طاقة الرياح هي طاقة كامنة عالية جدا يمكن تحويلها لأشكال متعددة للاستفادة منها. بداية من الإبحار ثم ضخ المياه ثم توليد الطاقة الكهربائية. في هذا الثريد سنركز على الطاقة الكهربية والأساسيات التي يجب فهمها.
يعتبر التوربين (المراوح) هو المكون واللاعب الأساس في تحويل طاقة الرياح إلى ميكانيكية ملموسة عن طريق تحريك هذه التوربينات لتستغل لاحقا في تحريك المولدات الكهربية. هذه التوربينات لها سمات ديناميكية خاصة لتتحرك وهي تقوم على مبدأ برنولي والذي ينص على أن ضغط السائل (ينطبق على الهواء)
يقل بازدياد سرعته في التدفق الأفقي لذلك السائل والعكس صحيح. ولذلك فإن تصميم التوربينات يتم بطريقة مشابهة لأجنحة الطائرات بحيث يضمن انسياب الهواء ببطء تحت الجناح ليسبب ضغط عالي ينتج عنه قوة رفع هائلة كما في الصورة
في التوربينات لو أخذنا مقطع عرضي كما في الصورة فإن السهم الأسود العريض هو اتجاه الرياح والخط الأسود المتقطع هو عرض التوربينةChord line. وبالتالي فإن هناك زاويتين مهمة يجب أخذها في الحسبان للاستفادة القصوى من قوة دفع الرياح وهما زاوية الهجومattack angle وزاوية التوربينPitch angle
والعلاقة بينهما هي كلما نقصت زاوية التوربين كلما زادت زاوية الهجوم وعليه عندما تكون زاوية التوربين صفر فإن زاوية الهجوم هي أكبر ما يمكن وبالتالي تصبح قوة الرفع أعلى من قوة السحب فيرتفع التوربين. لذلك هذه التوربينات يمكن التحكم بزواياها لصد قوة الرياح عندما يكون هناك رياح هائلة
لا يمكن للتوربين تحملها، سأتكلم لاحقا بالتفصل عن أوضاع التحكم المختلفة للتوربين. ولعمل ذلك تركب هذه التوربينات (غالبا 3 مراوح) في داخل إطارات تتحرك بواسطة محركات كهربائية للتحكم في زاوية التوربين Pitch angle كما في الصورة
أقصى طاقة ميكانيكية يمكن استخلاصها هي 59.3% من طاقة الرياح المتوفرة حسب ما توصل له بيتز أو مايعرف ب Betz Limt لأن التوربين لايمكنه تحمل أكثر من ذلك. وحسب قراءاتي أن أقصى ماتم التوصل إليه هو توربين يستخلص 55 % من طاقة الرياح
طاقة الرياح تعطى بالمعادلة الأولى في الصورة حيث Rhuهي كثافة الهواء و A هي مساحة التوربين إذا تحرك بشكل دائري و V هي سرعة الرياح، ولتحويل هذه الطاقة إلى ميكانيكية فاننا نضرب المعادلة السابقة في معامل الطاقة Cp كما في المعادلة الثانية
هذا Cp عبارة عن منحنى (كما في الصورة) يربط معامل الطاقة power coefficient مع lambda ويحسب بطريقة لا يتسع المجال للتفصيل فيها، وإنما المهم هو قمة هذا المنحنى هي أعلى نسبة يمكن استخلاصها من طاقة الرياح. سأخصص ثريد مستقل للحديث عن التحكم في التوربين لانتاج أقصى طاقة ممكنة
بعد ذلك يربط عمود بين التوربين والمولد يمر ب gear box لرفع سرعة دوران المحرك. الطاقة الكهربية هي نفسها الميكانيكية إذا كانت كفاءة المولد 100% ولكن في الغالب صعب الحصول على ذلك. ولذلك نضرب الطاقة الميكانيكية بكفاءة المولد Telda كما في المعادلة رقم3
هذه صورة رسمتها لتوضح التشريح الداخلي للتوربين والتحويلات بين أنواع الطاقة المختلفة والأدوات المستخدمة في ذلك.. في هذه الرسمة بعض الرموز سأتحدث عنها لاحقا باذن الله
وبذلك نكون قد حولنا طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية، ويتبقى أن نعرف كيف يمكن التحكم بالتوربين ولماذا نتحكم به وماهي الأدوات والدوائر الالكترونية المستخدمة في ذلك ولعلها في التغريدات القادمة باذن الله.
جاري تحميل الاقتراحات...