مبدأ وتطبيق مستشعر سرعة واتجاه الرياح

في ظل الظروف الراهنة، بات نقص الموارد وتدهور البيئة مشكلةً بارزةً في جميع أنحاء البلاد، وأصبح تطوير الطاقة المتجددة واستخدامها بشكل مستدام محور اهتمام واسع النطاق. تتمتع طاقة الرياح، باعتبارها طاقة متجددة خالية من التلوث، بإمكانيات تنموية هائلة، وقد أصبح قطاع طاقة الرياح مجالًا جديدًا واعدًا، يتمتع بآفاق نمو واعدة، كما أن أجهزة استشعار سرعة الرياح وأجهزة استشعار سرعة الرياح فوق الصوتية تُستخدم على نطاق واسع.

أولاً، تطبيق مستشعر سرعة واتجاه الرياح
تُستخدم أجهزة استشعار سرعة واتجاه الرياح على نطاق واسع في توليد الطاقة من الرياح. تُحوّل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة حركية ميكانيكية، ثم تُحوّل هذه الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حركية كهربائية، وهي الطاقة التي تُعرف بطاقة الرياح. يعتمد مبدأ توليد الطاقة من الرياح على استخدام الرياح لتدوير شفرات طاحونة الهواء، ثم زيادة سرعة الدوران باستخدام مُخفّض السرعة لتشغيل المولد وتوليد الكهرباء.
على الرغم من أن عملية توليد الطاقة من الرياح صديقة للبيئة للغاية، إلا أن عدم استقرارها يرفع تكلفتها مقارنةً بمصادر الطاقة الأخرى. لذا، وللتحكم الأمثل في طاقة الرياح، ومواءمتها مع تغيرات اتجاهها لتحقيق أقصى قدر من الطاقة وتقليل التكلفة، لا بد من قياس اتجاه الرياح وسرعتها بدقة وفي الوقت المناسب، وذلك للتحكم في المروحة وفقًا لذلك. إضافةً إلى ذلك، يتطلب اختيار مواقع مزارع الرياح التنبؤ المسبق بسرعة الرياح واتجاهها لتوفير أساس تحليلي متين. لذلك، يُعد استخدام أجهزة استشعار سرعة الرياح واتجاهها لقياس معايير الرياح بدقة أمرًا بالغ الأهمية في توليد الطاقة من الرياح.

ثانيًا، مبدأ مستشعر سرعة واتجاه الرياح
1- مستشعر ميكانيكي لسرعة واتجاه الرياح
ينقسم جهاز استشعار سرعة واتجاه الرياح الميكانيكي، بفضل وجود عمود دوار ميكانيكي، إلى نوعين من أجهزة استشعار سرعة الرياح وأجهزة استشعار اتجاه الرياح:
مستشعر سرعة الرياح
مستشعر سرعة الرياح الميكانيكي هو مستشعر يقيس سرعة الرياح وحجم الهواء (حجم الهواء = سرعة الرياح × مساحة المقطع العرضي) بشكل مستمر. يُعد مستشعر سرعة الرياح ذو الكأس الهوائية الأكثر شيوعًا، ويُقال إن روبنسون هو أول من اخترعه في بريطانيا. يتكون قسم القياس من ثلاث أو أربع كؤوس هوائية نصف كروية، مثبتة في اتجاه واحد بزاوية متساوية على حامل دوار على سطح أرضي رأسي.
مستشعر اتجاه الرياح
مستشعر اتجاه الرياح هو جهاز مادي يكشف ويستشعر اتجاه الرياح من خلال دوران مؤشر اتجاه الرياح، وينقل هذه المعلومات إلى قرص التشفير المحوري، ويُخرج في الوقت نفسه قيمة اتجاه الرياح المناسبة. يعتمد هيكله الرئيسي على البنية الميكانيكية لدوارة الرياح، فعندما تهب الرياح على الجناح الخلفي للدوارة، يشير مؤشرها إلى اتجاه الرياح. وللحفاظ على حساسية المستشعر للاتجاه، تُستخدم آليات داخلية مختلفة لتحديد اتجاه سرعة الرياح.
2- مستشعر سرعة واتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية
يعتمد مبدأ عمل الموجات فوق الصوتية على استخدام فرق التوقيت لقياس سرعة واتجاه الرياح. ونظرًا لسرعة انتقال الصوت في الهواء، فإنها تتأثر بسرعة تدفق الهواء الصاعد. فإذا انتقلت الموجات فوق الصوتية في نفس اتجاه الرياح، تزداد سرعتها؛ أما إذا كان اتجاه انتشارها معاكسًا لاتجاه الرياح، فإنها تتباطأ. لذا، في ظل ظروف قياس ثابتة، يمكن ربط سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء بسرعة الرياح. ويمكن الحصول على سرعة واتجاه الرياح بدقة عن طريق الحساب. وبما أن سرعة الموجات الصوتية تنتقل في الهواء تتأثر بشكل كبير بدرجة الحرارة؛ فإن مستشعر سرعة الرياح يرصد اتجاهين متعاكسين عبر قناتين، لذا فإن تأثير درجة الحرارة على سرعة الموجات الصوتية ضئيل للغاية.
يُعدّ مستشعر سرعة واتجاه الرياح جزءًا لا غنى عنه في تطوير طاقة الرياح، إذ يؤثر بشكل مباشر على موثوقية وكفاءة توليد الطاقة للمروحة، ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بأرباح وربحية ورضا قطاع طاقة الرياح. وتقع محطات طاقة الرياح حاليًا في بيئات طبيعية قاسية، ذات درجات حرارة منخفضة وغبار كثيف، ما يجعل متطلبات درجة حرارة التشغيل ومقاومة الانحناء للنظام بالغة الصعوبة. وتفتقر المنتجات الميكانيكية الحالية إلى بعض الميزات في هذا الصدد. لذا، قد تتمتع مستشعرات سرعة واتجاه الرياح فوق الصوتية بآفاق تطبيق واسعة في قطاع طاقة الرياح.