طاقة الرياح

طاقة الرياح هي طاقة مستخرجة من الطاقة الحركية للرياح بواسطة دوران عنفات الرياح لإنتاج الطاقة الكهربائية، وهي تعتبر من أنواع الطاقة الكهروميكانيكية. تعد طاقة الرياح أحد أنواع الطاقة المتجددة التي انتشر استخدامها كبديل للوقود الأحفوري، وهي طاقة وفيرة وقابلة للتجدد، إلا أن وفرتها تختلف من موقع إلى آخر. وهي طاقة نظيفة متجددة لا ينتج عنها انبعاثات كمثل الغازات الدفيئة (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 وقلة 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 العِبْء على محطات إنتاج 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 تُسْتَخْدَمُ طاقة الرياح منفردة دون وجود مصادر أخرى من أنواع الطاقة المتجددة كالطاقة الضوئية مثلا، حتى يدعم كلاهما الآخر ويزيد من موثوقية 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."Onshore wind to reach grid parity by 2016", BusinessGreen, 14 November 2011 Robert Gasch, Jochen Twele (ed.): Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb. Springer, Wiesbaden 2013, p 569 (German). 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 لمواقع 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.Rasmussen, Jesper Nørskov. "Vindmøller slog rekord i 2014  " In English: New record for wind turbines in 2014 . Energinet.dk, 6 January 2015. Accessed: 6 January 2015. on 6 January 2015Denmark's Wind Power Output Rises to Record in First Half - WSJ Carsten Vittrup. "2013 was a record-setting year for Danish wind power" Energinet.dk, 15 January 2014. Accessed: 20 January 2014.   كذلك 83 بلداً في جميع 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 جميع أنحاء العالم، وهذه النسبة في زيادة مستمرة.

 نبذة تاريخية 
أول طاحونة هوائية استخدمت لإنتاج الكهرباء بنيت في اسكتلندا في يوليو 1887 من قِبل البروفيسور جيمس بليث الأستاذ بكلية أندرسون في غلاسغو.    فقد ثبّت 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 ولخدمة العيادات والمستوصف؛ إلا أن اختراعه لم يعمل بشكل موسع خاصةً أنه مكلف اقتصادياً.

في كليفلاند بولاية أوهايو في الولايات المتحدة الأمريكية، صُممت آلة أكبر بكثير، فقد صُمِّمَت هندسياً وبُنِيَت في شتاء 1887-1888 من قِبل تشارلز برش،Anon. Mr. Brush's Windmill Dynamo, ساينتفك أمريكان, Vol. 63 No. 25, 20 December 1890, p. 54.  وقد بني هذا عن طريق شركة هندسية في منزله وشغلها بين عاميّ 1886 و1900.A Wind Energy Pioneer: Charles F. Brush, Danish Wind Industry Association. Accessed 2 May 2007.  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. اُسْتُخْدِم دينامو مرتبط إما لتوجيه الطاقة للبطاريات أو لتشغيل ما يصل إلى 100 مصباح متوهج الضوء وثلاثة مصابيح قوس، ومختلف المحركات في المختبر الخاص بتشارلز برش.History of Wind Energy in Cutler J. Cleveland,(ed) Encyclopedia of Energy Vol.6, Elsevier, ISBN 978-1-60119-433-6, 2007, pp. 421-422

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 للاستخدامها عن بُعد. مولدات الرياح اليوم تعمل على عدة أشكال، ما بين صغيرة الحجم في محطات صغيرة لشحن بطاريات في مساكن معزولة، أول محطات تنتج بالجيجاواط كمزارع الرياح البحرية التي توفر الكهرباء لشبكات الكهرباء المحلية.

 مزارع الرياح 
+ مزارع الرياح البرية الكبيرة اسم مزرعة الرياح الإنتاج  (ميجغاواط) الدولة ملاحظات مزرعة رياح قانسو  6,000    Watts, Jonathan & Huang, Cecily. Winds Of Change Blow Through China As Spending On Renewable Energy Soars, الغارديان, 19 March 2012, revised on 20 March 2012. Retrieved 4 January 2012. Xinhua: Jiuquan Wind Power Base Completes First Stage, وكالة أنباء شينخوا, 4 November 2010. Retrieved from ChinaDaily.com.cn website 3 January 2013.  ألتا  1,320   Terra-Gen Press Release, 17 April 2012  حديقة رياح جايسالمر 1,064    Started in August 2001, the Jaisalmer based facility crossed 1,000 MW capacity to achieve this milestone  مزرعة رياح مسطح الرعاة 845      مزرعة رياح روسكو 782   E.ON Delivers 335-MW of Wind in Texas  مركز الحصان المجوف لطاقة الرياح 736   AWEA: U.S. Wind Energy Projects – Texas   مزرعة رياح كابريكورن ريدج 662   Drilling Down: What Projects Made 2008 Such a Banner Year for Wind Power?  مزرعة رياح فنتنيله-كوجيالاك 600   CEZ Group: The Largest Wind Farm in Europe Goes Into Trial Operation  مزرعة رياح فاولر ريدج 600   AWEA: U.S. Wind Energy Projects – Indiana  مزرعة رياح جبل الزيت580 مزرعة رياح وايتلي 539    Whitelee Windfarm 
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 العنفات 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.

شركتيّ سيمنز وفيستاس هما أكبر موردي عنفات الرياح البحرية. كذلك دونغ إنرجي وفاتينفول وإي أون من الرواد في هذا المجال.Madsen & Krogsgaard (22 November 2010) Offshore Wind Power 2010 BTM Consult.  اعتباراً من أكتوبر 2010، كان هناك حوالي 3.16 غيغاواط منتجة إجمالياً من طاقة الرياح البحرية، خاصةً في شمال أوروبا. وفي نهاية 2014 شُغِلَت 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، رُكِّبَت 1,662 عنفة في 55 مزرعة رياح بحرية في 10 دول أوروبية تولد مجتمعة 18 تيراواط/ساعة، أي أعطت طاقة إلى ما يقرب من خمسة ملايين أسرة. اعتباراً من شهر أغسطس عام 2013، فإن مزرعة مصفوفة لندن في المملكة المتحدة هي أكبر مزرعة رياح بحرية في العالم بقدرة 630 ميغاواط. يتبعها مزرعة رياح غابارد الكبرى بالمملكة المتحدة أيضاً بقدرة 504 ميغاواط. كذلك تُنْشَأ مزرعة رياح البحر في ويلز بالمملكة المتحدة بقدرة 576 ميغاواط؛ وهي حالياً في المراحل النهائية للإنشاء المتوقع إنهائها نعاية عام 2015.windpoweroffshore.com, David Weston, UK: RWE has completed the construction phase of the 576MW Gwynt y Mor project ahead of final commissioning next year, 24 November 2014 

+ أكبر مزارع الرياح البحرية في العالم اسم المزرعة  القدرة (ميغاواط)  الدولة  العنفات  بداية التشغيل  مصادر لندن أري  630    175 × سيمنز SWT-3.6  2012 Wittrup, Sanne. First foundation Ing.dk, 8 March 2011. Accessed: 8 March 2011.  غابارد الكبرى 504    140 × سيمنز SWT-3.6  2012   آنهولت 400    111 × سيمنز SWT-3.6-120  2013   بارد 1 400    80 بارد 5.0 عنفات  2013  

 مواصفات المولدات واستقرارها: 
إن مولدات الحث، التي كانت تُستخدم غالبًا في مشاريع طاقة الرياح خلال الثمانينيات والتسعينيات من القرن العشرين، تتطلب طاقة متفاعلة من أجل الإثارة، لذلك تتضمن المحطاتُ الفرعية المستخدَمة في أنظمة تجميع طاقة الرياح مخازنَ تكثيف

ضخمة ومتينة من أجل تصحيح معامل القدرة. ويختلف السلوك الذي تسلكه مولدات محركات الريح الدوارة خلال الاضطرابات التي تطرأ على الشبكة الناقلة وفقًا لأنماطها المختلفة، لذلك تتطلب مشغلاتُ أنظمة النقل توفرَ 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 لمولدات الحث أن تدعم الجهد الكهربائي للنظام خلال اضطراباته، على عكس المحركات الدوارة البخارية أو المائية التي تديرها مولدات تزامنية.

لا تُستخدم مولدات الحث في المحركات الدوارة الحالية، بل يستخدم معظمها بدلًا من ذلك مولدات سرعة مع محولات طاقة كاملة أو جزئية بين محرك المولد 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 قفص سنجاب أو مولدات تزامنية (تجري إثارتها بشكل دائم وعن طريق الكهرباء معًا) مع محولات طاقة كاملة.

تمد مشغلاتُ أنظمة النقل شركاتِ تطوير مزارع الرياح بمجموعة معايير تحدد متطلبات الربط البيني في الشبكة الناقلة، وهذا يتضمن كلًا من معامل القدرة واستقرار التردد والسلوك الديناميكي للمحركات الدوارة في مزرعة الرياح خلال أي اضطراب طارئ.

 تصميم العنفات الريحية 
تصغير|صورة للعنفات الريحية التي تعمل بواسطة تحول الطاقة الحركية للرياح
العنفات الريحية هي أجهزة تحول الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية، جاءت فكرتها نتيجة لتطور هندسة الطواحين الهوائية لأكثر من ألف عام. تُصَنَّع عنفات الرياح اليوم على نطاق واسع من انماط المحور الأفقي والمحور الرأسي. وتستخدم أصغر العنفات الصغيرة في أعمال بسيطة مثل شحن البطاريات المساعدة لمصادر الطاقة الأساسية. والعنفات 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 الريحية 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 إاضافة لعمليات تحويل الطاقة الحركية للأجزاء الميكانيكية الدوارة إلى طاقة كهربائية، إضافة إلى أنظمة أخرى مثل عمليات الإقلاع والتوقف وعمليات التحكم بالعنفة

عرض الفيزيائي الألماني ألبرت بيتز في عام 1919 فرضية عن استخلاص الطاقة الريحية باستخدام آلة. ووفق هذه النظرية وبالاعتماد على القوانية الأسساسية في مصونية الطاقة والكتلة فإنه لا يمكن أستخلاص أكثر من 59.3% من الطاقة الحركية للرياح وقد دعي هذا الحد بحد بيتز. يمكن للتصميمات الحديثة أن تقترب من حد بيتز لتصل إلى ما يقارب بين 70-80% من حد بيتز.ألبرت بيتز؛ Randall, D. G. (trans.). Introduction to the Theory of Flow Machines, Oxford: مطبعة بيرغامون, 1966.Burton, Tony, et al., (ed). Wind Energy Handbook, جون وايلي وأولاده, 2001, ISBN 0-471-48997-2, p. 65. 

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.Wind turbine aerodynamics  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 الاجهادات نتيجة القوى المطبقة على الشفرات. 

 انظر أيضا 

 خطة الطاقة النظيفة
 طاقة رياح بحرية
 طاقة مائية
 طاقة متجددة
 طاقة شمسية
 طاقة حيوية
 كتلة حيوية
 طاقة المد والجزر
 طاقة نووية
 نشاة الرياح
 فيستاس (شركة)

 مصادر 

تصنيف:حماية البيئة الخضراء الزاهية
تصنيف:طاقة ريحية
رياح
تصنيف:محافظة على البيئة