طاقة الرياح، والمعروفة أيضًا باسم طاقة الرياح، هي وسيلة تسخير الرياح وتحويلها إلى كهرباء. متوسط كفاءة الرياح للتوربينات يتراوح بين 35-45%.
إنتاج طاقة الرياح
تنتج الرياح في الغلاف الجوي للأرض نتيجة اختلاف درجات حرارة الأرض محلياً أو على المستوى الإقليمي والعالمي. وعندما يسخن الدفء يرتفع تاركاً المكان مع ضغط جوي منخفض؛ يتحرك الهواء من المناطق الباردة ذات الضغوط العالية للهواء ليعادل ضغط الهواء.
تستفيد طواحين الهواء وتوربينات الرياح من الطاقة الحركية أو "طاقة الحركة" التي تنقل الهواء أو الرياح من مكان إلى آخر وتحولها إلى كهرباء.تقام توربينات الرياح في الأماكن العاصفة، حتى تتمكن الرياح من تحريك شفرات التوربينات. تقوم هذه الشفرات بتدوير المحرك، وتزيد التروس من الدورات بما يكفي لإنتاج الكهرباء. التصاميم المختلفة للتوربينات مناسبة لظروف مختلفة.
كفاءة الرياح وعامل سعة الرياح
كفاءة الرياح ليست مثل عامل قدرة الرياح، وهو ما تتم مناقشته عندما يفكر الناس في كفاءة الطاقة. مراقب الرياح يوضح الفرق بين الظاهرتين.
كفاءة الرياح وحدودها
كفاءة الرياح هي كمية الطاقة الحركية الموجودة في الرياح والتي يتم تحويلها إلى طاقة ميكانيكية وكهرباء. تقول قوانين الفيزياء التي وصفها بيتز ليميت أن الحد الأقصى النظري هو 59.6%. تتطلب الرياح بقية الطاقة لتتجاوز الشفرات. وهذا في الواقع جيد. إذا احتجزت التوربينة 100% من طاقة الرياح، فسوف تتوقف عن النفخ ولن تتمكن شفرات التوربين من الدوران لإنتاج الكهرباء.
ومع ذلك، لا يمكن لأي آلة في الوقت الحاضر تحويل كل الطاقة الحركية المحاصرة البالغة 59.6% من طاقة الرياح إلى كهرباء. هناك حدود بسبب الطريقة التي يتم بها تصنيع المولدات وهندستها، مما يؤدي إلى تقليل كمية الطاقة التي يتم تحويلها في النهاية إلى طاقة. ويبلغ المتوسط في الوقت الحاضر 35-45% كما ذكرنا أعلاه. يمكن أن يصل الحد الأقصى في ذروة الأداء إلى 50% وفقًا لـ Wind Watch. توافق وثيقة حكومية أسترالية (NSW) أيضًا على أن 50% هو الحد الأقصى لكفاءة الرياح التي يمكن الحصول عليها (صفحة 3).
كفاءة الطاقة لا تختلف بقدر ما يختلف عامل سعة الرياح والذي يعتمد إلى حد كبير على الموقع والظروف الجوية.
عامل سعة الرياح
عامل قدرة الرياح هو مقدار الطاقة التي ينتجها المولد مقابل ما يمكن أن ينتجه إذا كان يعمل طوال الوقت بأقصى طاقته، وفقًا لشركة Green Tech Media. يميل عامل سعة الرياح إلى الاختلاف من مكان إلى آخر وفي أوقات مختلفة من العام، حتى مع وجود نفس التوربينات، حيث يعتمد ذلك على سرعة الرياح وكثافتها ومساحة اجتياحها التي تعتمد على حجم المولد..يمكن تحسين عامل قدرة الرياح عن طريق اختيار الأماكن التي تسود فيها ظروف الرياح المثالية طوال العام أو جزء منه. لذلك من المهم مراعاة عامل قدرة الرياح والظروف المؤثرة عليه لتعظيم إنتاج الطاقة.
- سرعة الرياحأقل من 30 ميلاً في الساعة تنتج طاقة قليلة وفقًا لـ Wind Watch. حتى الزيادات الصغيرة في السرعة يمكن أن تترجم إلى زيادة كبيرة في الطاقة المولدة وفقًا لـ Open EI. الكهرباء المولدة هي مكعب سرعة الرياح وهو ما يفسر Wind EIS.
- كثافة الهواء تكون أكثر في المناطق الباردة وعند مستوى سطح البحر منها في الجبال. لذا فإن الأماكن المثالية ذات كثافة الرياح العالية هي البحار ذات درجات الحرارة الباردة وفقًا لـ Open EI. وهذا هو أحد أسباب التوسع الكبير في توليد طاقة الرياح البحرية.
- التوربينات الأكبر حجمًا والأطول يمكنها الاستفادة من المزيد من الرياح المرتفعة فوق سطح الأرض ومن خلال زيادة امتداد شفراتها. ولذلك تصبح الاعتبارات الاقتصادية مهمة هنا.
يتم زيادة عامل السعة باستمرار من خلال التكنولوجيا المحسنة. وصلت توربينات الرياح التي تم بناؤها في عام 2014 إلى عامل قدرة قدره 41.2% مقارنة بـ 31.2% للتوربينات التي تم بناؤها بين عامي 2004 و2011، وفقًا لشركة Green Tech Media. ومع ذلك، فإن عامل قدرة الرياح لا يتأثر فقط بالتكنولوجيا، ولكن أيضًا بتوافر الرياح نفسها. وهكذا، كان عامل قدرة التوربينات في عام 2015 أقل من متوسط السنوات السابقة بسبب "جفاف الرياح" ، كما توضح شركة Green Tech Media.
المقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى
كفاءة طاقة الرياح أفضل من كفاءة طاقة الفحم. فقط 29-37% من الطاقة الموجودة في الفحم يتم تحويلها إلى كهرباء والغاز له نفس كفاءة الرياح تقريبًا حيث يمكن تحويل 32-50% من الطاقة الموجودة في الغاز إلى كهرباء.
ومع ذلك، من حيث عوامل القدرة، كان أداء الوقود الأحفوري أفضل من طاقة الرياح في الولايات المتحدة في عام 2016 وفقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية (EIA).
-
المتجددة مقابل المصانع محطات الفحم في الولايات المتحدة تعمل بنسبة 52.7% من طاقتها.
- معامل القدرة لمحطات الغاز 56% في الولايات المتحدة.
- يبلغ عامل قدرة الطاقة النووية 92.5%، وفقًا لأرقام تقييم الأثر البيئي للوقود غير الأحفوري.
- عامل قدرة الطاقة الكهرومائية كان 38%.
- معامل قدرة طاقة الرياح 34.7%.
عند مقارنة إنتاج الطاقة من مصادر الطاقة المختلفة، من الأفضل ألا نأخذ في الاعتبار عامل السعة فحسب، بل أيضًا كفاءتها في استخدام الطاقة. وهذا ما يجعل زيادة توليد الطاقة من الرياح تنافسية وممكنة مقارنة بالوقود الأحفوري الذي يعاني أيضًا من مشاكل التلوث التي يسببها.
التقطع يؤثر على إنتاج طاقة الرياح
تعاني طاقة الرياح من التقطع حيث لا تتوفر الرياح دائما، ويمكن أن تهب بسرعات متفاوتة، مما يعني أن الطاقة تتولد بمستويات غير متناسقة.انقطاع الطاقة هي الظواهر التي لا تتوفر فيها الطاقة بشكل مستمر بسبب عوامل كثيرة لا يستطيع الإنسان السيطرة عليها. لذلك هناك تباين في العرض.
حلول للتقطع
نظرًا لأن توليد الطاقة من توربينات الرياح يتقلب من ساعة إلى ساعة، أو حتى من ثانية إلى ثانية، يحتاج موردو الطاقة إلى احتياطيات طاقة أكبر لتلبية مستويات ثابتة من إمدادات الطاقة والحفاظ عليها، كما يوضح العالم الأمريكي. والتقطع لا يعني النقص فحسب، بل يعني أيضاً فترات التجاوزات؛ وهذا يوفر حلاً ممكنًا أيضًا. ويوضح العالم الأمريكي أنه مع زيادة عدد مصادر طاقة الرياح، فإن الاختلاف المحلي في ظروف الطقس والرياح يمكن أن يوازن بين النقص والتجاوزات.
كما أن تحسين التنبؤات الجوية والنمذجة يجعل من السهل أخذ التغيرات في طاقة الرياح في الاعتبار حتى على المدى القصير. يعد مزيج المصادر ضروريًا أيضًا حتى للاختلافات اليومية أو الموسمية في توليد طاقة الرياح.
بغض النظر عن التقطع، ساعدت مزارع الرياح الجديدة واسعة النطاق في جميع أنحاء الولايات المتحدة بالفعل على استقرار إمدادات الطاقة، خاصة أثناء الطقس القاسي في تكساس وفقًا لشركة Clean Technica.
التكلفة
في عام 2017، أعلنت صحيفة الإندبندنت أن إنتاج الطاقة من الرياح أرخص من إنتاج الوقود الأحفوري. في عام 2017، بلغت تكلفة إنتاج ميجاوات/ساعة 50 دولارا. ومع تحسن التكنولوجيا، تستمر التكاليف في الانخفاض، مما يجعلها أكثر جاذبية من مصادر الطاقة التقليدية الملوثة. وتأمل الولايات المتحدة في تحفيز هذه الحركة من خلال توفير الحوافز الحكومية، لزيادة حصة طاقة الرياح التي وفرت 6٪ من الكهرباء في عام 2016 وفقًا لتقييم الأثر البيئي.
يشير EIS لطاقة الرياح إلى أن 80% من التكاليف هي تكاليف رأسمالية متضمنة في تركيب التوربينات، و20% تشغيلية. ومع ذلك، نظرًا لعدم وجود تكاليف للوقود، وبالنظر إلى الطاقة المولدة طوال دورة حياتها بأكملها، فإن طاقة الرياح تعتبر تنافسية.
طاقة خالية من الكربون
تعد طاقة الرياح أحد البدائل الأكثر كفاءة لطاقة الوقود الأحفوري. ومن المتوقع أنه بحلول عام 2050، يمكن لـ 139 دولة تستخدم حاليًا 99% من الطاقة في العالم أن تستخدم الطاقة المتجددة بنسبة 100%. ويمكن أن توفر الرياح والطاقة الشمسية معًا ما يصل إلى 97% من هذه الطاقة، وفقًا لتقرير المنتدى العالمي لعام 2017. وهذا يمكن أن يساعد في احتواء ارتفاع ظاهرة الاحتباس الحراري إلى أقل من 1.5 درجة مئوية. سواء أكانت مزرعة رياح على أحد التلال أو على طول الساحل، فإن تكنولوجيا توربينات الرياح توفر طريقة أكثر كفاءة لتوليد الكهرباء القابلة للاستخدام من المصادر التقليدية غير المتجددة.
