طاقة الرياح

 طاقة الرياح

أ.د. شرين فؤاد عبد الحميد

معهد بحوث الهندسة الزراعية - مركز البحوث الزراعية - مصر

تعتبر طاقة الرياح واحدة من أهم أنواع الطاقة المتجددة التي تعطى قدرة عالية يمكن الاستفادة منها عند استغلالها بالطرق العلمية الصحيحة، حيث استغلت قديماً في تحريك المراكب والسفن، كما استخدمت في تشغيل طواحين الهواء لطحن الحبوب، واستخدمت أيضا في رفع المياه إلى الأراضي، وبعد اكتشاف الوقود الأحفوري بدأ العالم بالاستغناء عنها، ومع التقدم العلمي وزيادة استهلاك الوقود الأحفوري والخوف من نضوبه وزيادة المشاكل التي تنتج عن استخدامه، بدأ العالم مرة أخرى بالاهتمام بالطاقة المتجددة، ومنها طاقة الرياح، فتم توليد الكهرباء باستخدام التوربينات وتم تطويرها بحيث أصبحت الطاقة الناتجة عنها تكفي مدن بأكملها.

سبب حدوث الرياح

الرياح عبارة عن هواء موجود في الغلاف الجوي، ولكن عندما تسقط أشعة الشمس على سطح الأرض، يحدث تسخين لهذه المنطقة ثم ينتقل جزء من هذه الحرارة إلى الهواء، فتؤدى إلى رفع درجة حرارته، فبالتالي تقل كثافته وتزداد حركة جزيئاته فيرتفع إلى أعلى، تاركا خلفة فراغات فتبدأ تيارات الهواء البارد بالاندفاع لسد تلك الفراغات مما يؤدى إلى هبوب الرياح.

أنواع الرياح

نوع الرياح واتجاهها مهم جدا في تصميم محطة توليد الطاقة بالرياح، وذلك لأن وضع العنفات يجب أن يكون في العادة عكس اتجاه الريح للبرج الداعم لها. وتقسم الرياح إلى أربعة أقسام رئيسية وهي:

1- الرياح اليومية: وهي تلك التي تنشأ بشكل يومي وقد يكون نسيماً برياً أو بحرياً، أو عبارة عن نسيم جبل أو وادي ولا يمكن الاعتماد عليها كمصدر للطاقة.

2- الرياح المحلية: وهي ثلاث أشكال سموم وخماسينيه وشمالية. وهي تهب فوق مناطق محدودة من سطح الأرض، كما في مصر والسودان وهي يمكن الاستفادة منها خلال الموسم.

 3- رياح موسمية: ولها شكلين وفقا للموسم الذي تهّب فيه، الصيفية والشتوية. تحدث نتيجة لتجاور مساحات كبيرة من اليابس لمساحات كبيرة من الماء وكل منهما يختلف في درجة أنواع الرياح الموسمية، وهي:

·       رياح موسمية صيفية: تكون ممطرة، واتجاهها المحيطات إلى اليابس.

·       رياح موسمية شتوية: تكون جافة، واتجاهها من اليابس اللي المسطحات المائية.

4- رياح دائمة: ولها ثلاثة أشكال تجارية وعكسية وقطبية. وتعتبر أهم أنواع الرياح التي يتم الاعتماد عليها لتوليد الطاقة وهي أيضا يمكن الاستفادة منها ولكن ليس بشكل دائم.

·       الرياح التجارية: تهب من دائرة عرض 30 شمالا وجنوباً نحو خط الاستواء. تلطف درجة حرارة الجهات التي تهب عليها لأنها تأتي من جهات أقل حرارة إلى جهات أعلي حرارة. اتجاهها: شمالية شرقية في نصف الكرة الشمالي وجنوبية شرقية في نصف الكرة الجنوبي، وتبلغ سرعتها ما بين 10-15 عقدة.

·       الرياح العكسية: تهب من دائرة عرض 30 شمالا وجنوباً نحو الدائرتين القطبيتين الشمالية والجنوبية. اتجاهها: جنوبية غربية في نصف الكرة الشمالي وشمالية غربية في نصف الكرة الجنوبي. وتبلغ سرعتها ما بين 17-27 عقدة، كما تنحرف الرياح العكسية.

·       الرياح القطبية: تهب من القطبين الشمالي والجنوبي نحو الدائرتين القطبيتين الشمالية والجنوبية. واتجاهها: شمالية شرقية في نصف الكرة الشمالي وجنوبية شرقية في نصف الكرة الجنوبي.

كما تصنيف الرياح على أساس السرعة، وهي عبارة عن المسافة المقطوعة بالنسبة لوحدة الزمن وتقاس سرعة الرياح بالعقدة، وتساوي العقدة الواحدة نحو 1.8 كيلومتر/ ساعة. وسرعة الرياح مهم جدا في تصميم حقل الرياح حيث يجب ألا تقل متوسط سرعة الرياح فيه سنويًّا عن 12 ميل في الساعة.

مميزات طاقة الرياح

1- القدرة على استخدامها في أغلب الأوقات.

2- لا تسبب أي تلوث للبيئة.

3- يمكن استخدام الأراضي المحيطة بها كحقول زراعية.

4- يمكن تثبيتها أعلى المباني لتشغيل مولدات صغيرة.

5- توفر فرص عمل للشباب.

6- تعتبر أرخص أنواع الطاقة المتجددة وأقلها صيانة.

7- إمكانية استصلاح أراضي بعيدة عن العمران وإمدادها بالطاقة اللازمة.

عيوب طاقة الرياح

1- ينتج عند تشغيلها صوت عالي.

2- قد تسبب قتل الطيور عند الاصطدام بها.

المكونات وطريقة المولدات:

تتكون عنفة الرياح الواحدة من: القاعدة- الصرة – شفرات المروحة – مولد كهربائي (يستخدم لتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية) – فرملة – ناقل للحركة – أجهزة قياس سرعة الرياح واتجاهها – إلكترونيات تحكم. وتنتج 6 عنفات 31 جيجا/واط ساعي في السنة.

تتحرك شفرات المروحة نتيجة هبوب الرياح، أي أنها تكتسب طاقة حركة من الرياح، وهذه الطاقة يمكن الاستفادة منها مباسرة عن طريق استخدامها كطاقة حركة (إدارة مضخات المياه – الطواحين) أو تحويلها إلى طاقة كهربائية وذلك بواسطة مولد الكهرباء، وهذا هو أهم أغراض طاقة الرياح وهو الحصول على الطاقة الكهربائية ولذلك نجد الدول الكبرى صناعياً تهتم بتلك الطاقة، فنجد في الصين والولايات المتحدة الأمريكية عدد من مزارع الرياح التي تولد آلاف من الميجا واط، وتوجد أكبر مزرعة للرياح في العالم هي مركز هورس هولو لطاقة الرياح في تكساس، والتي تضم 421 طاحونة تعمل على توليد ما يكفي من استهلاك 220 ألف منزل سنوياً.

عادة يتم تخزين الكهرباء الزائدة عن الاستخدام في بطاريات، ولأن هناك بعض الأوقات التي تقل فيها سرعة الرياح، مما يصعب معها إنتاج الطاقة الكهربية، فإن مستخدمي طاقة الرياح يجب أن يكون لديهم مولدًا احتياطيًّا يعمل بالديزل أو بالطاقة الشمسية لاستخدامه في تلك الأوقات.

طاقة الرياح البحرية

وهذا يعنى بناء مزارع للرياح في مناطق معينة تزداد فيها شدة الرياح داخل البحار والمحيطات ورغم أنها تعطى كميات هائلة من الطاقة، إلا أنها مكلفة بسبب تكاليف البناء والصيانة وتكاليف نقل الطاقة، إلا أن الدول المتقدمة صناعيا لم تتوانى في إنشاء تلك المزارع حيث كانت أوائل تلك الدول المملكة المتحدة تم إنشاء أول حقل بحري في 2012 والدنمارك وألمانيا في 2013م.

طواحين الهواء

توضع طواحين الهواء على ارتفاعات عالية جدا للوصول إلى أقصى قوة حركة للرياح، ومن ثم تعمل الرياح على تحريك المراوح المركبة على الطواحين. ويوجد نوعين من طواحين الهواء التي تستخدم لتوليد الكهرباء، وهما طواحين الهواء عمودية المحور وطواحين الهواء أفقية المحور، وعادة ما تحتوي الطواحين الأفقية على شفرتين أو ثلاث شفرات في مواجهة الريح، وهى الأكثر شيوعا في الوقت الحاضر ويبلغ عرضها حوالي 60.9 متر، أما الطواحين العمودية فلها شفرات تمتد من الأعلى إلى الأسفل ونادراً ما يتم استخدامها ويبلغ عرضها  15.2 متر، وتقسم طواحين الهواء حسب حجمها إلى طواحين هواء ذات حجم صغير، وذات حجم كبير، بحسب طاقتها الإنتاجية، وتستخدم الطواحين الصغيرة لإمداد الطاقة للمنازل والشركات،  أما الطواحين الكبيرة فتسمى مزارع الرياح أو محطات توليد الرياح وهى عددها كبير وتوضع على مساحة كبيرة.

تصنيف: طاقة