كيف تعمل توربينات الرياح؟

Send

ربما رأيتهم أثناء القيادة عبر الريف. أو ربما رأيتهم قبالة الساحل مباشرة ، تلوح في الأفق بشكل كبير مع شفراتهم الدوارة. ثم مرة أخرى ، ربما رأيتها على سطح شخص ما ، أو كجزء من عملية حضرية صغيرة. بغض النظر عن الموقع ، أصبحت توربينات الرياح وطاقة الرياح سمة مشتركة بشكل متزايد في العالم الحديث.

يتعلق الكثير من هذا بخطر تغير المناخ ، وتلوث الهواء ، والرغبة في فطم البشرية عن اعتمادها على الوقود الأحفوري. وعندما يتعلق الأمر بالطاقة البديلة والمتجددة ، فمن المتوقع أن تحتل طاقة الرياح ثاني أكبر حصة في السوق في المستقبل (بعد الطاقة الشمسية). ولكن كيف تعمل توربينات الرياح بالضبط؟

وصف:

التوربينات الهوائية هي الأجهزة التي تحول الطاقة الحركية للرياح والتغيرات في تدفق الهواء إلى طاقة كهربائية. بشكل عام ، تتكون من المكونات التالية: الدوار ، والمولد ، ومكون الدعم الهيكلي (الذي يمكن أن يأخذ شكل برج أو آلية انحراف الدوار أو كليهما).

يتكون الدوار من الشفرات التي تلتقط طاقة الرياح وعمودها ، مما يحول طاقة الرياح إلى طاقة دوران منخفضة السرعة. يقوم المولد - المرتبط بالعمود - بتحويل الدوران البطيء إلى طاقة كهربائية عالية باستخدام سلسلة من المغناطيس والموصل (الذي يتكون عادة من سلك نحاسي ملفوف).

عندما يدور المغناطيس حول السلك النحاسي ، فإنه ينتج فرقًا في الجهد الكهربائي ، مما يولد الجهد والتيار الكهربائي. أخيرًا ، هناك عنصر الدعم الهيكلي ، والذي يضمن أن التوربين إما يقف على ارتفاعات عالية بما يكفي لالتقاط التغييرات في ضغط الرياح على النحو الأمثل ، و / أو مواجهة اتجاه تدفق الرياح.

أنواع التوربينات الهوائية:

في الوقت الحاضر ، هناك نوعان رئيسيان من توربينات الرياح - توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT) وتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT). كما يوحي الاسم ، تحتوي توربينات الرياح الأفقية على عمود دوار رئيسي ومولد كهربائي في أعلى البرج ، مع توجيه الشفرات إلى الريح. عادة ما يتم وضع التوربين في اتجاه عكس البرج الداعم ، حيث من المرجح أن ينتج البرج اضطرابًا خلفه.

توربينات المحور الرأسي (مرة أخرى ، كما يوحي الاسم) لها ترتيب المحور الرئيسي عموديا. عادة ما تكون هذه أصغر في الطبيعة ، ولا تحتاج إلى الإشارة في اتجاه الرياح من أجل الدوران. وبذلك تكون قادرة على الاستفادة من الرياح المتغيرة من حيث الاتجاه.

بشكل عام ، تعتبر توربينات الرياح ذات المحور الأفقي أكثر كفاءة ويمكن أن تنتج المزيد من الطاقة. في حين أن النموذج العمودي يولد كهرباء أقل ، إلا أنه يمكن وضعه على ارتفاعات منخفضة ويحتاج إلى مكونات أقل (خاصة آلية الانحراف). يمكن أيضًا تقسيم توربينات الرياح إلى ثلاث مجموعات عامة استنادًا إلى تصميمها ، والتي تشمل نماذج Towered و Savonius و Darrieus.

النموذج المبسط هو الشكل الأكثر تقليدية من HAWT ، ويتكون من برج (كما يوحي الاسم) وسلسلة من الشفرات الطويلة التي تسبق (وتوازي) البرج. Savonis هو نموذج VAWT يعتمد على الشفرات الكنتورية (المجارف) لالتقاط الرياح والدوران. وهي ذات كفاءة منخفضة بشكل عام ، ولكنها تتمتع بميزة البدء الذاتي. غالبًا ما تكون هذه الأنواع من التوربينات جزءًا من عمليات الرياح على السطح أو مثبتة على السفن البحرية.

تم تسمية طراز داريوس ، المعروف أيضًا باسم توربين "Eggbeater" ، على اسم المخترع الفرنسي الرائد في التصميم - جورج داريوس. يستخدم نموذج VAWT سلسلة من الشفرات العمودية التي تتوازى مع الدعم الرأسي. وهي ذات كفاءة منخفضة بشكل عام ، وتتطلب دوارًا إضافيًا لبدء الدوران ، وإنتاج عزم دوران عالٍ ، والضغط العالي على البرج. وبالتالي ، تعتبر غير موثوقة مع استمرار التصاميم.

تاريخ التنمية:

تم استخدام طاقة الرياح منذ آلاف السنين لدفع الأشرعة أو طواحين الهواء أو لتوليد ضغط لمضخات المياه. تأتي أقدم الأمثلة المعروفة من آسيا الوسطى ، حيث يرجع تاريخ طواحين الهواء المستخدمة في بلاد فارس القديمة (إيران) إلى ما بين 500-900 م. بدأت التكنولوجيا في الظهور في أوروبا خلال العصور الوسطى ، وأصبحت سمة مشتركة بحلول القرن السادس عشر.

بحلول القرن التاسع عشر ، مع تطور الطاقة الكهربائية ، تم بناء أول توربينات رياح قادرة على توليد الكهرباء. تم تثبيت الأول في عام 1887 من قبل الأكاديمي الاسكتلندي جيمس بليث لإضاءة منزل عطلته في ماريكيرك ، اسكتلندا. في عام 1888 ، قام المخترع الأمريكي تشارلز ف. بروش ببناء أول توربين رياح آلي لتشغيل منزله في كليفلاند ، أوهايو.

بحلول أوائل القرن العشرين ، بدأت توربينات الرياح في أن تصبح وسيلة شائعة لتشغيل المنازل في المناطق النائية (مثل مزارع المزارع). في عام 1941 ، تم تركيب أول توربين رياح من فئة ميجاوات في ولاية فيرمونت وإرفاقه بشبكة المرافق المحلية. في عام 1951 ، قامت المملكة المتحدة بتركيب أول توربين رياح متصل بشبكة مرافق في جزر أوركني.

بحلول السبعينيات ، تقدم البحث والتطوير في تكنولوجيا توربينات الرياح بشكل ملحوظ بفضل أزمة أوبك والاحتجاجات ضد الطاقة النووية. في العقود التي تلت ذلك ، بدأت الجمعيات وجماعات الضغط المكرسة للطاقة البديلة في الظهور في دول أوروبا الغربية والولايات المتحدة. بحلول العقد الأخير من القرن العشرين ، ظهرت جهود مماثلة في الهند والصين بسبب زيادة تلوث الهواء وزيادة الطلب على الطاقة النظيفة.

قوة الرياح:

بالمقارنة مع الأشكال الأخرى للطاقة المتجددة ، تعتبر طاقة الرياح موثوقة وثابتة للغاية ، حيث أن الرياح ثابتة من سنة إلى أخرى ولا تتناقص خلال ساعات الذروة من الطلب. في البداية ، كان بناء مزارع الرياح مشروعًا مكلفًا. ولكن بفضل التحسينات الأخيرة ، بدأت طاقة الرياح في تحديد أسعار الذروة في أسواق الطاقة بالجملة في جميع أنحاء العالم وخفض عائدات وأرباح صناعة الوقود الأحفوري.

وفقًا لتقرير صادر عن وزارة الطاقة في مارس من عام 2015 ، يمكن أن يؤدي نمو طاقة الرياح في الولايات المتحدة إلى وظائف أكثر مهارة في العديد من الفئات. تحت عنوان "Wind Vision: A New New for Wind Power in the United States" ، تشير الوثيقة إلى أنه بحلول عام 2050 ، يمكن أن تمثل الصناعة ما يصل إلى 35 ٪ من إنتاج الكهرباء في الولايات المتحدة.

بالإضافة إلى ذلك ، في عام 2014 ، اجتمع مجلس طاقة الرياح العالمي ومنظمة السلام الأخضر الدولية لنشر تقرير بعنوان "توقعات طاقة الرياح العالمية 2014". وذكر هذا التقرير أن طاقة الرياح في جميع أنحاء العالم يمكن أن توفر ما يصل إلى 25 إلى 30 ٪ من الكهرباء العالمية بحلول عام 2050. في وقت كتابة هذا التقرير ، كانت المنشآت التجارية في أكثر من 90 دولة بسعة إجمالية تبلغ 318 جيجاوات (GW) ، مما يوفر حوالي 3.1٪ من المعروض العالمي.

ويمثل هذا زيادة تقارب ستة عشر مرة في معدل التبني منذ عام 2000 ، عندما شكلت طاقة الرياح أقل من 0.2٪. هناك طريقة أخرى للنظر إليها وهي القول بأن حصة السوق من طاقة الرياح تضاعفت أربع مرات في أقل من 15 عامًا. وهذا يضعها في المرتبة الثانية بعد الطاقة الشمسية ، التي تضاعفت سبع مرات في نفس الفترة ، لكنها لا تزال تتخلف عن الرياح من حيث حصتها السوقية الإجمالية (عند حوالي 1 ٪ بحلول عام 2014).

من حيث عيوبها ، فإن إحدى القضايا المثارة باستمرار هي تأثير توربينات الرياح على الحياة البرية المحلية ، والاضطراب الذي يحدثه وجودها على المناظر الطبيعية المحلية. ومع ذلك ، غالبًا ما ثبت أن هذه المخاوف مبالغ فيها من قبل مجموعات المصالح الخاصة وجماعات الضغط التي تسعى إلى تشويه سمعة طاقة الرياح ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى.

على سبيل المثال ، حددت دراسة أجريت عام 2009 من قبل المختبر الوطني للطاقة المتجددة أن أقل من 1 فدان لكل ميغاواط يتم إزعاجه بشكل دائم من خلال إنشاء مزارع رياح واسعة النطاق ، وأقل من 3.5 فدان لكل ميغاواط يتم إزعاجه مؤقتًا. وخلصت الدراسة نفسها إلى أن التأثيرات منخفضة نسبيًا على الحياة البرية للطيور والخفافيش ، وأن الاستنتاجات نفسها تنطبق على المنصات البحرية.

في جميع أنحاء العالم ، تتطلع الحكومات والمجتمعات المحلية إلى طاقة الرياح لتلبية احتياجاتها من الطاقة. في عصر ارتفاع أسعار الوقود ، والمخاوف المتزايدة بشأن تغير المناخ ، وتحسين التكنولوجيا ، هذا ليس من المستغرب. بمعدله الحالي لاعتماده ، من المرجح أن يكون أحد أكبر مصادر الطاقة بحلول منتصف القرن.

واحرص على الاستمتاع بهذا الفيديو حول توربينات الرياح ، من باب المجاملة مركز لويس للأبحاث التابع لناسا:

لقد كتبنا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول توربينات الرياح وطاقة الرياح هنا في مجلة الفضاء. إليك ما هي الطاقة البديلة ؟، ما هي أنواع الوقود الأحفوري ؟، ما هي الأنواع المختلفة للطاقة المتجددة؟ ، طاقة الرياح على المحيط (بمساعدة من الفضاء) ، وهل يمكن للعالم أن يعمل بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح؟

لمزيد من المعلومات ، راجع مقالة How Stuff Works حول تاريخ وميكانيكا طاقة الرياح وصفحة غرين سبيس التابعة لوكالة ناسا.

يحتوي Cast Astronomy Cast أيضًا على بعض الحلقات ذات الصلة بالموضوع. إليك الحلقة 51: الأرض والحلقة 308: تغير المناخ.

مصادر: