طاقة الرياح ومدى مساهمتها في تجهيز الطاقة الكهربائية كطاقة نظيفة

طاقة الرياح هي طاقة مستخرجة من الطاقة الحركية للرياح بواسطة استخدام عنفات الرياح لإنتاج الطاقةىالكهربائية، وهي تعتبر من أنواع الطاقة الكهروميكانيكية. تعد طاقة الرياح أحد أنواع الطاقة المتجددة التي انتشر استخدامها كبديل للوقود الأحفوري، وهي طاقة وغيرة وقابلة للتجدد وتوجد بعموم المناطق، إلا أن وفرتها تختلف من موقع إلى آخر. وهي طاقة نظيفة متجددة لا ينتج عنها انبعاثات كمثل الغازات الدفينة (غازات الاحتباس الحراري أثناء التشغيل، وهي تحتاج إلى مساحات متفاوتة على حسب حجم المحطة ونوع الأبراج المستخدمة لا ينصح بوضع عنفات الهواء في المناطق الحضرية بسبب وجود عوائق تمنع الاستفادة من سرعات الرياح الجيدة، إلا أنها مجدية في المناطق الريفية نظرا لاتساع المساحات وقلى المباني وأثرها على البيئة عادة ما يكون أقل إشكالية من مصادر الطاقة الأخرى. ورغم إنتاجها الوافر بالمناطق ذات سرعات الرياح العالية إلا أن أحد عيوبها على نطاق المرافق هو أن ذروة إنتاجها لا يتوافق بالعادة مع ذروة الاستهلاك مما لا يسهم في تقليل العبء على محطات أنتاج الكهرباء التقليدية أثناء ذروة الاستهلاك. أما على نطاق المنازل، فإن أكبر عيوبها أن الإنتاج من عنفات الرياح لا يحمل صفة الديمومة، ولتفادي ذلك يمكن الاستفادة من الإنتاج عن طريق ربطها بشكل مباشر بالشبكة العمومية للكهرباء أو تركيب بطاريات لتخزين تلك الطاقة والاستفادة منها. طوال اليوم. وبالعادة في الأنظمة الكهربائية خارج الشبكة (off-grid) على نطاق المنازل لا يتم استخدام طاقة الرياح منفردة دون وجود مصادر أخرى من أنواع الطاقة المتجددة كالطاقة الضوئية مثلا، حتى يدعم كلاهما الآخر ويزيد من موثوقة إنتاج الكهرباء.

تتألف مزارع الرياح الكبيرة من المئات من عنفات الرياح الفردية التي ترتبط بشبكة لنقل الطاقة الكهربائية. طاقة الرياح البرية مصدر غير مكلف وتنافسي؛ فهو أرخص من محطات الفحم أو الغاز أو الوقود  الأحفوري . أما الرياح البحرية فهي الأكثر ثباتاً وأشد من الرياح البرية، ولكن مزارع الرياح البحرية لها تكاليف بناء وصيانة مرتفعة عن المزارع العادية. ويمكن لمزارع الرياح البرية صغيرة أن توفر الكهرباء المواقع معزولة خارج نطاق الشبكة الكهربائية بحسب إحصاءات عام 2013، فإن الدنمارك هي أكثر دول العالم استخداماً لطاقة الرياح، فهي تولد أكثر من ثلث احتياجاتها من الكهرباء من الرياح . كذلك 83 بلداً في أنحاء العالم تستخدم طاقة الرياح لتعزيز شبكات الكهرباء لديها قدرة طاقة الرياح توسعت بسرعة إلى 336 غيغاوات في يونيو 2014، لذلك إنتاج طاقة الرياح سجل حوالي 4% من إجمالي استهلاك الكهرباء في أنحاء العالم، وهذه النسبة في زيادة مستمرة أول طاحونة هوائية استخدمت لإنتاج الكهرباء بنيت في اسكتلندا في يوليو 1887 من قبل البروفيسور جيمس بليث الأستاذ بكلية اندرسون في غلاسغو. فقد ثبت العنفات على ارتفاع 10 أمتار في حديقة منزل عطلاته في ماريكيرك، وكان يستخدم لشحن البطاريات التي طورها الفرنسي كاميل ألفونس فور لتشغيل الإضاءة في الكوخ، مما يجعل من أول بيت في العالم أضيء بالكهرباء الموردة من طاقة الرياح عرض بليث الكهرباء الفائض لسكان ماريكيرك لإضاءة الشارع الرئيسي، إلا أنهم رفضوا العرض لاعتقادهم أن الكهرباء من عمل الشيطان على الرغم من أنه بني في وقت لاحق عنفات للرياح لتوفير الطاقة في حالات الطوارئ في حالات اللجوء المحلي والخدمة العيادات والمستوصف؛ إلا أن اختراعه لم يعمل بشكل موسع خاصة أنه مكلف اقتصادياً .

في كليفلاند بولاية أوهايو في الولايات المتحدة الأمريكية، صُممت آلة أكبر بكثير، فقد تم تصميمها هندسياً وبناؤها في شتاء 1887-1888 من قبل تشارلز برش وقد بني هذا عن طريق شركة هندسية في منزله وشغلها بين عامي 1886 و 1900. كان قطر عنفات الرياح الدوارة 17 متر (56) قدم) وركبه على برج ارتفاعه 18 متر (60) قدم). وعلى الرغم أنها مقاييس كبيرة بالنسبة للمقاييس الحالية، ألا أنها أنتجت فقط 12 كيلوواط. تم استخدام دينمو مرتبط, إما لتوجيه الطاقة للبطاريات أو لتشغيل ما يصل إلى 100 مصباح متوهج الضوء وثلاثة مصابيح قوس ومختلف المحركات في المختبر الخاص بتشارلز برش مع تطور الطاقة الكهربائية وجدت طاقة الرياح تطبيقات جديدة في إضاءة المباني البعيدة عن محطات الطاقة المركزية طوال القرن العشرين وضعت محطات الرياح الصغيرة مسارات متوازية مناسبة للمزارع أو المساكن، ومولدات الرياح التي أصبحت ذات فائدة أكبر يمكن أن ترتبط بشبكات الكهرباء لاستخدامها عن بعد. مولدات الرياح اليوم تعمل على عدة أشكال، ما بين صغيرة الحجم في محطات صغيرة لشحن بطاريات في مساكن معزولة، أول محطات تنتج بالجيجا واط كمزارع الرياح البحرية التي توفر الكهرباء لشبكات الكهرباء المحلية.

مزارع الرياح

مزرعة الرياح هي مجموعة من عنفات الرياح في مكان واحد تستخدم في إنتاج الكهرباء. قد تتكون مزرعة الرياح الكبيرة من عدة مئات من عنفات الرياح الفردية الموزعة على مساحة ممتدة، ولكن الأرض بين الزعنفات
قد تستخدم لأغراض زراعية أو غيرها . تقريباً كل عنفات الرياح الكبيرة لها نفس التصميم، فعنفات الرياح بها المحور الأفقي الدوار بثلاث شفرات موجه عكس اتجاه الريح، تعلق على هيكل محرك على قمة برج أنبوبي طويل.

طاقة الرياح البحرية

يشير مصطلح طاقة الرياح البحرية إلى بناء مزارع الرياح في وسط مسطحات مائية كبيرة لتوليد الكهرباء. ويمكن لهذه المنشآت الاستفادة من الرياح الأكثر تواتراً والرياح القوية التي تتوفر في هذه المواقع. رغم فوائدها إلا أنها تتكلف تكاليف عالية في البناء والصيانة شركتي سيمنز وفيستاس هما أكبر موردي عنفات الرياح البحرية. كذلك دونغ إنرجي وفاتينفول وإي أون من الرواد في هذا المجال. اعتباراً من أكتوبر 2010، كان هناك حوالي 3.16 غيغاواط منتجة إجمالياً من طاقة الرياح البحرية، خاصة في شمال أوروبا. وفي نهاية 2014 تم تشغيل أكثر من 16 غيغاواط كقدرة إضافية بما جعل المملكة المتحدة وألمانيا من الأسواق الرائدة. ومن المتوقع ازدياد الاعتماد على طاقة الرياح البحرية لتصل إلى ما مجموعه 75 غيغاواط في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2020، بمساهمات كبيرة متوقعة من الصين والولايات المتحدة في نهاية عام 2012، تم تركيب 1,662 زعنفة في 55 مزرعة رياح بحرية في 10 دول أوروبية تولد مجتمعة 18 تيراواط ساعة، أي أ طاقة إلى ما يقرب من خمسة ملايين أسرة اعتباراً من شهر أغسطس عام 2013، فإن مزرعة مصفوفة لندن المملكة المتحدة هي أكبر مزرعة رياح بحرية في العالم بقدرة 630 ميغاواط يتبعها مزرعة رياح غابارد الكبرى بالمملكة المتحدة أيضاً بقدرة 504 ميغاواط كذلك يتم إنشاء مزرعة رياح البحر في ويلز بالمملكة المتحدة بقدرة 576 ميغاواط؛ وهي حالياً في المراحل النهائية للإنشاء و من المتوقع إنهائها نهاية عام 2015.

مواصفات المولدات واستقرارها

ان مولدات الحث، التي كانت تستخدم غالبا في مشاريع طاقة الرياح خلال الثمانينيات والتسعينيات من القرن العشرين، تتطلب طاقة متفاعلة من أجل الإثارة، لذلك تتضمن المحطات الفرعية المستخدمة في أنظمة تجميع طاقة الرياح مخازن تكثيف ضخمة ومتينة من أجل تصحيح معامل القدرة. ويختلف السلوك الذي تسلكه مولدات محركات الربح الدوارة خلال الاضطرابات التي تطرأ على الشبكة الناقلة وفقا لأنماطها المختلفة، لذلك تتطلب مشغلات أنظمة النقل توفر المواصفات الديناميكية الإلكتروميكانيكية التي تتميز بها مزارع الرياح الحديثة من أجل ضمان سلوك مستقر قابل للتنبؤ خلال الاضطرابات التي تطرأ على النظام. وعلى وجه التحديد، لا يمكن للمولدات الحث أن تدعم الجهد الكهربائي للنظام خلال اضطراباته على عكس المحركات الدوارة البخارية أو المانية التي تديرها مولدات تزامنية لا تستخدم مولدات الحث في المحركات الدوارة الحالية، بل يستخدم معظمها بدلا من ذلك مولدات سرعة مع محولات طاقة كاملة أو جزئية بين محرك المواد الدوار ونظام التجميع، إذ أنها تتمتع عمومًا بخواص مرغوبة أكثر في ما يتعلق بالربط البيني للشبكة إضافة إلى أنها تتصف بالقدرة على الاستمرار في العمل عند انخفاض الجهد الكهربائي وتلجأ المفاهيم الحديثة إلى استخدام مولدات حثية ثنائية التغذية مع محولات طاقة جزئية، أو مولدات حث ققص سنجاب أو مولدات تزامنية تجري إثارتها بشكل دائم وعن طريق الكهرباء مغا مع محولات طاقة كاملة تعد مشغلات أنظمة النقل شركات تطوير مزارع الرياح بمجموعة معايير تحدد متطلبات الربط البيني في الشبكة الناقلة، وهذا يتضمن كلا من معامل القدرة واستقرار التردد والسلوك الديناميكي للمحركات الدوارة في مزرعة الرياح خلال أي اضطراب طارئ.

تصنيف العنفات الريحية

العنفات الريحية هي أجهزة تحول الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية، جاءت فكرتها نتيجة لتطور هندسة الطواحين الهوائية لأكثر من ألف عام. يتم تصنيع عنفات الرياح اليوم على نطاق واسع من الماط المحور الأفقي والمحور الرأسي وتستخدم أصغر العنفات الصغيرة في أعمال بسيطة مثل شحن البطاريات المساعدة المصادر الطاقة الأساسية و العنفات الأكبر قليلاً يمكن استخدامها لتقديم إمدادات للطاقة المنزلية بجانب بيع الطاقة الغير مستخدمة إلى الشركات الموردة للطاقة الكهربائية. أما مصفوفات العنفات الكبيرة والمعروفة باسم مزارع الرياح فهي مصدر مهم للطاقة المتجددة وتستخدم في العديد من البلدان كجزء من إستراتيجية خاصة تعتمد على الحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري يعتمد تصميم العنفات الربحية على تحديد شكل وموصفات العنفة الريحية لاستخلاص أكبر قدر من الطاقة الحركية للرياح . تتألف العنفة الريحية من الأنظمة الضرورية لالتقاط الرياح وتوجيه العنفة الرياح في اتجاه هبوب الرياح إضافة لعمليات تحويل الطاقة الحركية للأجزاء الميكانيكية الدوارة إلى طاقة كهربائية، إضافة إلى أنظمة أخرى مثل عمليات الإقلاع والتوقف وعمليات التحكم بالعنقة عرض الفيزيائي الألماني ألبرت بيتز في عام 1919 فرضية عن استخلاص الطاقة الريحية باستخدام آلة. ووفق هذه النظرية وبالاعتماد على القوانين الأساسية في حفظ الطاقة والكتلة فإنه لا يمكن استخلاص أكثر من 59.3% من الطاقة الحركية للرياح وقد دعي هذا الحد بعد بيتز. يمكن للتصميمات الحديثة أن تقترب من حد بيتر لتصل إلى ما يقارب بين 70-80% من حد بيتز.

الديناميكا الهوائية للعنفات الريحية الأفقية ليست خطية بمعنى أن تدفق الهواء على شفرات العنفة ليست هو نفسه التدفق بعد العنفة بمسافة كبيرة تسبب طبيعة الطريقة التي يتم فيها استخلاص الطاقة الريحية من الهواء بتشوه تدفق الهواء نتيجة مروره على العنفة . بالإضافة إلى أن ظاهرة الديناميكا الهوائية للعنفة الهوائية ونتيجة لدورانه فهي ظاهرة نادراً ما ترى في حقول ديناميكا الهواء الأخرى. يتحدد شكل وأبعاد شفرات العنفة الهوائية بدراسة الديناميكا الهوائية عليها من أجل زيادة كفاءة استخلاص الطاقة من الرياح بالإضافة لحساب قوة مادة الشفرة لمقاومة الإجهادات نتيجة القوى المطبقة على الشفرات.