تتضمن عملية توليد الطاقة من الرياح بشكل أساسي الخطوات التالية
المبادئ الأساسية لتوليد الطاقة من الرياح
تحويل طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية
يستخدم توليد الطاقة من الرياح طاقة حركة الرياح لدفع شفرات توربين الرياح للدوران. عندما تهب الرياح عبر شفرات توربين الرياح، تقوم الشكل الخاص وزاوية الشفرات بتحويل طاقة حركة الرياح إلى طاقة ميكانيكية دوارة للشفرات.
على سبيل المثال، التوربين ذو الثلاث شفرات الشائع، يتم تصميم الشفرات بطريقة مشابهة للأجنحة الطائرة، عندما تمر الرياح عبر الشفرة، بسبب سرعة الهواء المختلفة على السطحين العلوي والسفلي للشفرة، سيتم إنتاج رفع ومقاومة، وقوة الرفع ستقوم بدفع الشفرة للدوران.
تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية
يتم نقل دوران الشفرات إلى المولد عبر عمود مركزي مرتبط بالمحور. يقوم الدوار داخل المولد بقطع خطوط القوة المغناطيسية في مجال مغناطيسي متداول، مما يخلق قوة كهروضوئية مستحثة تقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
على سبيل المثال، في المولد المتزامن، عادة ما يتكون الدوار من مغناطيس دائم أو ملف تشجيعي ينتج قوة كهروضوئية متناوبة في ملف الثابت مع دوران الدوار. عبر المحول، يتم رفع جهد خرج المولد إلى مستوى الجهد المناسب للنقل عبر الشبكة، ثم يتم نقل الكهرباء إلى الشبكة.
تكوين نظام الطاقة من الرياح
مجموعة توربين الرياح
تشمل عجلة الرياح (الشفرات، مركز العجلة ونظام البراغي المتغير)، العمود المركزي، الصندوق الناقل (بعض التوربينات المباشرة لا تحتوي على صندوق ناقل)، المولد، نظام الاهتزاز، نظام الفرامل ونظام التحكم.
توربين الرياح هو مكون رئيسي لالتقاط طاقة الرياح، ويحدد الشكل والطول الشفرات كفاءة التقاط طاقة الرياح للتوربين. يستخدم الصندوق الناقل لتحويل السرعة المنخفضة للتوربين إلى السرعة العالية المطلوبة للمولد. يسمح نظام الاهتزاز بتوجيه توربين الرياح نحو اتجاه الرياح دائمًا لتحقيق أقصى استفادة من طاقة الرياح. يستخدم نظام الفرامل لإيقاف تشغيل توربين الرياح في حالة الطوارئ. يشرف نظام التحكم على مراقبة وتحكم المكونات المختلفة لتوربين الرياح للتأكد من التشغيل الآمن والاستقراري.
العمود
يستخدم لدعم توربينات الرياح بحيث يمكنها التقاط المزيد من طاقة الرياح عند ارتفاعات كافية. يتم تحديد ارتفاع العمود عادة وفقًا للموارد المحلية للرياح والظروف الطبوغرافية.
على سبيل المثال، في المناطق المستوية والمفتوحة، يمكن أن تكون الأبراج مرتفعة نسبيًا لسرعات رياح أقوى؛ في المناطق الجبلية أو المناطق ذات التضاريس المعقدة، قد يكون ارتفاع البرج محدودًا.
نظام نقل وتوزيع الطاقة
يشمل المحولات، ومعدات التبديل، والكابلات، وما إلى ذلك، وتستخدم لرفع الجهد الكهربائي المنبعث من توربين الرياح وإرساله إلى الشبكة.
ترفع المحولات الجهد المنخفض الخارج من المولد إلى مستوى الجهد المناسب للنقل عبر الشبكة، وتستخدم معدات التبديل لتحكم في نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية، وتعمل الكابلات على نقل الطاقة الكهربائية من توربين الرياح إلى المحول والشبكة.
طريقة استخدام طاقة الرياح كمصدر للطاقة المتجددة
التكامل مع الشبكة
الأستخدام الأكثر شيوعًا لطاقة الرياح هو دمجها مع الشبكة لتوفير طاقة نظيفة ومتجددة لنظام الطاقة. عندما يتم رفع الكهرباء المنبعثة من توربين الرياح بواسطة نظام النقل والتوزيع، يتم إرسالها إلى العميل عبر الشبكة.
يمكن للشبكة الكهربائية دمج وتوزيع مصادر توليد الطاقة المختلفة من المناطق المختلفة والنوعيات المختلفة لتلبية احتياجات المستخدمين. باعتبارها مصدر طاقة غير مستقر، تحتاج طاقة الرياح إلى الجمع بينها وبين طرق توليد الطاقة المستقرة الأخرى (مثل توليد الطاقة الحرارية، وتوليد الطاقة الكهرمائية، وغيرها) للتأكد من التشغيل المستقر للشبكة.
على سبيل المثال، في المناطق الغنية بموارد الرياح، يمكن بناء مزارع رياح كبيرة لدمج طاقة الرياح مع الشبكة لتزويد المنطقة المحيطة وحتى البلد بأكمله بالكهرباء.
التوليد الموزع
بالإضافة إلى دمجها مع شبكات الطاقة الكبيرة، يمكن استخدام طاقة الرياح أيضًا في أنظمة التوليد الموزعة. يتم عادة تركيب الطاقة الموزعة من الرياح بالقرب من المستخدمين، مثل المصانع والمدارس والمجتمعات، لتوفير مصدر طاقة مستقل للمستخدمين أو كمصدر طاقة احتياطي.
يمكن لنظام التوليد الموزع من الرياح تقليل خسائر الكهرباء أثناء النقل وتحسين كفاءة استخدام الطاقة. في الوقت نفسه، يمكنه تعزيز موثوقية واستقرار نظام الطاقة وتقليل الاعتماد على الشبكة المركزية.
على سبيل المثال، يمكن تركيب توربينات رياح صغيرة في بعض المناطق النائية أو الجزر لتوفير الكهرباء للسكان المحليين وحل مشكلة انعدام الكهرباء أو نقصها.
تكامل تقنية تخزين الطاقة
نظرًا لعدم استقرار توليد الطاقة من الرياح، وللاستفادة بشكل أفضل من موارد الرياح، يمكن دمج توليد الطاقة من الرياح مع تقنية تخزين الطاقة. يمكن لنظام تخزين الطاقة تخزين الطاقة الكهربائية الزائدة عندما تكون طاقة الرياح عالية، وإطلاق الطاقة الكهربائية عندما تكون طاقة الرياح منخفضة أو غير موجودة لتلبية احتياجات المستخدمين من الكهرباء.
تشمل تقنيات تخزين الطاقة الشائعة تخزين الطاقة في البطاريات، وخزن الطاقة بالضخ، وخزن الطاقة بالهواء المضغوط، وغيرها. على سبيل المثال، يمكن لأنظمة تخزين الطاقة في البطاريات الاستجابة بسرعة للتغيرات في توليد الطاقة من الرياح، تخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية؛ يمكن لمحطات تخزين الطاقة بالضخ استخدام الكهرباء الزائدة من الرياح لضخ الماء إلى ارتفاعات عالية وخزنه، وإطلاقه لتوليد الكهرباء عند الحاجة.
نظام متعدد الطاقات التكميلي
يمكن دمج طاقة الرياح مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى (مثل الطاقة الشمسية، والطاقة المائية، وغيرها) ومع مصادر الطاقة التقليدية (مثل توليد الطاقة من الغاز الطبيعي، وغيرها) لتشكيل نظام متعدد الطاقات التكميلي لتحقيق استخدام فعال للطاقة وتقديم إمداد مستقر.
يمكن لنظام متعدد الطاقات التكميلي الاستفادة من مزايا مختلف مصادر الطاقة وتعويض نقاط الضعف في مصادر الطاقة الواحدة. على سبيل المثال، يوجد درجة معينة من التكامل الزمني بين توليد الطاقة الشمسية وتوليد الطاقة من الرياح، حيث تكون الطاقة الشمسية كافية خلال النهار، وقد تكون الرياح أكبر ليلاً، ويمكن تحقيق إمداد مستقر على مدار الساعة من خلال التكوين والتخطيط المناسب. في نفس الوقت، يمكن استخدام مصادر الطاقة التقليدية كمصادر طاقة احتياطية لتوفير الدعم الكهربائي عند عدم كفاية مصادر الطاقة المتجددة.
