توربينات الرياح – (ما هي الرياح؟)

قبل أن نبدأ، ينغمس كثيرٌ من الدارسين لتوربينات الرياح فى تصميم التوربينة وكيفية عملها ونمذجة الأنظمة الكهربائية والميكانيكية للتوربينة وملحقاتها ...إلخ، ويغفلون عن دراسة الوقود الذي يحرِّك التوربينة ألا وهو طاقة الرياح نفسها؛ ولذلك فى هذا المقال سنحاول إلقاء بعض الضوء على طاقة الرياح نفسها، من ناحية تواجدها فى الطبيعة وكيفية قياسها . 

من أين تأتي طاقة الرياح ؟

تُعدُّ الشمس هى المصدر الرئيس للطاقات المتجددة (فى ما عدا الطاقة المدية - الجزرية والطاقة الجيوحرارية)، فالأرض تستقبل من الشمس ما مقداره 1017 1.74 وات ساعي؛ إذ 1-2٪ من الطاقة الآتية من الشمس تُحوَّل إلى طاقة الرياح، وهو ما يشكِّل 50-100 مرة من الطاقة المحولة إلى الوقود الحيوي من جميع النباتات على الأرض. وعند خط الاستواء -وهو المكان الأرضى الأقرب للشمس- نجد أنَّ الهواء هناك أسخن من باقى الكرة الأرضية؛ إذ يصعد هذا الهواء الساخن (بسبب خفة وزنه) إلى طبقات الجو العليا تاركًا مكانه الهواء الأكثر برودة. هذه الحركة مع دوران الأرض تسبب هبوب الرياح، ومن هنا نجد أن الإشعاع الشمسيَّ يسبب المحرك الرئيس المتسبب فى توليد الرياح (1). 

حركة الرياح حول الأرض:   

يقع خط الاستواء عن دائرة عرض صفر، وهو المكان الذى يَسخن فيه الهواء ويصعد عاليًا كما أسلفنا الذكر، ومن خط الاستواء يسافر الهواء الساخن شمالًا وجنوبًا تجاه القطبين، وعند دائرة عرض 30 شمالًا أو جنوبًا؛ يتعرض الهواء لظاهرة تُسمَّى "قوى (كوريليوس Coriolis)" -التي تتولد نتيجة دوران الأرض حول محورها، وهي ظاهرةٌ تدفع الهواء إلى الدوران عكس عقارب الساعة في الشمال ومع عقارب الساعة في الجنوب، وقد اكتشف هذه الظاهرة العالم الفرنسيُّ (جوستاف جاسبارد كوريليوس Gustave Gaspard Coriolis)- وعندئذ يبدأ الهواء بالتحرك نحو الأسفل بسبب وصوله إلى منطقة ذات ضغط عالٍ، وهذا الضغط العالي ناتجٌ عن برودة الجو. كلُّ هذه التحركات والتأثيرات تسمى " بالتأثير الجيولوجى" المتسبب فى توليد الرياح فى أنحاء الكرة الأرضية؛ إذ يتحكَّم التأثير الجيولوجي فى سرعة الرياح واتجاهها فى طبقات الجو العليا؛ أي أكثر من 1 كم (2).

ولكن عند النظر إلى الطبقات السفلية من الجو (حتى ارتفاع 100 م عن سطح الأرض)؛ نجد أنَّ هناك عاملًا آخر شديد الأهمية ومؤثرًا في هبوب الرياح، ألا وهو شكل سطح الأرض والعوائق الموجودة من أشجار ومبانى ومسطحات مائية...ألخ. وهذا يسمى " بالرياح السطحية". وعلى الرغم من أهمية التأثير الجيولوجى، لكنَّ الرياح السطحية هى المستخدَمة فى حساب كمية الطاقة الكهربائية التى يمكن للتوربينة أن تولدها (3). 

تأثر هبوب الرياح بالجغرافيا المحلية:  

من المعروف أن اليابسة القريبةَ من المسطحات المائية تشهد ظاهرة " نسيم البحر ونسيم البر"، وهى ظاهرةٌ ترجع إلى أنَّ الهواء الملامسَ لسطح الأرض يسخن بسرعة عن الهواء الملامس لسطح الماء؛ ممَّا يؤدى إلى هبوب تيار هواء يسمى نسيم البحر، وفي المساء تنعكس الآية ويؤدي إلى هبوب تيار هواء يسمى "نسيم البر (4)".

 ثم إنَّ السلاسل الجبلية تحتوي على ممرات بينية فيما بينها تؤدى إلى هبوب الرياح ذات سرعةٍ أكبر من الأماكن المنبسطة؛ ولذلك من الطبيعى أن نجد محطات الرياح تُبنى بجوار الجبال (5). 

الطاقة الكامنة في الرياح:   

تولِّد قوة الرياح عزم دوران، هذا العزم يؤثر في شفرات التوربين التى ترتبط بعمود دوران واحد متصل مع المولد الكهربائى، وتتأثر طاقة الرياح بثلاثة عوامل: كثافة الهواء، وقطر الشفرة المركبة على عمود الدوران (ويقاس من طرف أحد الشفرات حتى الطرف المقابل للشفرة التالية)، وسرعة الرياح. فالعلاقة الرياضية بين الطاقة الكهربائية وكلٌّ من الكميات السابقة هي علاقة طردية؛ أي بزيادة أيٍّ من القيم السابقة تزداد الطاقة الكهربائية المولدة (6). ونجد أن الطاقة الكهربائية تتناسب مع مكعب سرعة الرياح حتى سرعة معينة (7).

ولكن -للأسف- لا يُمكن تحويل 100% من طاقة الرياح إلى كهرباء، بل يمكننا على أقصى تقدير تحويل 59.3% من الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية، وهذا يرجع إلى "قانون بيتز Betz Law"، وهو قانون اكتشفه الفيزيائي الألمانيُّ (ألبرت بيتز Albert Betz عام 1919) ويرجع سببه إلى أن شفرات التوربين تُشتت الهواء الذى يأتى فى مواجهتها (8).

قياس سرعات الرياح قياسًا عمليًّا:

يستخدم جهاز يسمى بالأنيموميتر/المرياح Anemometer لقياس سرعة هبوب الرياح، وهو -بأحد أشكاله- جهاز مكونٌ من ثلاثة أكوابٍ تدور حول محور شاقولي؛ إذ تُسجَّل عدد الدورات بالدقيقة تسجيلًا إلكترونيًّا أو قد يعتمد الأنيموميتر على الليزر أو الموجات فوق الصوتية (يقيس الاختلاف فى انعكاس الضوء أو الصوت عن جزيئات الهواء) ثم تُقاس سرعة الرياح كل دقيقة وتُسجل (9). 

يُعلَّق الأنيموميتر على عمود له طول مماثل للتوربين الذي سوف يُركَّب فى الموقع؛ وذلك لتفادى الدخول فى إعادة حساب سرعة الرياح فى حالة عدم تماثل طول التوربين مع طول العمود (10). 

المصادر:

1-Where does Wind Energy Come From? [Internet]. Xn--drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: 

هنا;

2-Effektkoefficienten [Internet]. Xn--drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: هنا;

3-[Internet]. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: هنا;

4-Local Winds: Sea Breezes [Internet]. Xn--drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: هنا;

5-Local Winds: Mountain Winds [Internet]. Xn--drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: هنا;

6-The Energy in the Wind: Air Density and Rotor Area [Internet]. Xn--drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: هنا;

7-Wind power - Energy Education [Internet]. Energyeducation.ca. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: هنا;

8-[Internet]. Scholarcommons.usf.edu. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: هنا;

9-Wind Speed Measurement: Anemometers [Internet]. Xn--drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: هنا;

10-Wind Speed Measurement in Practice [Internet]. Xn--drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 19 March 2020]. Available from: هنا