رتبها

أحد أشهر أنواع الطاقة المتجددة والتي من الممكن الاستفادة منها هي طاقة الرياح ، وليتم ذلك نحتاج إلى معدة تقوم بتحويل طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية وذلك عن طريق استعمال توربينة الرياح (Wind Turbine)، دعونا نتعرف على هذه المعدة المميزة ومبدأ عملها بشكل عام.
#هندسة_كهربائية

توربينات الرياح (Wind Turbines) من الاسم يتضح لنا أنها توربينات تعمل فقط على طاقة الرياح حيث تقوم بتحويل طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية ومن ثم إلى كهربائية ولها تصميم خاص يساعد على التعامل والاستفادة من الرياح كما هو مبين بالصورة أدناه إلى جانب وجود أنظمة التحكم بداخلها.

أنواع
يمكن تقسيم توربينات الرياح بأكثر من طريقة منها ما يلي:
أولا: محور الدوران :
1- محور الدوران العامودي (Vertical Axis Wind Turbine (VAWT))
2- محور الدوران الأفقي (Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT))
وكلا النوعين موجودين بالصورة أدناه

ثانيا: اتجاه الرياح:
1- ضد اتجاه الرياح (upward)
2- مع اتجاه الرياح (downward)
والفرق بين النوعين هو في اتجاه العضو الدوار للتوربينة والتي تقوم باستقبال الرياح كما هو مبين بالصورة أدناه.

ثالثا: تنظيم السرعة:
1- سرعة ثابتة (Fixed Speed)
أي أن المولد الكهربائي الخاص بالتوربينة يعمل فقط على سرعة رياح ثابتة.
2- سرعة متغيرة (Variable Speed)
أي أن المولد الكهربائي الخاص بالتوربينة يعمل على سرعة رياح متغيرة .

•مكونات
سبق أن تحدثنا عن مكونات توربينة الرياح بالتفصيل هنا

•مبدأ العمل
يمكننا تقسيم مبدأ عمل توربينات الرياح إلى ثلاثة مراحل:
الأولى: استقبال التوربينة لطاقة الرياح
الثانية : تحول طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية
الثالثة :تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية
وسنتحدث هنا عن المرحلة الأولى فقط ونترك المراحل الأخرى لتغريدات مستقلة.

المرحلة الأولى: استقبال التوربينة لطاقة الرياح
عندما تبدأ الرياح بالهبوب باتجاه التوربينة سيؤدي ذلك إلى اكتسابها طاقة حركية ، ويتم التعبير عن الطاقة الحركية بالقانون التالي :
KE=0.5*m*V^2
يتبع

حيث أن :
KE:الطاقة الحركية (Kinetic Energy) ويقصد بها هنا الطاقة الحركية للرياح.
m: الكتلة ويقصد بها هنا كتلة الهواء.
V:السرعة ونقصد بها هنا سرعة الرياح.
كما هو مبين بالصورة أدناه .

وكما هو معروف أن القدرة (Power) عبارة عن معدل تغير الطاقة، أي بمعنى آخر مشتقة الطاقة بالنسبة للزمن، والمتغير الذي سيتم اشتقاقه هو الكتلة لتصبح كالآتي :
P=dKE/dt =0.5*V^2*(dm/dt) (1)
يتبع

وتسمى مقدار تغير الكتلة بالنسبة إلى الزمن بمعدل تدفق الكتلة (mass flow rate) ويرمز لها بالرمز m’ وتعطى بالقانون التالي :
m’= rho *A*V (2)
حيث أن :
rho:كثافة الهواء
A: المساحة
V:السرعة
يتبع

وبالرجوع إلى المعادلة رقم (١) وتعويض dm/dt بالمعادلة رقم (٢) سنحصل على قانون طاقة الرياح الشهير وهو كالآتي :
P(Wind) =0.5*rho*A*V^3

مصطلح هام
معدل تدفق الكتلة (Mass Flow Rate): هو معدل تغير كتلة المائع (السائل أو الغاز) التي تمر في وحدة زمنية ، بمعنى آخر معدل حركة المائع الذي يمر عبر مساحة واحدة ، وتعتمد على كثافة المائع و سرعته و المساحة التي سيمر من خلالها.
يتبع

ولها مبدأ أساسي وهو مبدأ حفظ الكتلة (معادلة الاستمرارية (Continuity Equation)) وهو أن قيمة معدل تدفق الكتلة عند مرورها من طرف ما يجب أن تكون نفسها عند خروجها من الطرف الآخر مع تغير المساحة والسرعة وثبات كثافة المائع للطرفين كما هو مبين بالصورة أدناه.