مضخة هواء

مضخة الرياح أو طاحونة الصرف هي جهاز يعمل بالرياح ويستخدم لضخ المياه .

استُخدمت مضخات الرياح لضخ المياه منذ القرن التاسع على الأقل في ما يُعرف اليوم بأفغانستان وإيران وباكستان . ^{[ 1 ]} وانتشر استخدام مضخات الرياح على نطاق واسع في العالم الإسلامي ، ثم امتد لاحقًا إلى الصين والهند . ^{[ 2 ]} وفي وقت لاحق ، استُخدمت مضخات الرياح على نطاق واسع في أوروبا، وخاصة في هولندا ومنطقة شرق أنجليا في بريطانيا العظمى ، منذ أواخر العصور الوسطى فصاعدًا ، لتجفيف الأراضي لأغراض الزراعة أو البناء.

انصبّ عمل سيمون ستيفن في مجال إدارة المياه على تحسين البوابات والمفيضات للسيطرة على الفيضانات . كانت مضخات الرياح تُستخدم بالفعل لضخ المياه، لكنه اقترح في كتابه " فان دي مولينز " ( حول الطواحين ) تحسينات، منها فكرة تحريك العجلات ببطء، ونظام أفضل لتعشيق أسنان التروس . زادت هذه التحسينات من كفاءة مضخات الرياح المستخدمة لاستخراج المياه من الأراضي المستصلحة بمقدار ثلاثة أضعاف. حصل على براءة اختراع لابتكاره عام 1586. ^{[ 3 ]}

استُخدمت مضخات الرياح ذات الثماني إلى العشر شفرات في منطقة مرسية بإسبانيا لرفع المياه لأغراض الري. ^{[ 4 ]} كان محرك دوار مضخة الرياح يُمرر عبر البرج ثم يخرج من خلال الجدار ليدير عجلة كبيرة تُعرف باسم " النوريا " . كانت النوريا تحمل سلسلة من الدلاء تتدلى في البئر. وكانت الدلاء تُصنع تقليديًا من الخشب أو الطين. وظلت هذه المضخات قيد الاستخدام حتى خمسينيات القرن العشرين، ولا تزال العديد من أبراجها قائمة حتى اليوم.

جلب المهاجرون الأوائل إلى العالم الجديد معهم تقنية مضخات الرياح من أوروبا. ^{[ 5 ]} في المزارع الأمريكية، وخاصة في السهول الكبرى ، استُخدمت مضخات الرياح لضخ المياه من آبار المزارع للماشية. في كاليفورنيا وبعض الولايات الأخرى، كانت مضخة الرياح جزءًا من نظام مياه منزلي مكتفٍ ذاتيًا، يشمل بئرًا محفورًا يدويًا وبرج مياه من خشب السكويا يدعم خزانًا من خشب السكويا ومُحاطًا بجدران من خشب السكويا ( بيت الخزان ). اخترع دانيال هالاداي مضخة الرياح الزراعية ذاتية التنظيم عام 1854. ^{[ 5 ] [ 6 ]} في نهاية المطاف، حلت الشفرات والأبراج الفولاذية محل الإنشاءات الخشبية، وفي ذروة استخدامها عام 1930، قُدّر عدد الوحدات المستخدمة بنحو 600,000 وحدة، بسعة تعادل 150 ميغاواط. ^{[ 7 ]} أما مضخات الرياح الكبيرة جدًا والخفيفة في أستراليا، فتُدار مباشرةً بواسطة دوّار مضخة الرياح. تمنع التروس الخلفية الإضافية بين الدوارات الصغيرة في المناطق ذات الرياح العاتية وذراع المضخة محاولة دفع قضبان المضخة لأسفل أثناء شوط الضخ بسرعة تفوق سرعة هبوطها بفعل الجاذبية. وإلا، فإن الضخ بسرعة كبيرة يؤدي إلى انبعاج قضبان المضخة، مما يتسبب في تسرب مانع التسرب في صندوق الحشو وتآكل جدار الأنبوب الرئيسي الصاعد (في المملكة المتحدة) أو أنبوب التصريف (في الولايات المتحدة)، وبالتالي فقدان كامل الطاقة.

أصبحت مضخات الرياح متعددة الشفرات، أو توربينات الرياح ، المثبتة على أبراج شبكية مصنوعة من الخشب أو الفولاذ، جزءًا لا يتجزأ من المشهد الريفي في أمريكا لسنوات عديدة. ^{[ 8 ]} تميزت هذه التوربينات، التي أنتجتها شركات مختلفة، بشفرات متعددة لتتمكن من الدوران ببطء مع عزم دوران كبير في الرياح المعتدلة، ولتكون ذاتية التنظيم في الرياح العاتية. وكانت علبة تروس وعمود مرفقي مثبتان أعلى البرج يحولان الحركة الدورانية إلى أشواط ترددية تنتقل إلى أسفل عبر قضيب إلى أسطوانة المضخة في الأسفل. واليوم، مع ارتفاع تكاليف الطاقة وتطور تقنيات الضخ، يتزايد الاهتمام باستخدام هذه التقنية التي كانت في تراجع.

تشتهر هولندا بمضخات الرياح. تقع معظم هذه المنشآت المميزة على أطراف الأراضي المستصلحة ، ويُشار إليها غالبًا باسم طواحين الهواء، على الرغم من أنها مصممة لتصريف المياه من الأرض. وتكتسب هذه المضخات أهمية خاصة نظرًا لأن جزءًا كبيرًا من البلاد يقع تحت مستوى سطح البحر .

بُنيت العديد من هذه المضخات الهوائية في منطقتي برودز وفينز بشرق أنجليا لتجفيف الأراضي، ولكن استُبدلت معظمها منذ ذلك الحين بمضخات تعمل بالديزل أو الكهرباء. ^{[ 9 ]} لا تزال العديد من الهياكل الأصلية قائمة في حالة مهجورة على الرغم من ترميم بعضها.

تُستخدم مضخات الرياح على نطاق واسع في جنوب أفريقيا وأستراليا، وفي المزارع والمراعي في السهول الوسطى وجنوب غرب الولايات المتحدة. ولا تزال آلاف مضخات الرياح تعمل في جنوب أفريقيا وناميبيا، وتُستخدم في الغالب لتوفير المياه للاستخدام البشري، بالإضافة إلى مياه الشرب لقطعان الأغنام الكبيرة.

استفادت كينيا أيضاً من التطور الأفريقي لتقنيات مضخات الرياح. ففي أواخر سبعينيات القرن الماضي، قدمت منظمة " مجموعة تطوير التكنولوجيا الوسيطة " البريطانية غير الحكومية الدعم الهندسي لشركة "بوبس هاريس للهندسة المحدودة" الكينية لتطوير مضخات رياح "كيجيتو". ولا تزال شركة "بوبس هاريس للهندسة المحدودة" تُصنّع مضخات "كيجيتو"، ويعمل منها أكثر من 300 مضخة في جميع أنحاء شرق أفريقيا .

في أجزاء كثيرة من العالم، تُستخدم مضخة الحبل مع توربينات الرياح. تعمل هذه المضخة سهلة التركيب عن طريق سحب حبل معقود عبر أنبوب (عادةً ما يكون أنبوبًا بسيطًا من مادة PVC)، مما يؤدي إلى سحب الماء إلى داخل الأنبوب. وقد شاع استخدام هذا النوع من المضخات في نيكاراغوا وغيرها من المناطق.

لبناء مضخة هواء، يجب مطابقة الدوار ذي الشفرات مع المضخة. في مضخات الهواء غير الكهربائية، يُفضل استخدام الدوارات ذات الكثافة العالية مع مضخات الإزاحة الموجبة (المكبسية)، لأن مضخات المكبس أحادية الفعل تحتاج إلى عزم دوران لبدء تشغيلها يعادل ثلاثة أضعاف عزم الدوران اللازم لاستمرار عملها. أما الدوارات ذات الكثافة المنخفضة، فتُستخدم بشكل أفضل مع المضخات الطاردة المركزية ، ومضخات السلم المائي، ومضخات السلسلة والحلقات، حيث يكون عزم الدوران اللازم لبدء تشغيل المضخة أقل من عزم الدوران اللازم لتشغيلها بالسرعة التصميمية. يُفضل استخدام الدوارات ذات الكثافة المنخفضة إذا كان الغرض منها تشغيل مولد كهربائي، والذي بدوره يمكنه تشغيل المضخة. ^{[ 10 ]}

تنتشر مضخات الرياح متعددة الشفرات في جميع أنحاء العالم، وتُصنّع في الولايات المتحدة والأرجنتين والصين ونيوزيلندا وجنوب إفريقيا وأستراليا. تُعرف في الولايات المتحدة وكندا باسم "دوارة الرياح" لأنها تعمل بشكل مشابه لدوارة الرياح التقليدية، حيث تتحرك مع اتجاه الرياح (وتقيس سرعتها أيضًا). أدخلت شركة بتلر تحسينات على تقنية مضخات الرياح في أعوام 1897 و1898 و1905 ^{[ 11 ]} . يمكن لمضخة رياح قطرها 4.8  متر (16  قدمًا) أن ترفع ما يصل إلى 6.4 طن متري (1600 جالون أمريكي) من الماء في الساعة إلى ارتفاع 30  مترًا (100 قدم) مع  رياح تتراوح سرعتها بين 24 و32 كيلومترًا في الساعة ( 15 إلى 20  ميلًا في الساعة) ^{[ 12 ]} . مع ذلك، فهي تحتاج إلى رياح قوية للتشغيل، حيث تُدير ذراع مضخة المكبس. لا تتطلب مضخات الرياح صيانة تُذكر، وعادةً ما يقتصر الأمر على تغيير زيت علبة التروس سنويًا. ^{[ 13 ]} لا يزال ما يُقدّر بنحو 60,000 مضخة رياح قيد الاستخدام في الولايات المتحدة. وهي جذابة بشكل خاص للاستخدام في المواقع النائية حيث لا تتوفر الطاقة الكهربائية ويصعب توفير الصيانة. ^{[ 14 ]} تعمل مضخة الرياح متعددة الشفرات الشائعة بكفاءة مع ما يقارب 4% إلى 8% من طاقة الرياح السنوية التي تمر عبر المنطقة التي تغطيها. ^{[ 15 ] [ 16 ]} ويعود انخفاض كفاءة التحويل هذا إلى ضعف التوافق بين أحمال دوارات الرياح ومضخات المكابس ذات الشوط الثابت.

على الرغم من أن مضخات الرياح متعددة الشفرات تعتمد على تكنولوجيا مثبتة وتستخدم على نطاق واسع، إلا أنها تعاني من المشاكل الأساسية المذكورة أعلاه وتحتاج إلى آلية عملية لتغيير الشوط.

• سجل مصور مفصل لعملية ترميم مضخة هواء من نوع ستيوارتس آند لويدز بطول 8 أقدام في جنوب أفريقيا
• تاريخ طواحين الهواء لضخ المياه في أمريكا.
• كيف تعمل طواحين الهواء التي تضخ المياه.