تعتبر طاقة الرياح واحدة من أسرع مصادر الطاقة المتجددة نموًا في العالم. ولكن، كيف تعمل توربينات الرياح على تحويل الرياح إلى كهرباء؟ قد يبدو الأمر معقدًا، لكنه يعتمد على مبدأ بسيط: تقوم توربينات الرياح بتحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية، مما يوفر لنا مصدرًا نظيفًا ومستدامًا للطاقة.

العلم وراء طاقة الرياح

الرياح هي في الأساس نوع من الطاقة الشمسية، وهي ناتجة عن مجموعة من العمليات الطبيعية الثلاثة:

1. تسخين الغلاف الجوي بشكل غير متساوٍ بواسطة الشمس
2. التضاريس غير المنتظمة على سطح الأرض مثل الجبال والوديان والمساحات المائية
3. دوران الأرض، الذي يؤثر على أنماط الرياح عالميًا.

عندما يتحرك الهواء عبر سطح الأرض، يتفاعل مع المناظر الطبيعية والأنماط الجوية، مما يخلق سرعات واتجاهات رياح متنوعة. يمكن استغلال هذا التدفق للهواء، أو الطاقة الحركية للرياح، لأغراض متعددة مثل الإبحار أو تحليق الطائرات الورقية، وحتى لتوليد الكهرباء.

كيف تحول توربينات الرياح الرياح إلى كهرباء؟

جوهر عملية عمل توربينات الرياح بسيط جدًا. تستخدم توربينات الرياح تدفق الرياح الطبيعي لتوليد طاقة ميكانيكية، التي يتم تحويلها لاحقًا إلى طاقة كهربائية من خلال الخطوات التالية:

1. الرياح تضرب الشفرات: تم تصميم شفرات التوربينات بحيث تلتقط الرياح، تمامًا كما تفعل أجنحة الطائرة أو شفرات مروحة الطائرة المروحية. عندما يمر الرياح عبر الشفرات، يحدث فرق في الضغط بين الجانبين. ينخفض الضغط الجوي على أحد الجانبين، مما يخلق قوة الرفع. هذه القوة تكون أقوى من قوة السحب التي تعارضها، مما يؤدي إلى دوران الروتور (المكون المركزي الدوار).
2. الروتور يدير المولد: يتم ربط الروتور بالمولد، الذي يُنتج الكهرباء. في بعض التوربينات، يتم ربط الروتور مباشرة بالمولد (في التوربينات ذات القيادة المباشرة)، بينما في البعض الآخر، يتم استخدام صندوق تروس لزيادة سرعة الدوران، مما يسهل على المولد توليد الكهرباء بشكل أكثر كفاءة. يتم تحويل الطاقة الميكانيكية (التي تنتجها الرياح) إلى طاقة كهربائية بواسطة المولد.

أنواع توربينات الرياح

يمكن تصنيف توربينات الرياح إلى نوعين رئيسيين بناءً على اتجاه الروتور وتصميمه:

1. توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT)
   • هذه هي النوع الأكثر شيوعًا، وهو النوع الذي يتخيله معظم الناس عند التفكير في توربينات الرياح.
   • عادةً ما تحتوي على ثلاثة شفرات وتعمل “مقابلة للرياح”، مما يعني أن الشفرات تواجه الرياح. يدور الروتور عند قمة البرج لضمان مواجهة الرياح.
2. توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT)
   • توربينات الرياح ذات المحور الرأسي أقل شيوعًا، ولكنها تزداد شعبية خاصة للتطبيقات الصغيرة.
   • أشهر نموذج هو “دارياس”، الذي يشبه شفراته خلاط البيض. هذه التوربينات تكون متعددة الاتجاهات، مما يعني أنها لا تحتاج إلى تعديل لتوجيهها نحو الرياح لتعمل.

أين يتم تركيب توربينات الرياح؟

يمكن تركيب توربينات الرياح على اليابسة أو في البحر، حسب نوعها وحجمها. كل نوع من التوربينات له مزاياه الفريدة.

1. توربينات الرياح البرية
   • تتراوح هذه التوربينات في الحجم من الصغيرة (100 كيلوواط) إلى الكبيرة (عدة ميغاواط).
   • تعتبر التوربينات الكبيرة أكثر فعالية من حيث التكلفة وغالبًا ما يتم تجميعها في مزارع الرياح، التي هي منشآت كبيرة تولد طاقة كهربائية للشبكة.
   • توجد التوربينات البرية في الغالب في المناطق التي تتمتع برياح قوية ومستقرة، مثل الغرب الأوسط في الولايات المتحدة أو شمال أوروبا.
2. توربينات الرياح البحرية
   • توربينات الرياح البحرية هي هياكل ضخمة، في بعض الأحيان أطول من تمثال الحرية، وتُركب في المسطحات المائية مثل المحيطات أو البحيرات الكبيرة.
   • يمكن لهذه التوربينات التقاط رياح أقوى وأكثر استقرارًا فوق البحار، مما يسمح لها بتوليد كميات هائلة من الكهرباء.
   • كما أن تركيب هذه التوربينات البحرية يتجنب التحديات المرتبطة بالنقل على الطرق البرية، حيث يمكن نقل المكونات عبر السفن بدلاً من الشاحنات.

الرياح الموزعة والنظم الهجينة

بالإضافة إلى مزارع الرياح الكبيرة المتصلة بالشبكة، هناك أيضًا تطبيقات أصغر حيث يتم استخدام توربينات الرياح مباشرة لتوليد الكهرباء في الموقع.

1. الرياح الموزعة
   • يشير مصطلح “الرياح الموزعة” إلى توربينات الرياح التي تُركب على جانب “العميل” من العداد الكهربائي أو مباشرة في المكان الذي سيتم استخدام الطاقة الناتجة عنه، مثل المنازل أو المزارع أو الشركات الصغيرة.
   • تستخدم التطبيقات الصغيرة، التي تكون عادة أقل من 100 كيلوواط، في هذه الحالات وغالبًا ما توجد في المناطق الريفية أو النائية.
   • يمكن أن تكون نظم الرياح الموزعة مستقلة أو متصلة بالشبكة لتزويد الطاقة عند الحاجة، مما يوفر مصدرًا محليًا للطاقة المتجددة.
2. النظم الهجينة
   • في بعض الحالات، يتم استخدام توربينات الرياح جنبًا إلى جنب مع مصادر طاقة أخرى، مثل الطاقة الشمسية أو مولدات الديزل أو البطاريات. هذه النظم الهجينة مثالية للمواقع التي لا تتصل بالشبكة أو الأماكن التي تعاني من انقطاع متكرر للطاقة.
   • توفر النظم الهجينة للطاقة الرياح مرونة الطاقة، خاصة في المناطق النائية أو التي تتعرض للكوارث، مما يضمن توفر الطاقة حتى في حالة انقطاع الشبكة الرئيسية.

مستقبل طاقة الرياح

تتقدم طاقة الرياح بسرعة من خلال الابتكارات التكنولوجية التي تواصل زيادة كفاءة وتكلفة التوربينات. سواء كانت توربينات بحرية ضخمة أو نظم ريحية موزعة صغيرة، تُعد طاقة الرياح جزءًا أساسيًا من مزيج الطاقة العالمي. ومع تقدم الدول والمجتمعات نحو مصادر الطاقة المتجددة، تلعب توربينات الرياح دورًا رئيسيًا في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري ومكافحة التغير المناخي.

سواء على اليابسة أو في البحر، يتم استغلال طاقة الرياح بطرق أكثر ابتكارًا، مما يخلق مستقبلاً أكثر نظافة واستدامة للطاقة.

تعمل توربينات الرياح على تحويل الحركة الطبيعية للرياح إلى كهرباء، باستخدام قوة الرفع الهوائي لتحريك الشفرات التي تدير الروتور، مما يولد الكهرباء. سواء كانت توربينات برية كبيرة، أو توربينات بحرية ضخمة، أو نظم ريحية موزعة صغيرة، فإن كل نوع من هذه التوربينات يساعد في تقليل الانبعاثات الكربونية وخلق مستقبل أكثر استدامة للطاقة. إن النمو المستمر والابتكار في طاقة الرياح يعد بمستقبل أكثر نظافة وكفاءة في إنتاج الطاقة.