How do wind turbines work? - Rebecca J. Barthelmie and Sara C. Pryor

المترجم: Hani Eldalees المدقّق: Ghada Khalil

Every 24 hours, wind generates enough kinetic energy

تولد الرياح كل 24 ساعة طاقة حركية تكفي

to produce roughly 35 times more electricity than humanity uses each day.

لتوليد ما يقارب 35 ضعف كمية الكهرباء التي تستخدمها البشرية يوميًا.

And unlike coal or oil, this resource is totally renewed each day.

وهذه الطاقة تتجدد بالكامل يوميًا بعكس الفحم أو النفط.

So how can we harness this incredible amount of energy,

فكيف يمكننا استغلال هذا القدر المذهل من الطاقة،

and is it possible to create a world powered entirely by wind?

وهل من الممكن أن نوجِد عالمًا يُدار بالكامل بطاقة الرياح فقط؟

The basic principle of wind energy is simple.

المبدأ الذي تقوم عليه طاقة الرياح بسيط للغاية.

A series of sails or blades mounted around a rotor catch the wind

سلسلة من الأشرعة أو ريش المراوح مُثبتة على محور تدور لالتقاط الرياح

and translate its kinetic energy into rotational energy.

وهو ما يحول الطاقة الحركية إلى طاقة دوارة.

Traditional windmills use that rotational energy to grind wheat or pump water.

تستخدم طواحين الهواء التقليدية الطاقة الدوارة لكي تطحن القمح أو تضخ الماء.

But in modern wind turbines, it turns a generator that creates electricity.

ولكن في توربينات المواد الحديثة، فهي تُدير مولدات منتجة للكهرباء.

This conversion from wind to rotational energy to electricity

هذا التحويل من طاقة الرياح الحركية إلى طاقة دوارة ومن ثم إلى الكهرباء

has defined wind turbines since their invention in the late 19th century.

هو السمة الأبرز لتوربينات الهواء منذ اختراعها في أواخر القرن 19.

And there are three primary factors that determine just how much energy

وتوجد ثلاث نقاط أساسية تحدد مقدار الطاقة التي يمكن إنتاجها:

they can produce: the size and orientation of the blades,

حجم وطريقة تثبيت ريش المراوح

the blade’s aerodynamic design, and the amount of wind turning the rotor.

والتصميم الديناميكي الهوائي للريش

وكمية الهواء المؤدية لدوران القاعدة الدوارة.

First up, blade orientation.

أولًا، طريقة تثبيت ريش المروحة.

Wind turbines can be designed with their rotor

يمكن تثبيت القاعدة الدوارة لتوربينات الهواء

on a vertical axis or a horizontal axis.

على محور عمودي أو أفقي.

Vertical blades can pick up wind coming from any direction,

بتثبيت الريش على محور عمودي يمكنها التقاط الرياح من مختلف الجهات،

but with much less efficiency than horizontal axis rotors.

ولكن بكفاءة أقل مما يحدث عند تثبيت القاعدة الدوارة على محور أفقي.

Horizontal designs allow blades to capture the wind’s full force

يتيح التصميم الأفقي لريش المراوح التقاط الطاقة الكاملة للرياح

من خلال تتبع اتجاه ارياح والالتفاف لكي تواجهها.

by tracking the wind’s direction and turning to face it.

تسمى عملية الالتفاف بالانعراج،

This turning process is called yawing,

and older windmills achieved it through manual monitoring.

وكان ذلك يُنفَّذ في الطواحين القديمة من خلال التوجيه اليدوي.

Today, wind sensors and computer systems automatically adjust the blades

واليوم، تُعدِّل مستشعرات الرياح وأنظمة الكمبيوتر الريش آليًا وبدقة متناهية

with expert precision to capture as much energy as possible.

لالتقاط أكبر قدر ممكن من الطاقة.

Outside rotor orientation,

بخلاف طريقة تثبيت القاعدة الدوارة،

the blades themselves need to be shaped to maximize efficiency.

يجب أن يُصمَّم جسم ريش المراوح بشكل يحقق أكبر قدر من الكفاءة.

وحيث أن التصاميم الأولية كانت تستخدم ريش مسطحة،

While early designs used flat blades,

modern blades are curved like airplane wings.

فإن التصميم الحديث للريش مُنحنٍ كما في أجنحة الطائرات.

Wind travels faster over the curved surface,

تتحرك الرياح بشكل أسرع فوق المسطحات المنحنية،

creating a low-pressure pocket above the blade that forces it upwards.

مما ينشئ جيبًا من الضغط المنخفض فوق الشفرة التي تدفعها لأعلى.

Since the amount of lift depends on the angle

وحيث أن مقدار الدفع للأعلى يعتمد على الزاوية

at which the wind is moving relative to the blade,

التي تتحرك بها الرياح مقارنة بريشة المروحة،

modern blades also incorporate a twist,

تُصمَّم الريش الحديثة أيضًا ببعض الانحناء

optimizing how much of the blade can cut into the wind.

مما يؤدي إلى زيادة سطح الريشة الذي يمكنه الدوران مع الرياح.

Made of fiberglass and resin layers, these blades are strong enough

تُصنع الريش من طبقات من الألياف الزجاجية والصمغ، مما يجعلها قوية كفاية

to operate through rain, lightning, and blistering sunlight for over 20 years.

لكي تعمل في الأمطار والعواصف الرعدية والشمس الحارقة لأكثر من 20 عامًا.

وحتى مع التصميم الديناميكي الهوائي للريش مع قاعدة دوارة أفقية،

Even with aerodynamic blades and a horizontal rotor,

a wind turbine can only capture wind if it's in a windy environment.

تستطيع التوربينات الهوائية التقاط الهواء فقط في بيئات شديدة الرياح.

Wind speeds typically increase the higher into the atmosphere you travel.

تزيد سرعة الرياح كلما صعدت لطبقات الجو العليا.

So today, most turbines are well over 100 meters tall,

ولذا، يزيد طول أغلب التوربينات اليوم عن ١٠٠ متر

with equally large rotor diameters.

وكذلك قطر القاعدة الدوارة.

يمكن لتوربين بهذا الارتفاع والحجم أن يحصد قدرًا كبيرًا من الرياح،

A turbine of this height and size can capture a huge amount of wind,

generating enough electricity every year to power 750 American homes.

مما يولد كمية من الكهرباء تكفي لتزويد 750 منزل أمريكي سنويًا.

A wind farm of 200 similarly sized turbines

فمزرعة رياح مكونة من 200 توربين من نفس الحجم

could power over 150,000 American homes— or twice as many European homes—

يمكنها تزويد أكثر من 150000 منزل أمريكي أو ضعفهم من المنازل الأوروبية بالكهرباء

for an entire year.

لمدة عام كامل.

Offshore wind farms contain an even greater number of even larger turbines.

تحتوي مزارع الرياح البحرية على عدد أكبر من التوربينات وبحجم أكبر كذلك.

In 2019, the largest wind turbine ever built

بُني أكبر توربين في العالم في عام 2019

began operating off the coast of the Netherlands.

وبدأ تشغيله بالقرب من شواطئ هولندا.

With a rotor diameter of 220 meters, just one of these turbines

وبقطر قاعدة دوارة يبلغ 220 متر، يستطيع واحد فقط من هذه التوربينات

can meet the annual power needs of 16,000 European households.

أن يوفر الاحتياج السنوي من الطاقة لعدد 16000 منزل أوروبي.

Despite its amazing potential, wind energy still faces challenges.

تواجه طاقة الرياح الكثير من التحديات بالرغم من إمكانياتها المدهشة.

Wind may be a free and unlimited fuel,

صحيح أن الرياح هي طاقة مجانية ولا تنضب،

but no matter how large or efficient a turbine is

إلا إنه بالرغم من حجم وفعالية التوربين

there's a mathematical limit to how much wind it can convert into electricity.

توجد حدود رياضية لكمية الرياح التي يمكن تحويلها لكهرباء.

توصل عالم الفيزياء الألماني ألبرت بيتز من خلال عملية حسابية

German physicist Albert Betz calculated

that since some wind must remain to keep the blades spinning,

إلى أنه نظرًا لأن بعض الهواء يجب أن يبقى للحفاظ على دوران ريش التوربين،

a turbine can only ever capture 59.3% of the wind’s energy.

يمكن للتوربين حصد 59.3% من طاقة الرياح فقط.

Additionally, some people feel turbines disrupt natural scenery,

بالإضافة إلى ذلك، يشعر بعض الناس أن التوربينات تخل بالمناظر الطبيعية،

and wind energy’s intermittent availability

كما أن الوجود المتقطع لطاقة الرياح

يجعل من الصعب دمجها في شبكات الكهرباء.

can make it difficult to integrate into electrical grids.

But even with these challenges, modern wind turbines have made wind energy

لكن بالرغم من هذه التحديات، فقد جعلت التوربينات الحديثة طاقة الرياح

the most efficient and inexpensive source of electricity.

أكثر مصادر الكهرباء كفاءة والأقل تكلفة.

Wind turbines already provide essential energy for communities around the world.

توفر توربينات الرياح الاحتياجات الأساسية من الطاقة للمجتمعات حول العالم.

And for many farmers, hosting a wind turbine

ووجود أحد هذه التوربينات بالنسبة للعديد من المزارعين

can be a reliable source of additional income.

يمكنه أن يكون مصدرًا يمكن الاعتماد عليه للحصول على دخل إضافي.

With continued improvements in wind forecasting,

ومع التحسينات المستمرة في التنبؤ بالرياح

والبنية التحتية للشبكة الكهربائية وتخزين الطاقة،

electrical grid infrastructure and energy storage,

wind power might blow away all our energy problems.

قد تعصف طاقة الرياح بجميع مشاكل الطاقة لدينا بعيدًا.