كيف تُحرك الرياح عجلة الابتكار في العمارة المستدامة

الرياح إحدى أهم مصادر الطاقة المتجددة والنظيفة تماماً، تحظى باهتمام كبير نظراً لمزاياها البيئية والاقتصادية.

تتحول طاقة الرياح الحركية إلى طاقة كهربائية من خلال توربينات الرياح، والتي تقوم بتحويل حركة الرياح إلى طاقة ميكانيكية تدور مولدًا كهربائيًا.

العالم اليوم، تتزايد فيه التحديات البيئية، أصبحت الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح وغيرها، أحد الحلول المبتكرة التي لا يمكن تجاهلها. وفقًا لتقرير “وكالة الطاقة الدولية “IEA: (من المتوقع أن تُساهم طاقة الرياح بنسبة 18% من إجمالي الطاقة المتجددة عالميًا بحلول عام 2030) لكن ما يثير الاهتمام هو إمكانية دمج هذه الطاقة بشكل فعال في التصاميم المعمارية.

في العديد من المدن الذكية والمشاريع المعمارية المستدامة، يتم استغلال طاقة الرياح لتقليل التكاليف التشغيلية وتقليل انبعاثات الكربون. فمثلاً، بناءً على دراسة أجرتها دائرة الطاقة في ولاية كاليفورنيا، يمكن للمباني التي تحتوي على توربينات رياح صغيرة أن تخفض استهلاك الكهرباء بنسبة تصل إلى 30%. كما يمكن للمباني السكنية أو التجارية التي تُصمم بواجهات تتسم بالتهوية الطبيعية أن تستفيد من الرياح لتقليل الاعتماد على أنظمة التكييف الكهربائية. وإذا أضفنا إلى منظومة الطاقة فيها توربينات الرياح الصغيرة، فإننا نتحدث عن فرص حقيقية لتوليد طاقة متجددة خاصة بالمبنى نفسه.

وفي المجال المعماري، هناك العديد من المشاريع التي نجحت في دمج طاقة الرياح بشكل مبتكر.

تختلف كمية الطاقة التي توفرها مزارع الرياح حسب عوامل عدة مثل:

-حجم توربينات الرياح.

-سرعة الرياح.

-موقع مزرعة الرياح (المناطق ذات الرياح القوية المستمرة هي الأفضل)

-التكنولوجيا المستخدمة.

طاقة الرياح تساهم بشكل كبير في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وتقليل الانبعاثات الكربونية، ولكن تختلف كمية الوفر من مكان لآخر ومن مشروع لآخر.

تتطلب مزارع الرياح مساحات واسعة من الأراضي، خاصة للمشاريع الكبيرة. لذلك يمكن الاستفادة من الأراضي غير الصالحة للزراعة، مثل المناطق الساحلية أو الصحراوية. كما تحتاج مزارع الرياح إلى مناطق ذات رياح قوية ومستمرة. وتعتبر المناطق الساحلية والتلال والمناطق المفتوحة بشكل عام هي الأفضل لتوليد طاقة الرياح.

تكلفة طاقة الرياح:

-تكلفة إنشاء المزرعة: تشمل تكلفة شراء الأراضي، وتوربينات الرياح، وأنظمة التحكم، وشبكات الكهرباء.

-تكلفة التشغيل والصيانة: تشمل تكلفة صيانة التوربينات وتشغيلها.

انخفضت تكلفة توليد طاقة الرياح بشكل كبير في السنوات الأخيرة مع التطور التكنولوجي، مما جعلها تنافسية مع مصادر الطاقة التقليدية في العديد من المناطق.

مشاريع رائدة في مجال طاقة الرياح: أرقام واقعية ودراسات حالة

هناك العديد من المشاريع الرائدة في مجال طاقة الرياح حول العالم، والتي حققت نجاحًا كبيرًا وتوفر أرقامًا واقعية يمكن الاستفادة منها. تساهم هذه المزارع في مكافحة تغير المناخ وتحقيق مستقبل أكثر استدامة.

مزرعة رياح هورنبك في الدنمارك:

تعتبر مزرعة رياح هورنبك في الدنمارك واحدة من أكبر مزارع الرياح البحرية في العالم. تتميز هذه المزرعة بكفاءتها العالية وقدرتها على توليد كميات كبيرة من الطاقة النظيفة. توربينات الرياح الخاصة بها مثبتة في قاع البحر على منصات خاصة، بدلاً من تثبيتها على اليابسة.

تبلغ القدرة الإنتاجية لمزرعة هورنبك أكثر من 400 ميغاواط، مما يجعلها قادرة على تزويد مئات الآلاف من المنازل بالطاقة الكهربائية. كما ساهمت مزرعة هورنبك بشكل كبير في تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة في الدنمارك.

مزرعة رياح لندن أري (London Array):

تقع مزرعة رياح "لندن أري" قبالة ساحل مقاطعة إسكس في جنوب شرق إنجلترا، وهي أكبر مزرعة رياح بحرية في المملكة المتحدة عند انشائها. تتميز هذه المزرعة بقدرتها الإنتاجية العالية التي تساهم بشكل كبير في تلبية احتياجات الطاقة في المنطقة.

تتكون المزرعة من مئات توربينات الرياح الضخمة، مما يجعلها واحدة من أكبر المزارع البحرية في العالم من حيث القدرة الإنتاجية، تستخدم المزرعة أحدث التقنيات في مجال توربينات الرياح، مما يضمن كفاءة عالية في توليد الطاقة.

يقع الموقع الذي أقيمت فيه المزرعة في منطقة تتميز بوجود رياح قوية وثابتة، مما يزيد من إنتاجية المزرعة، كما تم تصميم وبناء المزرعة بأقل أثر بيئي، حيث تم مراعاة الحفاظ على الحياة البحرية والنظام البيئي البحري.

مزرعة رياح جايسالمر (Jaisalmer):

تقع مزرعة رياح جايسالمر في ولاية راجاستان الهندية، وهي أكبر مزرعة رياح برية في الهند. تساهم هذه المزرعة بشكل كبير في زيادة حصة الطاقة المتجددة في مزيج الطاقة الهندي.

تغطي المزرعة مساحة شاسعة من الأراضي الصحراوية، مما يوفر مساحة كافية لتركيب عدد كبير من توربينات الرياح، تتميز المنطقة بوجود رياح قوية وثابتة على مدار العام، مما يجعل الموقع مثاليًا لتوليد طاقة الرياح، تساهم المزرعة في تحقيق أهداف التنمية المستدامة في الهند من خلال توفير طاقة نظيفة وخضراء.

مزرعة رياح قانسو (Gansu) أكبر مزرعة رياح في العالم:

تقع مزرعة رياح قانسو في مقاطعة قانسو شمال غرب الصين، وهي أكبر مزرعة رياح في العالم من حيث القدرة الإنتاجية. تلعب هذه المزرعة دورًا حيويًا في جهود الصين لتحقيق الحياد الكربوني.

تتميز المزرعة بقدرة إنتاجية هائلة تساهم بشكل كبير في تلبية احتياجات الطاقة في الصين، وتعكس هذه المزرعة الاستثمار الكبير الذي تقوم به الصين في قطاع الطاقة المتجددة.

تستخدم المزرعة أحدث التقنيات في مجال توربينات الرياح، مما يضمن كفاءة عالية في توليد الطاقة.

ولا ننسى تجربة المملكة المتحدة الرائدة في هذا المجال مذكورة في مقالنا (ثورة الطاقة النظيفة: استكشاف الحلول المستدامة التي تشكل عالمنا الجديد) لمن أراد المزيد حول مصادر الطاقة النظيفة.

أهمية هذه المزارع:

تساهم هذه المزارع الضخمة في تحقيق العديد من الأهداف المهمة، تتضمن ما يلي:

-تعزيز أمن الطاقة وتقليل الاعتماد على واردات الطاقة من الوقود الأحفوري وتقليل الانبعاثات الكربونية.

-خلق فرص عمل جديدة في المناطق المحلية.

-تحفيز النمو الاقتصادي في المناطق التي تقع فيها.

ما سبب اختيار بناء مزارع الرياح في البحر؟

هناك عدة أسباب وراء هذا الاختيار:

-سرعة الرياح: عادة ما تكون سرعة الرياح أعلى وأكثر استقرارًا في البحر مقارنة باليابس، مما يزيد من كفاءة توليد الطاقة.

-المساحة: لا توجد قيود على المساحة المتاحة لبناء مزارع الرياح البحرية كما هو الحال في اليابس، مما يسمح ببناء مزارع أكبر وأكثر إنتاجية.

-التأثير البصري: يكون التأثير البصري لمزارع الرياح البحرية أقل مقارنة بالمزارع البرية، مما يقلل من المعارضة المجتمعية.

وقد تكون هناك بعض مزارع الرياح الهجينة التي تحتوي على توربينات مثبتة في كل من اليابس والبحر معاً.

مستقبل طاقة الرياح:

من المتوقع أن يشهد قطاع طاقة الرياح نموًا مطردًا في السنوات المقبلة، مدفوعًا بالعوامل المذكورة أعلاه. كما يتوقع الخبراء أن تلعب طاقة الرياح دورًا حاسمًا في تحقيق أهداف التنمية المستدامة والحد من تغير المناخ.

وقد شهد مجال طاقة الرياح تطورات تكنولوجية هائلة في السنوات الأخيرة، مما أدى إلى زيادة كفاءة توربينات الرياح وخفض تكلفتها. إليك بعض أبرز هذه التطورات:

توربينات الرياح ذات المحاور العمودية: وهي الأكثر استخداماً اليوم، هذه التوربينات تتميز بقدرتها على توليد الطاقة من رياح ذات سرعات منخفضة واتجاهات متغيرة، مما يجعلها مناسبة لمواقع أكثر تنوعًا.

وهي إما توربينات عائمة مصممة للعمل في المياه العميقة، حيث يتم تثبيتها على منصات عائمة بدلاً من تثبيتها على قاع البحر. وتوفر هذه التوربينات إمكانية الوصول إلى رياح أقوى وأكثر ثباتاً في المناطق البحرية.

أو توربينات عمودية مصممة للعمل في المناطق الحضرية، حيث يتم تثبيتها بشكل عمودي، مما يقلل من تأثيرها على المناظر الطبيعية.

توربينات الرياح الطائرة: تعتمد هذه التوربينات على مبدأ الطائرات بدون طيار مجهزة بمولدات كهربائية، وتتميز بمرونة عالية وقدرتها على العمل في مناطق يصعب الوصول إليها، سنتكلم عنها لاحقاً.

أنظمة تخزين الطاقة: يتم تطوير أنظمة تخزين الطاقة المتقدمة مثل بطاريات الليثيوم أيون لتمكين تخزين الطاقة الزائدة من توربينات الرياح واستخدامها عند الحاجة.

الذكاء الاصطناعي: يتم استخدام الذكاء الاصطناعي لتحسين أداء توربينات الرياح من خلال تحليل البيانات والتنبؤ بظروف الرياح، مما يساهم في زيادة الإنتاجية وتقليل التكاليف التشغيلية.

المواد المتقدمة: يتم استخدام مواد جديدة خفيفة الوزن وقوية في تصنيع شفرات التوربينات، مما يزيد من كفاءتها وعمرها الافتراضي سنتكلم عنها في هذا المقال.

الرقمنة: يتم تطبيق تقنيات الرقمنة والإنترنت على توربينات الرياح لتمكين المراقبة عن بعد والصيانة التنبؤية.

تساهم هذه التطورات في زيادة كفاءة توربينات الرياح وتقليل تكلفة توليد الطاقة. كما تمكن من استخدام طاقة الرياح في مناطق أكثر تنوعًا، بما في ذلك المناطق الحضرية والمناطق ذات الرياح المنخفضة. بالإضافة إلى مساهمتها في تحقيق أهداف الاستدامة من خلال تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وتقليل الانبعاثات الكربونية.

المواد المستخدمة في تصنيع شفرات توربينات الرياح: قوة وخفة الوزن

تعد شفرات توربينات الرياح من أهم المكونات التي تؤثر على كفاءة توليد الطاقة الكهربائية من الرياح. لذلك يتم استخدام مواد خاصة تتميز بالقوة والخفة والمرونة لضمان أقصى استفادة من طاقة الرياح.

كلما كانت الشفرة أخف وزنًا، كلما احتاجت إلى طاقة أقل للدوران، مما يزيد من كفاءة توليد الطاقة.

كما أن المواد القوية والمقاومة للتآكل تضمن عمرًا افتراضيًا أطول للشفرة، وتقلل من تكاليف الصيانة. والمرونة تسمح للشفرة بالتحمل في وجه الظروف الجوية القاسية، مثل الرياح العاتية والأعاصير.

المواد المستخدمة بشكل شائع: المركبات المقواة بالألياف (Fiber-Reinforced Composites):

الألياف الزجاجية (Fiberglass): تعتبر الألياف الزجاجية من المواد الأكثر شيوعًا في تصنيع شفرات توربينات الرياح، فهي توفر قوة عالية وخفة وزن وتكلفة معقولة.

ألياف الكربون (Carbon Fiber): تتميز ألياف الكربون بقوة عالية جدًا وخفة وزن، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الشفرات التي تتطلب أداءً عالياً. ولكنها أعلى سعراً من الألياف الزجاجية.

ألياف البازلت (Basalt Fiber): تعتبر ألياف البازلت بديلًا واعدًا للألياف الزجاجية، فهي تتميز بقوة عالية ومقاومة للحرارة، وتتوفر بأسعار تنافسية.

الراتنجات: يتم استخدام الراتنجات لربط الألياف معًا وتشكيل مادة مركبة متماسكة. أشهر أنواع الراتنجات المستخدمة هي الايبوكسي والبوليستر.

مزايا استخدام المركبات المقواة بالألياف:

خفة الوزن حيث تقلل من الحمل على المحور والعمود، مما يزيد من عمر الخدمة. وكذلك القوة العالية لتتحمل الأحمال الديناميكية الناتجة عن الرياح القوية. والمقاومة للتآكل لتتحمل الظروف الجوية القاسية والأشعة فوق البنفسجية. كما أن التصميم المرن للشفرات بأشكال معقدة تحسن الأداء.

ومع استمرار التطور التكنولوجي، من المتوقع أن نشهد ظهور مواد جديدة أكثر كفاءة واقتصادية في المستقبل.

توربينات الرياح الطائرة:

تختلف هذه التوربينات عن التوربينات التقليدية الأرضية. فهي مصممة بشكل خاص ليكون لها وزن خفيف وقدرة على الطيران بفعالية في التيارات الهوائية، حيث تصنع هذه التوربينات من مواد خفيفة ومتينة مثل الكربون فايبر والألومنيوم، مما يساعدها على الطيران بسهولة وتحمل الظروف الجوية المختلفة. ويتم التحكم بها عن بعد باستخدام أنظمة ذكية تستطيع تحديد أفضل المواقع للطيران للحصول على أقصى قدر من الطاقة من الرياح.

عندما تهب الرياح، تدور المولدات الكهربائية المثبتة على الطائرة، مما ينتج تيارًا كهربائيًا يمكن تخزينه أو نقله إلى الشبكة الكهربائية.

Share the post

Subscribe to our newsletters

ما هي المميزات التي تجعل هذه التوربينات مختلفة؟

مرونة أكبر من جهة المواقع المناسبة لها فيمكن نشر هذه التوربينات في مناطق يصعب الوصول إليها أو في المناطق التي تتغير فيها سرعة واتجاه الرياح بشكل كبير، مثل المناطق الجبلية أو الساحلية.

وقد تكون تكلفة إنشاء وتشغيل هذه التوربينات مستقبلاً أقل مقارنة بالتوربينات الأرضية التقليدية، خاصة في بعض الحالات، ولكنها لا تزال الآن مرتفعة الكلفة، ولا تتطلب هذه التوربينات بناء بنى تحتية كبيرة، مما يقلل من تأثيرها البيئي.

ما هي التحديات التي تواجه هذه التكنولوجيا؟

-التخزين: لا تزال هناك تحديات في تخزين الطاقة الناتجة من هذه التوربينات، خاصة في المناطق النائية.

-الاعتماد على الطقس: تعتمد كفاءة هذه التوربينات بشكل كبير على ظروف الرياح، مما يجعلها عرضة لتقلبات الطقس.

-السلامة: يجب ضمان سلامة الطيران والتشغيل لهذه التوربينات، خاصة في المناطق المأهولة.

تعتبر توربينات الرياح الطائرة تقنية واعدة في مجال الطاقة المتجددة، ولكنها لا تزال في مراحل التطوير المبكرة. وتقوم كثير من الشركات الناشئة وشركات الطاقة التقليدية وكثير من المؤسسات البحثية والجامعات بمزيد من البحث والتطوير، ويمكن أن تلعب هذه التوربينات دورًا مهمًا في مستقبل الطاقة النظيفة.

التحديات التي تواجهها اليوم مشاريع طاقة الرياح:

-البنية التحتية: يجب توفر البنية التحتية اللازمة لنقل الطاقة الكهربائية المنتجة من مزارع الرياح إلى الشبكة الكهربائية.

الدعم الحكومي: تقدم العديد من الحكومات حوافز مالية ودعماً تشريعيًا لمشاريع طاقة الرياح إلا أن هذا الدعم يبقى محدوداً في دول دون أخرى..

الوعي البيئي: ازدياد الوعي بأهمية الطاقة المتجددة وتأثير تغير المناخ، يدفع المستثمرين والشركات إلى الاستثمار في مشاريع طاقة الرياح.

التكاليف المالية: تتطلب إنشاء مزارع الرياح استثمارات كبيرة في البداية، ولا تزال تكلفة بعض المواد المركبة عالية، مما يمثل تحديًا لخفض تكلفة إنتاج توربينات الرياح ، ولايزال الدراسات والتجارب في هذا المجال مستمراً، مما يعد بمستقبل هام جداً.

وبشكل عام، تشير العديد من الدراسات إلى أن مشاريع طاقة الرياح يمكن أن تحقق عائدًا على الاستثمار خلال فترة تتراوح بين 5 إلى 15 عامًا، مع توفير وفورات كبيرة في تكاليف الطاقة على المدى الطويل. وقد أشارت بعض الدراسات أن طاقة الرياح يمكن أن يصل الوفر في الطاقة الذي تقدمه إلى 80% من تكاليف توليد الكهرباء مقارنة بالطرق التقليدية في بعض الحالات.

التحديات المستقبلية:

-التأثير البيئي: على الرغم من كونها طاقة نظيفة، إلا أن بناء مزارع الرياح في مناطق غير مدروسة قد يؤثر على الحياة البرية والبيئة البحرية.

-تكلفة التخزين: لا تزال تكلفة أنظمة تخزين الطاقة عالية نسبيًا.

-التكامل مع الشبكة الكهربائية: يتطلب دمج كميات كبيرة من الطاقة المتجددة في الشبكة الكهربائية تطوير أنظمة إدارة الشبكة الذكية.

-القبول المجتمعي: قد تواجه مشاريع طاقة الرياح معارضة من المجتمعات المحلية بسبب التأثيرات البصرية والضوضاء.

إعادة التدوير: يعتبر إعادة تدوير المركبات المقواة بالألياف تحديًا بيئيًا.

الأبحاث والتطوير: يتم إجراء أبحاث مستمرة لتطوير مواد جديدة ذات خصائص أفضل وأسعار أقل.

أخيراً:

يشهد مجال طاقة الرياح تطورات تكنولوجية متسارعة، مما يجعلها خيارًا واعدًا لتحقيق مستقبل طاقة مستدام، ومع استمرار البحث والتطوير، يمكننا توقع المزيد من الابتكارات التي ستساهم في تعزيز دور طاقة الرياح في مزيج الطاقة العالمي.

Comparison of some of the world's largest wind farms: