ما هي العنفات الهوائية وما أنواعها وكيف تعمل

الرئيسية » موسوعة أراجيك » ما هي العنفات الهوائية وما أنواعها وكيف تعمل

العنفة أو التوربين (Turbine)، عبارة عن آلية تستخدم الطاقة الحركية التي تتمتع بها بعض الموائع، مثل الماء، أو الهواء، أو البخار – بحسب نوع التوربين – أو غيرها، حيث تُحوّل طاقة هذه الموائع إلى طاقة ميكانيكية تحرّك التوربين، وثم تشغّل العنفة الجزء أو الجهاز المرتبط بها. الأنواع الرئيسية للعنفات هي أربع: المائية، والبخارية، والغازيّة، وأخيرًا العنفات الهوائية والتي ستكون موضوع هذا المقال.

تعريف العنفات الهوائية

العنفة الهوائية (Wind Turbine) هي آلة ذات 3 ريش، تحول الطاقة الحركية للهواء (الرياح) إلى طاقة ميكانيكية لتوليد الكهرباء، حيث تدور الريش حوالي 13-20 دورة في الدقيقة، بسرعات ثابتة أو متغيرة – اعتمادًا على تقنيتها – حيث تختلف سرعة الجزء الدوار بالنسبة إلى سرعة الرياح للوصول إلى كفاءة عمل أكبر.§

من المعروف أن التوربينات ذات ثلاث ريش كما ذكرنا، لا أكثر ولا أقل، وذلك لأسباب علمية تقتضي عدم زيادتها إلى 4 أو 5 لأن ذلك سيزيد من عزم الدوران وهو الأمر الذي لا حاجة له في عمل توربينة الهواء، فذلك سيقلل من عدد الدورات في الدقيقة الواحدة. وأما تخفيض العدد إلى 2 مثلًا، سيجعل من التوربينة الهوائية آلة غير آمنة، حيث سيؤثر ذلك على الاستقرار الجيروسكوبي (استقرار القرص الدوار للعنفة)، لذا حتمًا عدد الشفرات هو 3 فقط.

كيف تعمل العنفات الهوائية

أولًا، ما هي الرياح؟ الرياح هي حركة الهواء من منطقة الضغط العالي إلى منطقة الضغط المنخفض، وسبب نشوئها هو تسخين سطح الأرض غير المتكافئ بواسطة الشمس، حيث يرتفع الهواء الساخن، ويحل محله البارد. بوجود الطاقة الشمسية لن تنضب طاقة الرياح، وبالتالي هي تعتبر مصدر طاقة نظيف يمكن تسخيره بأمان لتوليد الكهرباء بواسطة العنفات الهوائية.

مبدأ عمل عنفات الرياح بسيط جدًا: بدلًا من استخدام الكهرباء لتوليد الرياح (كما في المراوح مثلًا)، نستخدم الرياح لتوليد الكهرباء. بدايةً، تدور الرّيش الثلاث لعنفة الرياح عند اصطدامها بالرياح، ولا يجب أن تكون الرياح قوية جدًا، تبدأ الريش بالدوران بسرعة رياح تبلغ حوالي 3-5 أمتار في الثانية.

تلك الحركة الدورانية هي التي تدير عمود الدوران (اللون الأخضر في الرسم أدناه) في القمرة (القمرة صندوق في الجزء العلوي من العنفة ويحتوي على جميع مكونات التوليد – يمكنك ملاحظتها باللون البرتقالي في الرسم)، وبعد ذلك، يحوّل المولد المدمج مع القمرة الطاقة الحركية لعمود الدوران إلى طاقة كهربائية، وباستخدام محول (اللون الزهري) تتم زيادة الجهد، وفي النهاية يتم استخدام الطاقة الكهربائية المُنتَجة في موقع محلي أو شبكة كاملة (اللون الأصفر).

آلية عمل العنفات الهوائية
آلية عمل العنفات الهوائية

لا فرق بين عنفة رياح صغيرة منزلية فردية، وعنفات كبيرة متخصصة بالمناطق النائية والبعيدة التي يصعب إيصال الكهرباء إليها، جميع العنفات الهوائية نفس مبدأ العمل، سواء على اليابسة أو في المسطحات المائية الكبيرة.

ما مقدار الكهرباء التي تنتجها توربينات الرياح؟

تبلغ قدرة معظم عنفات الرياح حوالي 2-3 ميغاواط، والتي يمكن أن تنتج سنويًا أكثر من ستة ملايين كيلوواط ساعي من الكهرباء. يكفي هذا المقدار لتغذية حوالي 1500 بيت في المتوسط، من الكهرباء. حقيقةً، كلما زادت سرعة الرياح هبوبًا، زاد ذلك من توليد الكهرباء، لذا يتم بناء التوربينات للمزارع التي بها مواقع كميات موثوقة من هبوب الرياح، قمة تل مثلًا مع الكثير من المساحات المفتوحة، إذ وإذا افترضنا تضاعف سرعة الرياح، هذا يعني تضاعف كمية الكهرباء المُنتَجة إلى ثمانية أضعاف. ولكن كما قلنا قبل، لا تعمل العنفات في الرياح القوية جدًا إنما تغلق التوربينات لمنع تعرضها للتلف.§

أنواع التوربينات الهوائية

تُقسم العنفات الهوائية إلى نوعين رئيسيين:

  1. العنفات الهوائية ذات المحور الأفقي (Horizontal-axis): الأكثر تخيلًا عندما نتكلم عن “توربينات الرياح”، وتكون العنفات بثلاث شفرات وتدور عكس اتجاه الرياح، بحيث تواجه الريش الرياح.
ذات المحور الأفقي
ذات المحور الأفقي
  1. العنفات الهوائية ذات المحور الرأسي (Vertical-axis): هي توربينات متعددة الاتجاهات، وتأتي في عدة أنواع، بما في ذلك نموذج داريوس (Darrieus) الذي يشبه في تصميمه خفاقة البيض.
ذات المحور الرأسي
ذات المحور الرأسي – نموذج داريوس

يمكن أيضًا تصنيف عنفات الرياح الحديثة بحسب مكان تركيبها، وكيفية توصيلها بالشبكة إلى:

  • توربينات الرياح الأرضية (Land-based Wind): يتراوح حجم هذه التوربينات بين 100 كيلوواط وعدة ميغاواط. العنفات الأكبر حجمًا أكثر فعاليةً من حيث التكلفة، وتوفر طاقة كبيرة للشبكة الكهربائية.
العنفات الهوائية
توربينات الرياح الأرضية
  • العنفات الهوائية البحرية (Offshore wind): ضخمة، تضاهي في طولها بل وأكثر طولًا من تمثال الحرية، وهي قادرة على التقاط رياح المحيط القوية وتوليد كميات هائلة من الطاقة.
عنفات الرياح البحرية
عنفات الرياح البحرية
  • عنفات الرياح الموزعة (Distributed Wind): بشكل عام، عندما تُثبَّت توربينة رياح من أي حجم كانت، بجانب المكان الذي سيتم فيه استخدام الطاقة المُنتَجة منها، فنسميها عنفة رياح موزعة. ولكن غالبًا ما تكون من النوع الصغير الذي ينتج أقل من 100 كيلوواط ساعي، وتوضع في المناطق السكنية والزراعية والصناعية الصغيرة.§ § §
عنفات الرياح الموزعة
عنفات الرياح الموزعة

معلومات أخرى عن التوربينات الهوائية

أين تقع أكبر العنفات الهوائية في العالم؟

في روتردام في هولندا، تقع أكبر وأقوى توربينة رياح بحرية، وتسمى (The Haliade-X).

ما هي مادة صنع هيكل عنفة الرياح؟

التوربين هيكل رفيع مضنوع من الفولاذ أو الألمنيوم، وأما الشفرات الثلاث، فغالبًا تكون مصنوعة من البوليستر المقوى بالألياف الزجاجية، أو خشب الإيبوكسي (Wood-Epoxy).

كم يبلغ طول عنفات الرياح؟

عادةً، يمكن أن يبلغ ارتفاع عنفة الرياح حوالي 90 متر (295 قدم). يمكن إيجاد توربينات صغيرة بطول أقل من 80 قدم مثلًا، تُركب في مناطق الأعمال الصغيرة والسكنية.

كم يبلغ طول شفرة العنفة؟

في المتوسط، يبلغ طول الواحدة حوالي 60 متر، وأحيانًا أكثر في العنفات الكبيرة.

ما هي العوائق التي قد تقف في وجه دعم استخدام عنفات الرياح؟

ارتفاع تكاليف التركيب، والتغير في سرعة الرياح، وعدم مناسبتها للعمل في جميع المناطق.