ما المقصود بكثافة طاقة الرياح؟
كثافة طاقة الرياح (WPD) هي مقدار الطاقة الحركية التي تتدفق عبر متر مربع واحد من المساحة العمودية على اتجاه الرياح، وتُقاس بالواط لكل متر مربع (واط/م²). وتُعدّ المؤشر الأهم على الإطلاق لتقييم مورد الرياح في موقع معيّن، لأنها تعكس مدى الاعتماد الشديد للطاقة المتاحة على سرعة الرياح. وبما أن الطاقة تتناسب مع مكعّب سرعة الرياح، فإن مضاعفة سرعة الرياح تجعل الطاقة المتاحة أكبر بنحو ثمانية أضعاف.
كيفية استخدام الحاسبة
أدخل سرعة الرياح بوحدة المتر في الثانية، وكثافة الهواء بوحدة الكيلوغرام لكل متر مكعب. عند مستوى سطح البحر ودرجة حرارة 15 °م، تبلغ كثافة الهواء نحو 1.225 كغ/م³، وهي القيمة الافتراضية. فالهواء الأبرد والأكثر كثافة يمنح طاقة أكبر، بينما تؤدي الارتفاعات العالية ودرجات الحرارة الأعلى إلى خفضها. وتعرض الحاسبة كثافة طاقة الرياح النظرية بوحدة واط/م² (وكذلك كيلوواط/م²).
شرح المعادلة
المعادلة هي $$\frac{P}{A} = \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot v^{3}$$ حيث \(\rho\) هي كثافة الهواء و\(v\) هي سرعة الرياح. ويمثّل الحدّ \(\frac{1}{2}\cdot\rho\cdot v^{2}\) الضغط الديناميكي (الطاقة لكل وحدة حجم)، وبضربه في \(v\) نحصل على معدّل التدفق الحجمي لكل وحدة مساحة، ليكون الناتج هو القدرة لكل وحدة مساحة. لاحظ أن هذه هي القدرة الكامنة في الرياح، وليست القدرة التي يمكن للتوربين استخلاصها، إذ يحدّ حدّ بيتز القدرة القابلة للاستخدام عند نحو 59.3%.
مثال محلول
عند سرعة رياح تبلغ 10 م/ث وكثافة هواء قياسية مقدارها 1.225 كغ/م³: $$\frac{P}{A} = 0.5 \times 1.225 \times 10^{3} = 0.5 \times 1.225 \times 1000 = 612.5 \text{ واط/م}^2$$ وهذا يقابل فئة "جيدة" من موارد الرياح.
الأسئلة الشائعة
لماذا تهمّ كثافة الهواء؟ الهواء الأكثر كثافة يحمل كتلة أكبر، ومن ثَمّ طاقة حركية أكبر عند السرعة نفسها، ما يزيد القدرة المتاحة بشكل متناسب.
هل هذه هي القدرة التي ينتجها التوربين؟ لا. إنها القدرة الخام الكامنة في الرياح. أما التوربينات الفعلية فلا تستخلص سوى جزء منها، يحدّه حدّ بيتز (~59.3%) إضافةً إلى الكفاءات الميكانيكية والكهربائية.
ما هي كثافة طاقة الرياح الجيدة؟ تُعدّ المواقع التي تتجاوز نحو 400 واط/م² (عند ارتفاع المحور) جيدة عمومًا لتطوير مشاريع طاقة الرياح.
