التربينات الهوائية ... قبل بداية العمل
كمية الطاقة في الرياح
هل تيار الهواء في منطقتك يستطيع عمل تيار كهرباء في التربنة ؟
هذا هو السؤال الاهم . فالحقائق حول جدوى التربينات الهوائية الصغيرة مرتبكة ومشوشة فما ينطبق على التربينات الهوائية الكبيرة التي نرى تكالب على انشائها في كل مكان ليس بالضرورة ينطبق على التربينات الهوائية الصغيرة , شركات كبيرة التي تستثمر في مزارع الريح , توظف تكنولوجيات متقدمة وتستطيع عمل قياسات دقيقة ومسح زمني للمتوفرمن طاقة الرياح في المنطقة المطلوب عمل مزارع الرياح فيها , اما الافراد فقياساتهم ( وخاصة لسرعة الرياح ) ربما لاتكون بالدقة الكافية , كما اننا لا نستطع الحصول على خرائط لسرعة الرياح في بلادنا العربية . هل يعني هذا اننا لا نستطيع ؟ ... لا ... فربما تكون انت يا من يفكر في عمل تربينة هوائية لتسد بها حاجتك للطاقة تسكن في منطقة يمكن الاستثمار التجاري لطاقة الرياح فيها . فالعامل الحاسم في هل يمكن ؟ او لا يمكن هو ... هل لدينا في المكان رياح بسرعة مناسبة تستمر لوقت طويل ؟
الرياح عشوائية
طاقة الرياح اكثر مصادر الطاقة المتجددة عشوائية , في اوقات لا تجد فيها من القوة ما يحرك حبل الغسيل وفي احيان تجدها تقتلع الاشجار من جذورها . وبالتالي فالمقدم على التعامل مع هذة الطاقة يجب ان يأخذ في اعتبارة عشوائية وتقلب هذا المصدر , بمعنى انة يجب ان يفكرويهتم
بنظام التحكم والامان بجدية مطلقة . علية ان يوفر نظام تخزين للطاقة بسعة مناسبة لتصريف الطاقة الزائدة عند السرعات العالية للرياح , وعلية قبل البدء ان يوفر نظام تحكم يسمح بالايقاف عند حد معين مسبقا لسرعة الرياح .
هل انا بحاجة لتربينة رياح ؟
للناس القاطنين بعيدا عن شبكات الكهرباء العامة , الريح مصدر ممكن ومهم للطاقة . واذا ما ادمج هذا المصدر مع منظومة خلايا شمسية فسيحقق تكاملية ذات نفع كبير
اولا ... عادة ما تقوى الرياح حينما تكون الشمس محتجبة .
ثانيا ... هذة التكاملية بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية تقلل من حجم خزان الطاقة ( البطاريات عادة ) وبالتالي تقليل تكلفة الانشاء .
A = المساحة العمودية لتيار الهواء
=( مساحة دائرة دوران ريشات
التربينة )
t = الزمن
p = كثافة الهواء
v = السرعة
القدرة (P) = الطاقة / الزمن
كما ترى في المعادلة فالعامل الحاسم في تحديد قيمة الطاقة هو سرعة الهواء ,فمضاعفة سرعة الهواء تضاعف الطاقة 8 مرات
اذا كانت المساحة بالمتر المربع , والزمن بالثانية , وكثافة الهواء كيلوجرام لكل متر مكعب , والسرعة بالمتر في الثانية ... فالطاقة تكون بالوات . ثانية , والقدرة بالوات
المعادلة السابقة هي معادلة طاقة الحركة التي درستها في المدرسة ... تذكر فقط حين كان مدرس الرياضة يقول : طاقة الحركة = نصف الكتلة في مربع السرعة ... الكتلة هنا هي كتلة الهواء المارعلى التربينة = الحجم * الكثافة ... الحجم= مساحة دائرة التربينة * المسافة التي يقطعها الهواء في زمن = t ... المسافة = السرعة t/v ... واكمل
مثال حسابي
تربينة هوائية بقطر= 2 متر , وكثافة هواء = 1.2 كيلوجرام للمتر المكعب ( كثافة الهواء عند سطح البحر بالتقريب) , وسرعة رياح = 7مترفي الثانية
A= مساحة دائرة التربينة = 3.14 متر مربع
v = سرعة الهواء = 7 متر في الثانية
p = القدرة المتاحة في حركة الهواء = 1/2 * 3.14 * 1.2 * 7^3 = 646 وات
ولكن تذكر ان الطاقة المتاحة تتناسب مع مكعب سرعة الرياح اذن لو تضاعفت السرعة واصبحت 14 متر في الثانية فالقدرة المتاحة تتضاعف 8 مرات لتصبح 646*8=5168 وات
ماذا نعني بالقدرة المتاحة ؟
هي كل طاقة الحركة الموجودة في الهواء المتحرك بمعنى ان يترك الهواء التربينة بسرعة = صفر وهذا مستحيل , فالتربنات الهوائية قادرة على تحويل جزء من الطاقة المتاحة في الهواء المتحرك الى طاقة نافعة ( خرج التربينة) . النسبة بين خرج التربينة والطاقة المتاحة تسمى الكفاءة .
كفاءة التربينة = خرج التربينة / القدرة المتاحة في الهواء المتحرك .
الكفاءة دائما اقل من الواحد الصحيح .
في 1919 اثبت البرت بيتز رياضيا اننا نستطيع تقليل سرعة الهواء بنسبة الثلث ومن ثم اثبت ان افضل كفاءة نظرية لتربينات الهواء هي 59% . افضل كفاءة سجلت لتربينات هوائية حديثة التصميم هي 30%
اذن في المثل الحسابي السابق التربينة عمليا لن يزيد خرجها عن 646 * 3. = 194 وات
ما نستطيعة
ما سبق عوامل لا حيلة لنا بها وهي سرعة رياح مناسبة واستمرارية لها معقولة ولكن هناك عوامل نستطيع بها تحسين الفرص وهي
قطر التربينة : من معادلة الطاقة تلاحظ ان القدرة تتناسب طرديا مع مساحة دائرة ريشات التربينة . اذن فالقدرة تتناسب مع مربع قطر التربينة ... ففي المثال الحسابي السابق لو جعلنا قطر التربينة = 4 متر عوضا عن 2 متر فسوف تصبح القدرة المتاحة في الهواء = 646*4= 2584 وات ... وان عملنا على كفاءة 20% فسوف نحصل على قدرة= 519 وات
ولكن تذكر ان زيادة قطر التربينة يعني جسم دوار اثقل , ضبط اتزان اصعب , بنية حاملة اقوى وبالتالي تكلفة اكبر
ارتفاع برج التربينة :
كلما زاد ارتفاع المروحة عن سطح الارض كلما ابتعدنا عن مناطق التيارات الدوامية وحصلنا على تيار هواء اكثر استقرار واكبر سرعة ( الا تذكر حين كنت تلعب بطائرتك الورقية كم كان صعبا ان تبدأ الطيران الى ان تهب رياح خفيفة ومتى استقرت عاليا تنساب بنعومة كلما ارتفعت )
الرسم المقابل يبين العلاقة بين القدرة وارتفاع التربينة مع ثبات العوامل الاخرى
