طاقة الريــاح

استخدمت طاقة الرياح منذ آلاف السنيين في دفع المراكب على سطح الماء وفي طحن الحبوب والري وفي ضخ المياه إلى جانب بعض التطبيقات الميكانيكية الأخرى. وتشير المراجع العلمية والمخطوطات التاريخية إلى أن الفُرس هم أول من استخدم طاقة الرياح في إدارة الطواحين لطحن الحبوب وضخ المياه. منذ القرن الثاني عشر انتشرت طواحين الرياح "Wind Mills" في أوربا حتى وصل عددها في عام 1750 إلى أكثر من 8000 طاحونة في هولندا وأكثر من 10.000 طاحونة في إنجلترا، كان الغرض الرئيسي لعملها هو ضخ المياه من المناطق المنخفضة إلي مناطق الزراعات العالية أو إدارة أحجار الطحن "الرحى" لطحن حبوب القمح والذُرة وغيرها.

تتولد الرياح نتيجة لامتصاص أسطح الأرض والبحار والمحيطات لأشعة الشمس بنسب متفاوتة. فعند سقوط أشعة الشمس على سطح ما يتأثر الغلاف الجوي ويسخن الهواء مما يؤدي إلى انخفاض كثافته، وهو عكس ما يحدث في المناطق التي ينخفض فيها مقدار الإشعاع الشمسي، وتبعا لذلك ينتقل الهواء من منطقة الضغط المرتفع، حيث يقل الإشعاع الشمسي، إلى منطقة الضغط المنخفض، حيث الإشعاع الشمسي الأكثر- وهو ما يؤدي إلى نشوء الرياح.

تراجع الاعتماد على طواحين الرياح بعد اختراع "جيمس وات James Watt"^(*) للآلة البخارية في نهاية القرن الثامن عشر. ثم عاد الاهتمام بها كأحد مصادر الطاقة النظيفة بعد ارتفاع أسعار النفط وظهور مشاكل بيئية ناتجة عن حرق الوقود الإحفوري، ووصلت تكنولوجيا تصنيع توربينات الرياح في العشرين عاما الأخيرة مستوي عاليا من النضج ظهر في جودة وكفاءة التوربينات إلى جانب انخفاض تكلفة الإنتاج، وقد وجد أن طاقة الرياح تمتلك إمكانية توليد قدرات كبيرة من الطاقة من دون التعرض لمشاكل التلوث التي تُحدثها المصادر التقليدية.

واليوم تستخدم طاقة الرياح في توليد الكهرباء، عن طريق تحويل طاقة الحركة الموجودة في الرياح إلى طاقة كهربية، وتُسمى الماكينات التي تعمل في توليد الكهرباء توربينات الرياح بخلاف تلك المستخدمة في طحن الحبوب والتي يطلق عليها طواحين الرياح.

تُثبت التوربينات على أبراج تُصنع من الحديد المعالج يستطيع أن يتحمل مكونات التوربينة والتي يصل وزنها إلى قرابة الثلاثين طن، ويمكن أن تختلف ارتفاعات الأبراج لنفس طراز التوربينة مما يؤدي للحصول على طاقة أكبر من التوربينات ذات الأبراج العالية، نظرا لزيادة سرعة الريح مع زيادة ارتفاع التوربينة ولكون الطاقة الناتجة من التوربينة تتناسب مع مكعب سرعة الرياح.

ومن المتعارف عليه أن سرعة الرياح تتناسب طرديا مع الارتفاع، فكلما ارتفعنا عن سطح الأرض كلما زادت سرعة الرياح، ويستمر التغير في سرعة الريح مع الارتفاع حتى مستوى 2000 متر عن سطح البحر، بعدها لا يحدث تغير في سرعة الريح.

تتلخص فكرة إنتاج الطاقة الكهربية من توربينات الرياح على النحو التالي، تعمل الطاقة الحركية للرياح على إدارة الريش المثبتة على التوربينة، وكما هو مبين بشكل رقم (1) نجد أن ريش التوربينة مثبتة على صُرة "Hub" ترتكز على عمود الدوارن الرئيسي الموصل بصندوق سرعات "Gearbox" يتولى رفع سرعة الدوران، ثم تنتقل الحركة إلى عمود الدوران السريع "High Speed Shaft" فيقطع بدورانه مجال مغناطيس داخل مولد، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء. وبالتالي يمكننا الاعتماد على توربينة رياح صغيرة كتلك المبينة في شكل رقم (2)  لإنارة منزل أو مدرسة. أما إذا ارتفعت سرعة الرياح فإن الفرامل "Brakes" تمنع الريش من الدوران مخافة أن يؤدي دورانها بسرعة عالية إلى تحطمها وتكسير الأجزاء الدّوارة، وتُعَرف السرعة العالية في التوربينة بأنها الأعلى من 25 متر/ثانية. ولضمان توجيه ريش التوربينات نحو اتجاه الريح، يوجد نظام توجيه خاص بالتوربينة يعمل على توجيه التوربينة في اتجاه الرياح، وتوجد توربينات رياح تستخدم نظام توجيه واحد يمين و يسار.

تختلف قدرات التوربينات حسب تصميمها فمثلا توجد توربينة قدرة  300 كيلووات، ولتوضيح معني "قدرة التوربينة" فسوف نضرب المثال التالي، إذا أضأنا عشرة لمبات قدرة الواحدة 100 وات فإننا نحصل على 1000 وات أي واحد كيلووات، وهو ما يعني أن التوربينة الـ300 كيلو وات تكفي لإضاءة 3000لمبة قدرة الواحدة 100 كيلو وات، وقد بلغت قدرات التوربينات في الوقت الراهن حوالي 5000 كيلووات إلا أن استخدامها مازال على نطاق ضيق.

يطلق على توربينات الرياح التي تعمل في مكان واحد اسم مزرعة رياح "Wind Farm"، وفي مصر يوجد العديد من هذه المزارع التي تختلف قدراتها وطرازاتها، وتعد منطقة الزعفرانة بالبحر الأحمر أحد أهم المناطق التي تضم العديد من مزارع الرياح والمتوقع أن تستوعب مزارع أخرى. ونظرا للتأثير المهم لسرعة الرياح على الطاقة المتولدة فإن بعضا من هذه المزارع تقام داخل المياه ويطلق عليها المزارع البحرية "Off-Shore Wind Farm"، أما تلك التي تقام على اليابسة فتسمى المزارع الشاطئية "On-Shore Wind Farm".

_______________________________