمية الطاقة الحركية التي تفقدها الرياح تكون نفس كمية الطاقة الحركية التي تلتقطها الطاحونة باستثناء بعض الخسائر في الطاقة بسبب الاحتكاك. تتناسب كمية الطاقة التي تنتجها طاحونة الهواء طرديًّا مع المساحة التي تقطعها أجنحتها. يعني هذا أنّه كلما كانت الشفرات أطول كلّما زادت طاقة التوربين في طاحونة هوائية. تُعتبر سرعة الرياح العامل الرئيسي في إنتاج طاقة الرياح. تنتج التوربينات عند تضاعف سرعة الرياح 8 أضعاف كمية الطاقة التي تنتجها عند السرعة العاديّة.
الأجزاء الرئيسية لطاحونة الهواء
توجد العديد من أنواع طواحين الهواء. سننظر هنا في عمل طاحونة الهواء ذات المحور الأفقي. تدور أجنحة التوربينات بواسطة الطاقة الحركية للرياح. تكون هذه الأجنحة مدعومة بمحور مركزي يدعم الشفرات. يدور المحور المركزي ببطء شديد مقارنة مع التوربين.
يمكن لأجنحة الدوران في التوربينات الأكثر حداثة الدوران حول المحور في الأمام من أجل مواجهة الريح عند أفضل درجة حتى تتمكن من تسخير طاقة الرياح بأفضل طريقة.
يتم التحكم بالشفرات بمساعدة المحركات الكهربائية الصغيرة أو الكباسات الهيدروليكية التي تتحكم بالدوران بآليات كهربائيّة دقيقة. تمتلك التوربينات الأصغر سيطرة ميكانيكية أكثر على دورانها.
ننتقل إلى الهيكل الرئيسي للطاحونة الهوائية والمعروف باسم الباسنة nacelle. تحتوي الباسنة على مكونين رئيسيين وهما علبة التروس والمولد. تقوم علبة التروس بتحويل دوران محرك السرعة من منخفض إلى دوران عالي السرعة بطريقة تكفي لتشغيل المولد بنجاح. يبلغ معدل التحويل المعتاد لعلبة التروس حوالي 16 دورة في الدقيقة من محور الدوران إلى حوالي 1600 دورة في الدقيقة في المولد. يتم وضع المولد مباشرة بعد علبة التروس. يمكن أن تنتج المولدات في طواحين الهواء حوالي 2 مليون واط من الطاقة عند 700 فولت باستخدام سرعات الرياح العالية.
يعتبر مقياس شدة الرياح الجزء الهام التالي في طاحونة الهواء. إن هذا الجهاز هو عبارة عن جهاز آلي يستخدم لقياس السرعة ويتم وضعه على سطح الباسنة في الخلف. يوفر مقياس شدة الريح قياسات تتعلق بسرعة الرياح واتجاهها. يمكن نقل الباسنة والشفرات بالكامل باستخدام هذا الوسيط وبمساعدة محرك ياو. يتم تركيب محرك الياو بين الباسنة والبرج.
يتم استخدام الفرامل لمنع حدوث ضرر للطاحونة الهوائية إذا كان الجو عاصفًا ومضطربًا. تستخدم هذه الفرامل لأسباب تتعلق بالسلامة حيث قد تتسبب هذه السرعات العالية بضرر للطاحونة. يتم أيضًا استخدام المكابح عند إجراء اختبارات السلامة وأعمال الصيانة على توربينات الرياح. يتم نقل التيار الكهربائي الناتج من طاحونة هوائية إلى محول يعمل بالرفع مما يزيد من الجهد الكهربائي. يمكن نقل هذا التيار بشكل فعال عبر مسافات كبيرة إلى الشبكة. تنتقل الكهرباء من الشبكة إلى محطات فرعية أصغر توزع الكهرباء للاستهلاك المنزلي والصناعي.
المصدر