ما داخل توربين الرياح: رحلة داخل عملاق الطاقة الخضراء

مقدمة: أكثر من مجرد مراوح
عندما ترى مزرعة رياح، فإن أول ما يلفت انتباهك هو الشفرات العملاقة التي تدور بهدوء وأناقة. لكن هذه الشفرات ليست سوى القشرة الخارجية لواحدة من أعظم الابتكارات الهندسية في مجال الطاقة. توربين الرياح هو آلة معقدة تحول الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية يمكننا استخدامها في منازلنا ومصانعنا. دعنا نغوص في أعماق هذا العملاق لنفهم المكونات الرئيسية التي تجعله يعمل.

1. الشفرات (Blades)

• الوظيفة: هي نقطة الاتصال الأولى بالرياح. مصممة بشكل ديناميكي هوائي مشابه لأجنحة الطائرة لالتقاط الطاقة الحركية للرياح وتحويلها إلى طاقة حركية دورانية (طاقة ميكانيكية).
• التصميم: تُصنع غالبًا من مواد مركبة خفيفة الوزن وقوية مثل ألياف الزجاج أو ألياف الكربون. يتراوح طول الشفرة الواحدة في التوربينات الكبيرة من 50 إلى 80 مترًا أو أكثر. يعتمد عدد الشفرات (عادة 3) على تحقيق توازن بين الكفاءة والاستقرار الميكانيكي والتكلفة.

2. الدوار (Rotor)

• الوظيفة: هو تجميع يشمل الشفرات ومحورها الرئيسي (المركز الذي تثبت عليه الشفرات). يعمل الدوار كوحدة واحدة تدور عند هبوب الرياح، مجمعًا قوة جميع الشفرات.

3. علبة التروس (Gearbox)

• المشكلة: تدور الشفرات والدوار بسرعات منخفضة نسبيًا (بين 10-20 دورة في الدقيقة)، لكن المولد الكهربائي يحتاج إلى الدوران بسرعات عالية جدًا (حوالي 1500 دورة في الدقيقة) لتوليد الكهرباء بكفاءة.
• الحل: هنا تأتي وظيفة علبة التروس. إنها نظام من التروس يعمل على تكبير سرعة الدوران المأخوذة من الدوار低速 ونقلها إلى المولد高速. تُعتبر من أكثر المكونات تعقيدًا وعرضة للصيانة في التوربين.

4. المولد (Generator)

• الوظيفة: هو القلب الكهربائي للتوربين. يحول الطاقة الميكانيكية (الدوران عالي السرعة القادم من علبة التروس) إلى طاقة كهربائية.
• النوعان الرئيسيان:
  1. مولدات غير متزامنة (Induction Generators): كانت شائعة في التوربينات القديمة.
  2. مولدات متزامنة (Synchronous Generators): أكثر شيوعًا في التصاميم الحديثة، وغالبًا ما تكون من نوع “مغناطيس دائم” لا يحتاج إلى إمداد كهربائي خارجي لتحفيز المجال المغناطيسي، مما يزيد من الكفاءة.

5. نظام التحكم (Control System)

• الوظيفة: هو العقل المدبر للتوربين. يشمل مجموعة من الحساسات (لقياس سرعة الرياح، اتجاهها، سرعة الدوران، درجة الحرارة، إلخ) ووحدة تحكم كمبيوترية.
• مهامه الأساسية:
  • توجيه التوربين (Yawing): يدير الهيكل العلوي (Nacelle) لمواجهة اتجاه الرياح المثالي.
  • التحكم في الشفرات (Pitching): يغير زاوية الشفرات لتنظيم سرعة الدوران والحماية من الرياح العاتية.
  • البدء والإيقاف: يبدأ التوربين عندما تصل سرعة الرياح إلى حد معين (عادة حوالي 3-4 م/ث) ويوقفه عند speeds عالية جدًا (حوالي 25 م/ث) لمنع التلف.
  • المراقبة والإبلاغ: يراقب أداء جميع المكونات ويرسل البيانات إلى مشغلي المحطة.

6. الفرامل (Braking System)

• الوظيفة: إيقاف الدوار لأغراض الصيانة أو في حالات الطوارئ أو عند هبوب رياح عاتية تتجاوز حد الأمان.
• النوعان:
  1. فرامل هوائية (Aerodynamic Braking): يتم تحقيقها عن طريق “طي” أطراف الشفرات (pitch-to-feather) لتقليل مقاومتها للهواء وإبطاء الدوران.
  2. فرامل ميكانيكية (Mechanical Braking): تعمل كفرامل تقليدية (احتكاكية) على عمود الدوران الرئيسي وتستخدم كنسخة احتياطية أو لإيقاف كامل.

7. الهيكل العلوي (Nacelle)

• الوظيفة: هو الغلاف الخارجي الذي يحيط ويحمي جميع المكونات الميكانيكية والكهربائية الرئيسية الموجودة أعلى البرج (مثل علبة التروس، المولد، نظام التحكم، الفرامل). يشبه “غرفة المحرك” للتوربين.

8. البرج (Tower)

• الوظيفة: يدعم الهيكل العلوي والدوار ويرفعهما إلى ارتفاعات عالية حيث تكون سرعات الرياح أعلى وأقل اضطرابًا.
• التصميم: يُصنع عادة من الفولضر على شكل أقسام أسطوانية مجوفة يتم تركيبها فوق بعضها البعض. يمكن أن يصل ارتفاع البرج في التوربينات الحديثة إلى 100 متر أو أكثر.

9. النظام الكهربائي المساعد (Auxiliary Systems)

• مهمته: الحفاظ على عمل التوربين بشكل آمن ومستقر. يشمل:
  • وحدة تبريد: تحافظ على برودة المولد وعلبة التروس.
  • مولد احتياطي صغير: لتشغيل الأنظمة عند انقطاع التيار.
  • نظام مقاومة الصقيع: يسخن الشفرات والحساسات لمنع تكون الجليد.
  • مضخة هيدروليكية: لتشغيل أنظمة الفرامل وتغيير زاوية الشفرات.
  • رافعة صغيرة: داخل البرج لتسهيل عمليات الصيانة.

10. أساس التوربين (Foundation)

• الوظيفة: هو القاعدة الخرسانية العملاقة المدفونة تحت الأرض والتي تثبت البرج بأكمله وتوازنه. يجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل وزن التوربين الهائل وقوى الرياح والاهتزازات الهائلة التي يتعرض لها.

سيمفونية هندسية متكاملة
توربين الرياح ليس مجرد مروحة بسيطة، بل هو نظام هندسي معقد ومتكامل. تعمل كل هذه المكونات معًا في انسجام تام، من التقاط الرياح بشفراتها الذكية إلى تكبير السرعة في علبة التروس، وتحويلها إلى كهرباء في المولد، والتحكم بكل هذه العملية بواسطة نظام حاسوبي متقدم. فهم ما بداخل توربين الرياح يزيد من تقديرنا لهذه التكنولوجيا التي تلعب دورًا محوريًا في مستقبل الطاقة النظيفة والمستدامة حول العالم.