قياس سرعة الرياح بسهولة: من الأدوات الأساسية إلى التقنيات الاحترافية

ربما تجعلك الرياح المذهلة التي بلغت سرعتها 253 ميلاً في الساعة في الإعصار الاستوائي أوليفيا تتساءل عن كيفية قيام خبراء الأرصاد الجوية بتصوير مثل هذه القياسات المتطرفة. قياس سرعة الرياح تطورت بشكل كبير من مجرد ملاحظات بسيطة إلى أدوات علمية متطورة. سجّل مرصد جبل واشنطن ثاني أعلى سرعة رياح بلغت 231 ميلًا في الساعة عام 1934.

يقيس خبراء الأرصاد الجوية سرعة الرياح عادةً باستخدام مقياس سرعة الرياح (الأنيموميتر) الموضوع على ارتفاع 10 أمتار فوق مستوى سطح البحر. وقد شكّل هذا الجهاز شريان الحياة لقياس الرياح لعقود. تزداد سرعة الرياح مع الارتفاع، وتتأثر بعوامل مثل خشونة الأرض والعوائق المحيطة. تتطلب القياسات الموثوقة تضاريس مستوية خالية من العوائق الرئيسية في نطاق 300 متر.

دعونا نستكشف كل شيء، من التقنيات البسيطة إلى الطرق الاحترافية التي تساعد على قياس سرعة الرياح بدقة. سيجد كلٌّ من خبراء الطقس والمتخصصين فيه رؤى قيّمة حول الأدوات والتقنيات التي تُقدّم قراءات موثوقة.

فهم سرعة الرياح وتأثيرها

ينتقل الهواء من مناطق الضغط المرتفع إلى مناطق الضغط المنخفض، وهذه الحركة تُولّد ما يُسمى بالرياح. يؤثر فرق الضغط في أي موقع بشكل مباشر على سرعة الرياح، فكلما زادت الفروقات، زادت سرعة الرياح.

يعتمد سلوك الرياح على ثلاث قوى رئيسية:

• قوة تدرج الضغط - الفرق في الضغط الجوي الذي يولد حركة الرياح

• قوة كوريوليس - تم إنشاؤها بواسطة دوران الأرض، مما يؤدي إلى انحراف الرياح إلى اليمين في نصف الكرة الشمالي وإلى اليسار في نصف الكرة الجنوبي

• قوة الاحتكاك - الحد الأقصى على السطح، ويمتد عمومًا إلى ارتفاع يصل إلى 1-3 كم

تتحد هذه القوى لتكوين أنماط رياح معقدة. على سبيل المثال، تهب الرياح في مناطق الضغط المنخفض بشكل إعصاري (عكس اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي) بسبب هذه القوى مجتمعة.

تُستخدم عادةً وحدات قياس سرعة الرياح (العقدة = 0.51 متر/ثانية = 1.15 ميل/ساعة)، مع أن المنظمة العالمية للأرصاد الجوية توصي باستخدام متر/ثانية. تتغير سرعة الرياح بشكل أسرع على فترات قصيرة، لذا تُجرى القياسات كل 0.25 ثانية لقياس قوة الهبات.

يُقدم مقياس فرانسيس بوفورت طريقة سريعة لتقدير سرعة الرياح من خلال الملاحظة. وُضع هذا المقياس عام ١٨٠٥، ويتراوح من ٠ (حالة هدوء) إلى ١٢ (قوة إعصار). تفقد الأشجار أغصانها، ويصبح المشي صعبًا عند قوة ٨ (٣٩-٤٦ ميلًا في الساعة).

تؤثر سرعة الرياح على العديد من القطاعات، بما في ذلك التنبؤ بالطقس. ينخفض إنتاج الطاقة المتجددة بشكل حاد مع تغيرات الرياح. 10% انخفاض في سرعة الرياح يؤدي إلى انخفاض إنتاج الطاقة بمقدار 30%. كما تُسبب الرياح العاتية اضطرابًا في الهواء النقي وتُغير مدة الرحلة.

تستمر أنماط الرياح العالمية في التغير بسبب تغير المناخ. أظهرت الأبحاث التي أُجريت بين عامي ١٩٧٨ و٢٠١٠ انخفاضًا في سرعة الرياح بمقدار ٢.٣١ طن متري لكل طن كل عقد، لكن البيانات الحديثة (٢٠١٠-٢٠١٩) أظهرت زيادة من ٧ أميال في الساعة إلى ٧.٤ ميل في الساعة. ومع ذلك، تتوقع الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ قد تنخفض سرعة الرياح السنوية المتوسطة إلى 10% بحلول عام 2100[53]. قد يؤدي هذا إلى "جفاف الرياح" مما يؤدي إلى تعطيل توليد الطاقة وزيادة تكاليف الكهرباء.

شرح 8 أجهزة لقياس سرعة الرياح

لقد أتاح لنا تطور تكنولوجيا قياس الرياح أدواتٍ تقيس الرياح بدقةٍ مذهلة. لنستعرض أهم الأدوات التي يستخدمها خبراء الأرصاد الجوية والمهندسون حاليًا لجمع بيانات دقيقة عن الرياح.

دوارات الرياح تُظهر اتجاه الرياح، وتأتي الطُرز الأحدث مزودةً بأكواب رياح تتتبع سرعتها أيضًا. تستطيع هذه الأدوات الحساسة رصد حتى أصغر التغيرات في الاتجاه بدقة عالية عندما تكون الرياح بطيئة.

مقاييس سرعة الرياح الكأسية تُعدّ هذه الأدوات عصب قياس الرياح. فهي تحتوي على ثلاثة أكواب نصف كروية على أذرع أفقية. يُعطي تصميم جون باترسون ثلاثي الأكواب من عام ١٩٢٦، والذي حُسّن عام ١٩٣٥، قراءات شبه خطية بأخطاء أقل من ٣١TP٣T لرياح تصل سرعتها إلى ٦٠ ميلاً في الساعة. تُعدّ هذه الأدوات الآن معيارًا لدراسات تقييم موارد الرياح.

مقاييس سرعة الرياح الريشية تحتوي هذه الأدوات على شفرات مراوح تدور بسرعات تتناسب مع سرعة الرياح. يجب أن يبقى المحور موازيًا لاتجاه الرياح، على عكس نماذج الأكواب. تجمع هذه الأدوات بين حساسية عالية ومقاومة قوية للتآكل، ولا تتطلب صيانة كثيرة.

مقاييس سرعة الرياح السلكية الساخنة استخدم سلكًا دقيقًا جدًا (قطره عدة ميكرومترات) يُسخّن فوق درجة الحرارة المحيطة. يُحدث تبريد الرياح تغيرات ملحوظة في مقاومة السلك. تُضيء هذه الأسلاك عند قراءات السرعة المنخفضة (حتى 0.5 متر/ثانية) بدقة تبلغ حوالي ±5%. استجابتها السريعة تجعلها مثالية لدراسة التدفقات المضطربة.

أجهزة قياس الرياح المحمولة باليد تُتيح لنا خيارات محمولة للقياسات الميدانية. تستطيع الطُرز المتطورة، مثل Kestrel 1000، قياس رياح تصل سرعتها إلى 135 ميلاً في الساعة باستخدام مروحة خاصة مثبتة على محمل من حجر الياقوت.

مقاييس سرعة الرياح باستخدام أنبوب بيتو قياس سرعة الرياح عن طريق قياس الضغط التفاضلي. تعمل هذه الأجهزة بشكل أفضل مع سرعات عالية تصل إلى 80 مترًا في الثانية، خاصةً في المساحات الضيقة وأنظمة الأنابيب.

أجهزة قياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية احسب سرعة الرياح باستخدام الموجات الصوتية بين أزواج المحولات. لا تحتوي هذه المحولات على أجزاء متحركة، لذا فهي لا تحتاج إلى صيانة كثيرة، وتستجيب بسرعة للظروف المتغيرة.

أجهزة قياس سرعة الرياح بالليزر دوبلر القياس دون تلامس عن طريق رصد تغيرات التردد في ضوء الليزر الذي ينعكس عن جزيئات تدفق الهواء. ولأنها تقع خارج نطاق التدفق، فإنها لا تتداخل مع القياسات، مما يجعلها قيّمة لاختبارات نفق الرياح.

اختيار جهاز قياس سرعة الرياح المناسب

يتطلب اختيار جهاز قياس سرعة الرياح المناسب مراعاة عدة عوامل مهمة. فاختيارك للتكنولوجيا المناسبة قد يؤثر بشكل كبير على موثوقية البيانات وكفاءة التشغيل.

تُميّز الاختلافات الأساسية بين المستشعرات الميكانيكية والموجات فوق الصوتية. تعتمد مقاييس سرعة الرياح الميكانيكية على مكونات مادية، مثل الأكواب أو الريش، والتي يجب أن تتحرك لتسجيل التغيرات. أما المستشعرات فوق الصوتية، فتعمل بشكل مختلف، إذ لا تحتوي على أجزاء متحركة، وتحسب سرعة الرياح بقياس زمن انتقال الموجات الصوتية بين المحولات.

تتميز المستشعرات الميكانيكية بتكلفة أولية أقل، وقد أثبتت موثوقيتها في رصد الطقس البسيط. يسهل تعديلها، لكنها تحتاج إلى صيانة دورية لأن أجزائها المتحركة تتآكل بمرور الوقت. كما تستغرق هذه المستشعرات وقتًا أطول للاستجابة لتغيرات الرياح السريعة، وتحتاج إلى عدة ثوانٍ لتسجيل تغيرات الاتجاه أثناء العواصف.

تُقدم مقاييس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية قياسات فورية بدقة متناهية. وتتميز هذه المقاييس برصد التغيرات السريعة في الاتجاهات وهبات الرياح. ويمتد أداؤها الموثوق حتى في البيئات القاسية، بما في ذلك الأمطار الغزيرة والجليد الشديد والظروف الجوية في عرض البحر. وقد أقنع هذا الأداء المتميز هيئة الأرصاد الجوية الوطنية بتحديث أنظمة 883 الآلية لمراقبة السطح بأجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية.

ينبغي أن يركز اختيار جهازك على العوامل الحيوية التالية:

• نطاق القياس:اختر أداة ذات نطاق مناسب لاحتياجاتك - بعضها يتفوق في القياسات منخفضة السرعة بينما تم تصميم البعض الآخر للبيئات ذات الرياح العالية

• دقة:تتطلب التطبيقات الحرجة مثل الطيران أو طاقة الرياح أجهزة ذات دقة أعلى

• الظروف البيئية:إن الظروف النموذجية والقاسية التي يواجهها جهازك مهمة

• قدرات التكامل:يجب أن يعمل جهازك مع الأنظمة ومسجلات البيانات الموجودة

• اعتبارات الميزانية:يحتاج سعر الشراء إلى الموازنة مع تكاليف الصيانة طويلة الأجل

تُعدّ مقاييس سرعة الرياح التقليدية خيارًا ممتازًا للتركيبات الاقتصادية في الظروف المعتدلة، حيث لا يُشكّل تأخير البيانات الطفيف أي أهمية. وتستفيد التطبيقات الحيوية التي تتطلب موثوقية فائقة - مثل المطارات ومزارع الرياح والمواقع النائية - من أجهزة الموجات فوق الصوتية. وتُعزى تكلفتها الأولية المرتفعة إلى صيانتها البسيطة وأدائها المتفوق في الظروف القاسية.

تجدر الإشارة إلى أن جهاز قياس اتجاه الرياح عالي الجودة، ذو الجودة التجارية، يدوم عادةً من 3 إلى 5 سنوات في الظروف العادية. لذا، ينبغي أن تتضمن خطتك طويلة المدى تكاليف الاستبدال هذه.

خاتمة

قياس سرعة الرياح تطورت من مقياس فرانسيس بوفورت البصري إلى أحدث التقنيات القائمة على الموجات فوق الصوتية والليزر. يستكشف هذا العمل كيف تُمثل الرياح تدفق الهواء من مناطق الضغط العالي إلى المنخفض. تحكم ثلاث قوى رئيسية هذا التدفق وتُنشئ أنماطًا معقدة عبر كوكبنا.

لهذه الأنماط آثار تتجاوز مجرد التنبؤات الجوية. تلعب سرعة الرياح دورًا حاسمًا في إنتاج الطاقة المتجددة. يمكن أن يؤدي الانخفاض الطفيف في سرعة الرياح إلى انخفاض كبير في توليد الطاقة. تستمر أنماط الرياح العالمية في التغير بسبب تغير المناخ، مما يؤدي إلى "فترات جفاف رياح" قد تُشكل تحديًا للبنية التحتية للطاقة في العقود القادمة.

تُحدد احتياجاتك الخاصة أداة القياس الأنسب. مقاييس سرعة الرياح التقليدية بالكوب موثوقة وبأسعار معقولة للتطبيقات البسيطة. تتفوق أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية في الظروف القاسية دون الحاجة إلى أجزاء متحركة تتطلب صيانة. يعتمد الاختيار الصحيح على مدى القياس، ومتطلبات الدقة، والظروف البيئية، والميزانية.

تقدم EcoSentec مجموعة شاملة من مستشعرات الرياح المصممة لتلبية الاحتياجات المتنوعة لرصد البيئة، والأتمتة الصناعية، والبنية التحتية الذكية. تشمل منتجاتنا مستشعرات رياح بالموجات فوق الصوتية بدون أجزاء متحركة لإجراء قياسات عالية الدقة لا تتطلب صيانة، بالإضافة إلى مستشعرات تقليدية على شكل كوب وريشة لضمان أداء موثوق في الظروف القاسية. سواءً لمحطات الأرصاد الجوية، أو التطبيقات الزراعية، أو الطائرات بدون طيار، أو أنظمة أحوال الطقس على الطرق، توفر مستشعرات الرياح من EcoSentec بيانات دقيقة ومستقرة لسرعة واتجاه الرياح. تدعم جميع الطرز تنسيقات إخراج متعددة، ويمكن تخصيصها لتناسب متطلبات المشاريع المحددة، مما يضمن دمجًا سلسًا في أي نظام مراقبة. احصل على عرض أسعار.