كيف تقوم توربينات الرياح بتوليد الكهرباء؟

كلما مررتُ بمزارع رياح في الضواحي، أرى صفوفًا من "طواحين هوائية ضخمة" تدور ببطء - ورغم أنها قد لا تبدو محكمة أو بطيئة، إلا أنها قادرة على توصيل الكهرباء لآلاف المنازل. يتساءل الكثير من الأصدقاء: كيف تُحوّل هذه الشفرات التي تدور مع الرياح الرياح غير المرئية إلى كهرباء يُمكننا استخدامها؟ اليوم، وببساطة، سنشرح لكم "تقنية تحويل الطاقة" في توليد طاقة الرياح.

في الواقع، يُشبه جوهر توليد طاقة الرياح سباق تتابع الطاقة: أولًا، استيعاب الطاقة الحركية للرياح، ثم تحويلها إلى قوة دوران ميكانيكية، وأخيرًا تحويلها إلى طاقة كهربائية تُضيء مصباحًا كهربائيًا. تنقسم العملية برمتها إلى ثلاث خطوات، يُساهم في كل منها "لاعبون" مُتخصصون بجهودهم.

الخطوة الأولى هي الاعتماد على الشفرات لالتقاط الرياح: تحويل طاقة الرياح إلى قوة دورانية. الرياح نفسها عبارة عن هواء متدفق يحمل "طاقة حركية" خفية - وكما أن الرياح القوية قادرة على تحطيم الأوراق المتساقطة ودفع المراكب الشراعية، فإن هذه القوة قادرة أيضًا على دفع شفرات توربينات الرياح. مع ذلك، لم تُصمم الشفرة عشوائيًا. شكلها يشبه إلى حد كبير جناح الطائرة، أحد جانبيها محدب والآخر مسطح: عندما تهب الرياح، تكون سرعة تدفق الهواء على السطح المحدب سريعة والضغط منخفضًا، بينما تكون سرعة تدفق الهواء على السطح المقعر بطيئة والضغط مرتفعًا. يشكل فرق الضغط هذا "قوة رفع"، كيد خفية تدفع الشفرة للدوران حول المحور المركزي. في هذه اللحظة، أصبحت الطاقة الحركية للرياح طاقة ميكانيكية لدوران الشفرات، وتم تأمين المرحلة الأولى من "سباق تتابع الطاقة".

الخطوة الثانية هي استخدام مُسرِّع لزيادة السرعة: أي جعل قوة الدوران "قوية". ربما لم تلاحظ، لكن الشفرات تدور ببطء شديد - عادةً ما يتراوح بين 10 و20 دورة في الدقيقة فقط، وهذه السرعة البطيئة لا تُشغِّل المولد. عند هذه النقطة، يلزم وجود "مُعزِّز" (يُعرف أيضًا بعلبة التروس) لتوفير الطاقة: وهو أشبه بمجموعة من "مُضخِّمات الطاقة" الدقيقة، التي تستخدم تروسًا بأحجام مختلفة لضبط و"رفع" سرعة الدوران المنخفضة التي تنقلها الشفرات إلى حوالي 1500 دورة في الدقيقة. وكما هو الحال مع تغيير التروس أثناء ركوب الدراجة، فإن الضغط الخفيف على الدواسة يُمكن أن يُسرِّع دوران العجلات. يُحرِّك المُسرِّع نظام طاقة الرياح إلى "ترس عالي" لتجميع طاقة كافية للخطوة التالية في توليد الكهرباء.

الخطوة الثالثة هي استخدام مولد كهربائي لتحويل قوة الدوران إلى طاقة كهربائية. تتطلب هذه الخطوة تطبيق مبدأ "الحث الكهرومغناطيسي" الذي تعلمناه في المرحلة الإعدادية - ببساطة، "المغناطيسية الديناميكية تُولّد الكهرباء". يدفع مُخفِّض السرعة الجزء الدوار (المُزوَّد بمغناطيسات) في المولد للدوران بسرعة عالية، بينما يُثبَّت الجزء الثابت (الستاتور) المُغلَّف بسلك نحاسي داخل المولد. عندما يدور مغناطيس الجزء الدوار حول الجزء الثابت، فإنه يقطع المجال المغناطيسي في ملف الجزء الثابت، وهو ما يُعادل "بناء مدرج" للإلكترونات، مما يسمح لها بالتدفق بشكل اتجاهي في السلك النحاسي - وبالتالي، يتولد التيار الكهربائي!

ومع ذلك، لا يُمكن استخدام التيار المُولّد مباشرةً، إذ يتطلب سلسلة من العمليات، مثل "التصحيح" و"تثبيت الجهد"، لتحويله إلى طاقة تيار متردد تُطابق معايير الشبكة. ثم يُنقل عبر خطوط النقل إلى محطات التوزيع الفرعية، قبل أن يدخل أخيرًا إلى منازلنا ومكاتبنا، ليُضيء المصابيح، ويُشغّل الأجهزة الكهربائية.

كما ترون، من ملامسة الرياح للشفرات إلى التيار الكهربائي الذي يُضيء المصباح، تُشبه العملية برمتها "سحر الطاقة" المتشابك - لا يوجد دخان أسود ناتج عن حرق الفحم، ولا استهلاك للموارد غير المتجددة، ورياح الطبيعة وحدها هي القادرة على جعل "طاحونة الهواء الكبيرة" تُولّد كهرباء نظيفة لا حصر لها. في المرة القادمة التي تشاهدون فيها شفرات مزرعة الرياح تدور، قد تتذكرون أن كل دورة تُمثّل تحولاً رائعاً من طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية.