توربينات الرياح (Wind Turbines)

أصبح العالم اليوم يتجه للاستفادة بأكبر كمية من الطاقة المتجددة النظيفة الخالية من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وغيرها من الغازات الضارة بالبيئة, وأهمها الطاقة الشمسية والريحية.

سوف نتحث اليوم عن توربينات الرياح (Wind Turbine) التي تشغل الطاقة الريحية.

توربينات الرياح (Wind Turbines) هي توربينات تعمل فقط على طاقة الرياح حيث تقوم بتحويل طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية ومن ثم إلى طاقة كهربائية ولها تصميم خاص يساعد على التعامل والاستفادة من الرياح إلى جانب تصميم الشفرات وأنظمة التحكم الموجودة بداخلها.
أنواعها
يمكن تقسيم توربينات الرياح بأكثر من طريقة منها ما يلي:
أولا: محور الدوران :
1- محور الدوران العامودي (Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)) ومكوناتها أقل من مكونات النوع الآخر كما هو مبين بالصورة 

2- محور الدوران الأفقي (Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)) والموجودة بالصورة (1) وهي الأفضل أداء والأكثر استخداما وانتشارا خصوصا في محطات توليد الطاقة.

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 التالية

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 .

سيتم ايضاح المفهومين أكثر عندما نتحدث عن مرحلة توليد الكهرباء في توربينات الرياح.
مكونات
يتم تكوين توربينة الرياح بمكونات وأجزاء معينة والموجودة بالصورة (3) ودور كل مكون وجزء منها كما يلي:

1. rotor (العضو الدوار) :ويسمى كذلك بمحور العضو الدوار (Rotor Hub) والذي يمثل العضو الدوار بالتوربينة.
2. blades (الأجنحة) : وبها يتم استقبال طاقة الرياح لتدوير التوربينة وكما نلاحظ أن تصميمها كتصميم أجنحة الطائرة وذلك لإنتاج قوة رفع (Lift Force) مناسبة لتدوير التوربينة وتخفيف قوة السحب (Drag Force)
3. brake (المكابح) : وهو نظام موجود بتوربينة الرياح وظيفته فرملة التوربينة في حالات معينة وغالبا تكون في الحالات الخطيرة كحالة تجاوز سرعة الرياح سرعة (Cut out) والتي قد تسبب في تدمير التوربينة في حال إن لم تعمل المكابح.
4. yaw motor (محرك الانعراج) : هو عبارة عن محرك يتم استعماله في توربينة الرياح وهو مزود بنظام لتوجيه الحاوية(nacelle) حسب اتجاه الرياح التي تهب على التوربينة.
5. yaw drive : وهو المسؤول عن التحكم بمحرك الانعراج حيث أنها تعمل على الاستفادة بأكبر قدر من الرياح لإنتاج أقصى قدر من الطاقة.
6. gearbox (صندوق التروس) : ووظيفة صندوق التروس بشكل عام هي إما زيادة السرعة وتقليل العزم أو زيادة العزم وتقليل السرعة كما في السيارة، وفي توربينة الرياح وظيفتها هي زيادة سرعة الدوران ليتناسب مع السرعة المطلوبة للمولد الكهربائي.
7. anemometer : وهو عبارة عن حساس يقوم بقياس سرعة الرياح لإرساله إلى المتحكم.
8. generator (المولد الكهربائي): ووظيفته تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية وله عدة أنواع أشهرها المولد الحثي ثنائي التغذية (Doubly Fed Induction Generator (DFIG)) .
9. nacelle (الحاوية): وهي عبارة عن حاوية موجودة بأعلى التوربينة تقوم بتغطية واحتواء أغلب مكونات التوربينة.
10. Tower (البرج): ووظيفته هي رفع التوربينات إلى ارتفاع معين وكلما زاد الارتفاع زاد معها القدرة الناتجة منها ، إلى جانب قيامها بحمل الكابلات .

مبدأ العمل

يمكننا تقسيم مبدأ عمل توربينات الرياح إلى ثلاثة مراحل:

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

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.
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)

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
وبالرجوع إلى المعادلة رقم (١) وتعويض dm/dt بالمعادلة رقم (٢) سنحصل على قانون طاققة الرياح الشهير وهو كالآتي :

P(Wind) =0.5*rho*A*V^3