أنواع طواحين الهواء ؟.. وكيف تعمل لتوليد الطاقة

ما هي طاحونة الهواء

يستخدم جهاز طاحونة الهواء أشرعة مثبتة على عمود دوار لاستخدام طاقة الرياح، وتوضع الأشرعة بزاوية أو تنحرف قليلا لتنقسم قوة الرياح تجاهها إلى مكونين، حيث يعطي واحد منهما دورانا في مستوى الشراع.

تم استخدام طاقة الرياح لأول مرة من قبل البحارة الذين فهموا المصعد، والذين يمكنهم استخدام طاقة الرياح من خلال الأشرعة، وهذا أدى إلى تطوير أول طاحونة هوائية بعمود رأسي، والتي كان يستخدمها الفرس والصينيون القدماء لطحن الحبوب وضخ المياه.

تعد طاحونة الهواء آلة صديقة للبيئة، إذ تعمل بالطاقة المتجددة ولا تسبب انبعاثات تلوث البيئة، وقد شكلت طواحين الهواء الأوروبية المبكرة نظاما أساسيا لتقنية توربينات الرياح الحالية لإنتاج الكهرباء .

أنواع طواحين الهواء

طاحونة بوست

تُعتبر الطاحونة اللاحقة من بين أقدم أنواع طواحين الهواء، حيث تعتمد على عمود يدور حوله للتقاط الرياح وتشغيل الآلية. والسمة المميزة لهذا النوع من الطواحين هي أن جسم الطاحونة بأكمله، بما في ذلك الماكينة، مركب على عمود رأسي واحد يمكن قلبه لتحريك الأشرعة وتوجيهها نحو الرياح.

مطحنة سموك “الطاحونة الدخانية”

هي نوع من أنواع طواحين الهواء التي تتكون من برج مائل أو مائل أفقيا أو مسقوفا أو قشريا، وعادة ما يكون لها ستة أو ثمانية أوجه يغطيها سقف أو غطاء يدور لإدخال الأشرعة في اتجاه الريح، وتتكون الهيكل الميكانيكي من الخشب وعادة ما يثبت على قاعدة من الطوب. تختلف هذه الطواحين عن طواحين الهواء الرأسية في أن جسمها لا يدور مثل الطواحين ذات البرج، بسبب الغطاء الذي يدور لمواجهة الريح.

مطحنة البرج

طاحونة البرج هي نوع من طواحين الهواء العمودية التي يتم بناؤها على شكل برج من الطوب أو الحجر، ويتم تغطيتها بغطاء خشبي أو سقف، حيث يدور الغطاء فقط للسماح للأشرعة برؤية اتجاه الرياح.

طاحونة مروحة

تُعتبر طواحين الرياح من تصميمات الطواحين الهوائية الصغيرة ذات الاستخدام الواحد، ولها من أربع إلى عشرين ريشة، وتستخدم بشكل أساسي لضخ المياه.

تاريخ طاحونة الهواء

يعود الأساس الأقرب لشكل معروف في تاريخ طواحين الهواء إلى مركب الطواحين الفارسي وطواحين الهواء في سيستان وبلاد فارس. وتعتبر طواحين الهواء من النوع الأفقي، ومطحنة الشراعية تشع من محور عمودي وتقف في مبنى ثابت يحتوي على فتحات متعاكسة لدخول وخروج الرياح. وتتحرك كل مطحنة بزوج واحد من الأحجار المباشرة، دون استخدام التروس. وتمتاز التصميمات بأنها مستمدة من أقدم طواحين المياه.

تم إرسال عمال الطواحين الفارسيين الذين أسروا من قبل قوات جنكيز خان إلى الصين لتعليم بناء طواحين الهواء، ولقد استمر استخدامها في الري هناك منذ ذلك الحين، واستخدم الفرس أقدم الطواحين للحبوب ومضخات المياه التي تعمل بالرياح في الفترة من 500 إلى 900 ميلادية، واستخدمها الصينيون في عام 1200 ميلادية، وصمم دانييل هالاداي أول طاحونة هوائية أمريكية الصنع عندما بدأ في اختراع طواحين الهواء في متجر آلات كونيتيكت في عام 1854.

تم استخدام طاقة الرياح منذ آلاف السنين، بدءا من اختراع المراكب الشراعية كأول مثال واضح على استخدام طاقة الرياح، وكانت الطاحونة ناجحة جدا في ضخ المياه للمزارع على الحواف الغربية الشاسعة، ولعبت دورا رئيسيا في توسيع السكك الحديدية، حيث كانت المياه ضرورية لتشغيل المحركات البخارية المبكرة.

كما بدأ ما يزيد عن 1000 مصنع صغير وكبير في استخدام طواحين الهواء لضخ المياه. وفي القرن التاسع عشر، خضعت طواحين الهواء في أمريكا لهيكلة جديدة، مما أدى إلى ظهور نوعين من طواحين الهواء المستخدمة حتى الآن، وهما: تصاميم الهوائي وتصاميم ديمبستر. تم تسعير هذه الطواحين بواسطة طاحونة هالاداي التي تم تصميمها عام 1854. كما استخدمت الولايات المتحدة أكثر من ستة ملايين طاحونة هوائية بين القرنين الثامن عشر والتاسع عشر.

استخدامات الطاحونة الهوائية

• كان أحد أهم استخدامات طواحين الهواء هو طحن الحبوب في بعض المناطق، وكانت الاستخدامات الأخرى للطواحين تشمل تصريف المياه وضخها بنفس القدر.
• تم استخدام طواحين الهواء كمصدر للطاقة الكهربائية منذ بناء مطحنة P La Cour في الدنمارك عام 1890، والتي استخدمت أشرعة براءة اختراع وأشرعة توأمية على برج فولاذي لتوليد الطاقة الكهربائية على المستويين الفردي والتجاري في السبعينيات.
• تستخدم طواحين الهواء توربينات الرياح لتحويل طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية، وهي أجهزة ميكانيكية.
• – تستخدم طواحين الهواء لعدة أغراض، مثل ضخ المياه الجوفية وطحن الحبوب واستخلاص الزيت من البذور، ومعالجة بعض السلع مثل التبغ والكاكاو والأصباغ ودهانات البهارات، وكذلك لسقي المحاصيل والمخزون.

كيف تعمل طاحونة الهواء على توليد الطاقة

تعمل طواحين الهواء عن طريق استخدام توربينات الرياح التي تحول حركة الرياح إلى الكهرباء، ويقوم دوران المروحة بتدوير التوربينات الشبيهة بالمروحة حول الدوار، وهذا يؤدي إلى تدوير المولد وتوليد الكهرباء بشكل مستمر.

بالإضافة إلى ذلك، تتسبب الرياح الناتجة عن ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي غير المتساوي بسبب تأثير الشمس ودوران الأرض وعدم انتظام سطح الأرض، في تباين أنماط تدفق الرياح من مكان إلى آخر وتتغير باختلاف المياه والنباتات والتضاريس.

عندما تم بناء أول توربينات الرياح الحديثة، تم تجربة العديد من الخيارات، ويتمثل مبدأ التصميم العام في تشغيل التوربين بثلاث شفرات فقط مرتبة حول دوار متصل بعمود، وتم تجربة عدد من الاختلافات مثل وجود نصلان وشفرة واحدة، لكن ثلاث شفرات تعمل بشكل أفضل.

مصدر الطاقة الوحيد لطاحونة الهواء مشتق من الرياح، وتقوم الرياح بتدوير الشفرات، والتي تقوم بتدوير عمود الدوران مما يتسبب في قيام المولد بإنتاج الكهرباء، وتتصل هذه الشفرات بمولد أحيانًا من خلال علبة تروس وأحيانًا بشكل مباشر وفي كلتا الحالتين يقوم المولد بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

ومن المثير للاهتمام أنّ معظم التوربينات الحديثة تدور في اتجاه عقارب الساعة اعتمادًا على سرعة الرياح، ويمكن أن تعمل معظم التوربينات الحديثة بسرعات منخفضة تصل إلى أربعة أمتار في الثانية حتى 15 ميجابكسل، وبمجرد أن تقوم ريش التوربين بتدوير عمود موجود في صندوق أعلى التوربين، يتم تشغيل وضع التروس ويتم إخراج سرعة أعلى ثم يقوم محول في التوربين بتحويل الكهرباء إلى جهد مناسب للتوزيع على شبكة وطنية.

مكونات الطاحونة الهوائية

تتمثل أجزاء الطاحونة الهوائية فيما يلي:

• الشفرات الدوارة: تعمل الشفرات الدوارة في توربينات الرياح بنفس مبدأ أجنحة الطائرة، حيث تتميز بجانب واحد من الشفرة بأنه منحني والجانب الآخر مسطح، وعندما تهب الرياح فوقها، يتم رفع الشفرة ودورانها، وتحتوي معظم التوربينات على شفرتين أو ثلاث شفرات، وتتحرك الشفرات بفعل الهواء لتوازن الضغط وتحقيق دورانها.
• الكنة: يحتوي على مجموعة من التروس والمولدات، ويحتوي على صندوق تروس وأعمدة ذات سرعة منخفضة وعالية، بالإضافة إلى المولد ونظام التوجيه والفرامل. ويوجد أيضا كرات كبيرة بما يكفي للسماح لطائرة هليكوبتر بالهبوط عليها. تقوم التروس بتحويل الدوران البطيء نسبيا للشفرة إلى سرعة دوران المولد التي تبلغ حوالي 1500 دورة في الدقيقة. ومن ثم يقوم المولد بتحويل طاقة الدوران من الشفرات إلى طاقة كهربائية.
• البرج: توضع الشفرات على البرج، وتتكون من أنابيب فولاذية أو خرسانية أو شبكة فولاذية، لدعم بناء التوربينات مع زيادة سرعة الرياح مع الارتفاع، ويمكن للتوربينات ذات الأبراج العالية امتصاص المزيد من الطاقة وتوليد المزيد من الكهرباء.
• مقياس شدة الريح: يقوم بقياس سرعة الرياح ونقل بيانات السرعة إلى جهاز التحكم المخصص.