تستخدم أنظمة الطاقة التي تعمل بالرياح طاقة الرياح إما بشكل مباشر (على سبيل المثال لتحريك آلية الضخ آليًا) أو بشكل غير مباشر (على سبيل المثال لتوليد الكهرباء التي يمكن استخدامها أو تخزينها). وفي حالة عدم وجود هذا النظام مسبقًا، فلن يكون مُجديًا بالصورة اللازمة لمرحلة الاستجابة القصوى، على الرغم من أنه قد يكون خيارًا مناسبًا للحصول على طاقة أكثر استدامة على المدى الطويل.

يمكن أن تقلل طاقة الرياح من تكاليف تشغيل نظام المياه، وفي نظام بسيط نموذجي، تدير الرياح توربينًا، غالبًا ما يكون مثبتًا على برج، لرفع المياه. وقد يتألف هذا من نظام بسيط فقط لرفع ال مياه السطحية لمسافات قصيرة للري، على الرغم من أنه يتضمن بشكل أكثر شيوعًا استخراج المياه الجوفية إلى السطح عبر آلية الضخ.

اعتبارات التصميم

تعمل أنظمة مضخات الرياح الميكانيكية (المباشرة) عن طريق التوصيل المادي لتوربينات الرياح ذات الشفرات مباشرةً بنظام ضخ ميكانيكي (عادةً مضخة إزاحة موجبة مع مكابس، تُرجى مراجعة A.2 ، A.4 ). ولذلك، مع هذا النظام، يلزم أن يكون بئر التنقيب في موقع مناسب، للاستفادة من سرعة الرياح ويمكن أن تصعب مطابقة خصائص طاقة التوربين مع نوع المضخة، ما يعني عدم نقل الطاقة بكفاءة مع جميع سرعات الرياح.

وتعد أنظمة المضخات الكهربائية الهوائية (غير المباشرة) التي تولد الطاقة المراد تخزينها أكثر كفاءة، وذلك عن طريق استخدام إما مضخات التيار المباشر (DC) أو مضخات الطرد المركزي للتيار المتناوب الكهربائي (AC) ثلاثي المراحل. ويمكن تشغيل مضخات التيار المتردد مباشرة باستخدام الطاقة المولدة من خلال مولد مغناطيسي دائم متصل مباشرة بمحرك المضخة. ويعد التشغيل أمرًا ممكنًا لأن المضخات القياسية يمكن أن تعمل بسرعات متغيرة إذا كان جهد الطاقة والتردد يختلفان أيضًا، كما هو الحال هنا. ومع هذا النظام، يكون التوافق الأكثر كفاءة في متطلبات الطاقة مفيدًا (حيث يكون للتوربين والدوَّارات في المضخة معدلات زيادة مماثلة في سرعة الدوران)، وكذلك القدرة على موازنة المضخة من التوربين. ومع ذلك، يمكن أن تعاني مضخة الإزاحة انخفاضًا في الجهد بسبب الأطوال المفرطة للكابلات الكهربائية، على الرغم من أنه في حالة استقبال التوربين سرعات رياح أعلى في وضع الإزاحة، يمكن أن تعوض الطاقة الإضافية عن فقد الكابلات للحصول على توازن طاقة مناسب في العموم.

وتنطبق بعض اعتبارات التصميم على كل من الأنظمة الميكانيكية والكهربائية. وتُستخدم المياه كمخزن للطاقة حيث يتم ضخ المزيد من المياه في أيام الرياح، والتي يمكن بعد ذلك إطلاقها في النظام عن طريق الجاذبية في الأيام التي تقل فيها الرياح ويكون الضخ أقل إنتاجية. ولكي يفلح هذا الأمر، ينبغي أن يكون للخزان القدرة على تحمّل ضغط الطلب لمدة ثلاثة أيام على الأقل. باعتباره خيارًا احتياطيًا لأيام الرياح المنخفضة، يمكن أيضًا تزويد الآبار بمضخة يدوية (يُرجي الرجوع إلى S.8 ). ينبغي أن يكون الحد الأقصى للتدفق خلال ظروف الرياح القصوى متوافقًا مع تصميم بئر التنقيب، إذ يجب ألا تتجاوز ال سرعة عبر المصافي 0.03 م/ث وحيث لا يزال سحب المياه الجوفية مستدامًا (يُرجي الرجوع إلى I.8 ). ونظرًا لزيادة سرعة الرياح والارتفاع فوق سطح الأرض، يتم تثبيت التوربينات على الأبراج. ينبغي أن يضمن الارتفاع الدقيق للبرج وموقعه عدم إعاقة عمل التوربين، ما يعني وضعه بحيث يكون الدوار على ارتفاع عشرة أمتار على الأقل و100 متر من أي أشجار ومبانٍ محيطة. ولمنع الضرر الناجم عن الدوران المفرط للرياح التي تزيد سرعتها على 13 م/ ث، ينبغي أن تكون التوربينات مزودة بآلية أوتوماتيكية تعمل على لف الشفرات (تحولها بعيدًا عن الرياح) من خلال العديد من تدابير التصميم النشطة أو السلبية. كما ينبغي أن يشتمل على إلغاء يدوي.

بالإضافة إلى ضخ المياه، يمكن استخدام طاقة الرياح لتوليد الكهرباء لعمليات أخرى (مثل بعض أنظمة معالجة المياه) أو التي تتم تغذيتها للشبكة. ويمكن تخزين الطاقة باستخدام البطاريات (على سبيل المثال في الأنظمة الهجينة التي تستخدم أيضًا الطاقة الشمسية)، على الرغم من التكلفة والعمر القصير وفقدان الطاقة المتأصل الذي يحدث في أثناء تخزين البطارية، فمن الأفضل عمومًا تجنب البطاريات من خلال نظام ضخ جيد التصميم جنبًا إلى جنب مع التخزين المناسب.

المواد والمستلزمات

تشمل المواد والمستلزمات المطلوبة التوربينات، وبرج الدعم، وآلية الضخ (التي يمكن أن تختلف)، وتخزين المياه الكافي للتعامل مع تقلبات الرياح، وحيث لا يمكن تجنبها، البطاريات.

القابلية للتطبيق

لكي تكون الرياح مصدر طاقة قابلًا للاستخدام، يحتاج الموقع إلى رياح كافية. ولذلك يلزم إجراء تقييم للرياح، ولكن ينبغي توخي الحذر عند تفسير البيانات المحلية، والتي يمكن الاستهانة بها في كثير من الأحيان، ولا سيما إذا كانت محطات الأرصاد الجوية سيئة الصيانة، كما هو الحال في كثير من الأحيان. وينبغي مطابقة نوع الضخ وظروف الرياح بعناية. بالنسبة للمضخات الميكانيكية التي تم تحسينها لسرعات الرياح المنخفضة والتي توفر المياه في معظم الأيام، يكون الحد الأدنى لمتوسط سرعة الرياح المطلوبة 2.5 م/ث، بينما تتطلب مضخات الطرد المركزي الكهربائية (يُرجي الرجوع إلى A.8 ) متوسط 4 م/ث على الأقل. وبالنظر إلى هذا التباين والحاجة إلى تصميم دقيق، فإن طاقة الرياح ليست مناسبة تمامًا لمرحلة الاستجابة القصوى ما لم تكن المضخات الهوائية الموجودة تعمل. وتعد طاقة الرياح بشكل عام أكثر ملاءمة لمراحل الاستقرار والانتعاش المتوسطة إلى طويلة المدى.

التشغيل والصيانة

يمكن أن تعمل توربينات الرياح لفترات طويلة مع القليل من الصيانة إذا كان الإعداد الأولي يضمن تشحيمًا جيدًا للتروس وآليات التشغيل وفي حالة كانت الريش والشفرات محمية من التآكل. وينبغي فحص شفرات ومحامل التوربينات واستبدالها على أبعد تقدير كل 10 سنوات، والتي ينبغي أن تدوم أكثر منها في معظم حالات الطوارئ. وتتطلب المضخة عادةً تشغيل وصيانة بشكل مكثف، ويعد الرابط الميكانيكي بين التوربين والمضخة، على وجه الخصوص، مسؤولًا عن حوالي 40٪ من جميع متطلبات الصيانة. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي استبدال سدادات المكبس في المضخة كل عام أو عامين.

الصحة والسلامة

تتعلق قضايا الصحة والسلامة بالتصميم الآمن وبناء هيكل البرج. وفي حالة استخدام أنظمة بطاريات، فينبغي أن تكون في مكان به وصول مقيد لتجنب مخاطر الصعق بالكهرباء.

التكاليف

من ناحية أخرى، فإن تكاليف رأس المالي لأنظمة المضخات الميكانيكية التي تعمل بالرياح مرتفعة، وتتراوح عادة بين 35,000 و60,000 دولار أمريكي وتصل إلى 120,000 دولار أمريكي لنظام كهربائي للرياح أكبر على مستوى المجتمع (بما في ذلك التخزين والتوزيع). ومن ناحية أخرى، فإن تكاليف صيانة أنظمة الرياح الميكانيكية متوسطة (حوالي 0.8-1.5 دولار أمريكي للفرد في السنة)، والتي يمكن مقارنتها بالأنظمة الأخرى التي تعمل بالطاقة الكهربائية. باستخدام هذه الإزاحة، يمكن أن تكون أنظمة طاقة الرياح نهجًا أقل تكلفة، حيث يتراوح "4 أمتار" (الحجم اليومي المطلوب في 3 أمتار مضروبًا في رأس الضخ بالأمتار) من 200-10,000، حيث يكون متوسط سرعة الرياح السنوية عند 10 أمتار أعلى من 4 م/ث، حيث أثبتت أنظمة الضخ الأخرى التي تعمل بالوقود أنها مشكلة وحيث تكون شبكة الكهرباء على بعد أكثر من 2 كم. وبصرف النظر عن التكاليف المالية، فإن اختيار مصدر متجدد للطاقة له تكلفة بيئية مستمرة أقل بكثير، ومثل الطاقة الشمسية، ينبغي أن يكون اعتبارًا رئيسيًا (إن لم يكن مبالغًا فيه) في التصميم.

الاعتبارات الاجتماعية والبيئية

تعتبر الرياح موردًا لم يتم اختباره نسبيًا، ولكن ينبغي أن يكون غير مثيرًا للجدل - خاصةً مع زيادة الوعي البيئي. ومن الناحية البيئية، فإن الرياح مصدر متجدد للطاقة التي تقلل من الحاجة إلى الطاقة المشتقة من الوقود الأحفوري، وبالتالي تقليل البصمة الكربونية للنظام وتحسين جودة الهواء. ومع ذلك، قد يكون للتوربينات تأثير على الطيور المهاجرة، اعتمادًا على حجم الدوارات وارتفاع البرج وموقع الطاحونة الهوائية. ومن حيث القبول الاجتماعي، قد يُنظر إلى التوربينات على أنها مزعجة، ويمكن اعتبار الضوضاء الصادرة عن توربينات الدوران مصدر إزعاج لأولئك الذين يعيشون بالقرب منها، والتي قد تكون أقل أهمية في حالات الطوارئ.