تكنولوجيا طاقة الرياح

سعي الانسان للاستفادة من طاقة الرياح قديما، وأول تسجيل لهذا الاستخدام يعود الى دولة البابليون في العراق لاستخدامها في الري قبل حوالي 3700 سنة.  أيضا، هنالك بعض الاثار لقيام الانسان باستخدام طاقة الرياح في طحن الحبوب قبل حوالي 2600 سنة. كان استخدام القدماء لهذه الطاقة تبعا لمقدرتهم على للوصول بالتوربين الهوائي لارتفاعات منخفضة تتسم بضعف تيار الهواء وتغايره الكبير. اما الاستخدام الحديث لتوليد الكهرباء فلم يبدأ الا في نهاية السبعينيات من القرن المنصرم في الدنمارك، عندما فطن الى قوة تيار الهواء على ارتفاعات أعلى.

 ولكن لماذا يكون الهواء عند ارتفاعات عالية؟ ولماذا يتغاير بشكل يختلف من موقع الى اخر؟ يكمن الجواب في ان حركة الرياح تتم بشكل عام نتيجة لفرق ضغط الهواء بين منطقة وأخرى. عندما تسقط الاشعة الشمسية فانه تسخن طبقات الجو المختلفة والتي تحتوي على الهواء، بحيث يصل التسخين في منطقة خط الاستواء أقصاه وعند القطبين يكون اقل بشكل كبير، وتنخفض كثافة الهواء كلما زادت درجة الحرارة. الهواء عند منطقة خط الاستواء ذو الكثافة المنخفضة نسبيا يرتفع الى الأعلى وينتشر بشكل في طبقات الجو العليا، مما يكون ذات ضغط منخفض عند منطقة خط الاستواء، مما يدفع الهواء من القطبين للحركة نحوه.

من جهة أخرى، وبسبب دوران الأرض حول نفسها، تتحول الرياح المتجهة من خط الاستواء الى القطب الشمالي الى اليمين او عكس عقارب الساعة، وتتحول الرياح المتجهة من خط الاستواء الى القطب الجنوبي الى اليسار او مع عقارب الساعة، ويكون هذان التحولان في خطوط شبه مستقيمة. تسمى هذه الظاهرة بتأثير كوريولس، على اسم مكتشفها العالم الفرنسي جوستاف كوريولس في عام 1835.

اما التغاير وعدم الاستمرارية في سرعة واتجاه الرياح فتحدث بتفاعل الرياح مع عوامل محلية، كنسيم البر او نسيم البحر، او احتكاك الهواء مع التضاريس المحلية او العمران مما يحث اضطرابات في تدفق الرياح وتغير في السرعة والاتجاه. هذه الاضطرابات تكون اكبر بالقرب من سطح الأرض وتخف تدريجيا كلما اتجهنا الى الأعلى.

لكي تتم الاستفادة الأمثل من طاقة الرياح، لا بد من اختيار المكان الذي تكون فيه حركة الرياح منتظمة وقوية قدر الامكان على مدار اليوم وأيضا على مدار السنة ولا تتأثر بشكل كبير بالتأثيرات المحلية، وكثافة الهواء فالهواء الحار اقل كثافة ويحمل طاقة اقل. ويكون اختيار الارتفاع بالمفاضلة بين تقدير تكلفة بناء البرج الهوائي والفائدة الاقتصادية المتوخاة من توليد الطاقة الكهربائية من قوة وانتظام حركة الرياح في الموقع والارتفاع.

عند اختيار كلا من الموقع والارتفاع يتم تصميم مكونات البرج الهوائي لتتناسب مع قوة الرياح وارتفاع البرج لتعظيم الاستفادة منهم او تعظيم “عامل السعة” والذي يعرف على انه النسبة بين ما يتم انتاجه بالتصميم بظروف تغير سرعة الرياح واتجاهها الى معدل طاقته القصوى فيما لو انتظمت سرعة الرياح واتجاهها على مدى فترة زمنية معينة. فهو ليس مقياس لكفاءة أداء البرج الهوائي وانما مقياس لفاعلية تصميم التوربين في توليد الطاقة الكهربائية، وهو الأكثر كلفة بين مكونات البرج.

فيتم مثلا اختيار عدد وتصميم اجنحة البرج لكي تجني اقصى طاقة حركية من الرياح، وغالبا ما يكون العدد هو ثلاثة اجنحة واما شكلها ونصف قطرهم فيجب ان يتناسب مع قوتي الرفع والسحب الممكن تعظيمهما بالنظر الى سرعة الرياح، واللتان تؤديان الى دوران الاجنحة المرتبطان بدوار المولد الكهربائي عبر محور قوي. تبعا للمفاضلة بين تعظيم عامل السعة “الممكن” وتخفيض التكلفة يتم تصميم “دوار” المولد الكهربائي.