توربينات الرياح (Wind Turbines)

مقدمة:

تتميز طرق التوليد التقليدية بأنها تنتج كمية هائلة من الطاقة، وخلوها من التقطعات الغير محببة للمستهلك والتي تضمن له استمرارية الاستهلاك و الاستفادة من الطاقة الكهربائية، لكن في نفس الوقت أحد أشهر سلبيات طرق التوليد التقليدية هي الانبعاثات المضرة للبيئة ككل سواءً للإنسان، أو للحيوان، أو للنبات، لذلك أصبح العالم اليوم يتجه للاستفادة بأكبر كمية من الطاقة المتجددة النظيفة الخالية من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وغيرها من الغازات الضارة بالبيئة.

أحد أشهر أنواع الطاقة المتجددة والتي من الممكن الاستفادة منها هي طاقة الرياح، وليتم ذلك نحتاج إلى معدة تقوم بتحويل طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية ويتم ذلك عن طريق استعمال توربينة الرياح (Wind Turbine)، دعونا نتعرف على هذه المعدة المميزة بشكل عام، فيما يلي:

نبذة:

توربينات الرياح (Wind Turbines) من الاسم يتضح لنا أنها توربينات تعمل فقط على طاقة الرياح حيث تقوم بتحويل طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية ومن ثم إلى كهربائية، ولها تصميم خاص يساعد على التعامل والاستفادة من الرياح إلى جانب تصميم الشفرات وأنظمة التحكم الموجودة بداخلها.

أنواع توربينات الرياح:

يمكن تقسيم توربينات الرياح بأكثر من طريقة، منها ما يلي:

أولاً: محور الدوران:

1- محور الدوران العامودي Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)) ومكوناتها أقل من مكونات النوع الآخر، كما هو مبين بالصورة (1).

2- محور الدوران الأفقي Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)) والموجودة بالصورة (1)، وهي الأفضل أداء والأكثر استخداماً وانتشاراً خصوصاً في محطات توليد الطاقة.

Offshore use of vertical-axis wind turbines gets closer look — صورة (1): نوعي توربينات الرياح من ناحية طريقة الدوران والفرق بينهما. [1]

ثانياً: اتجاه الرياح:

1- ضد اتجاه الرياح (upwind).

2- مع اتجاه الرياح (downwind).

والفرق بين النوعين هو في اتجاه العضو الدوار للتوربينة والتي تقوم باستقبال الرياح، كما هو مبين بالصورة التالية:

Types of Wind Turbine | How does a Horizontal Axis Wind Turbine Work? — صورة (2): نوعي توربينات الرياح من ناحية اتجاه الرياح والفرق بينهما. [2]

ثالثاً: تنظيم السرعة:

1- سرعة ثابتة (Fixed Speed): أي أن المولد الكهربائي الخاص بالتوربينة يعمل فقط على سرعة رياح ثابتة.

2- سرعة متغيرة (Variable Speed): أي أن المولد الكهربائي الخاص بالتوربينة يعمل على سرعة رياح متغيرة.

سيتم إيضاح المفهومين أكثر عندما نتحدث عن مرحلة توليد الكهرباء في توربينات الرياح.

مكونات توربينات الرياح:

يتم تكوين توربينة الرياح بمكونات وأجزاء معينة والموجودة بالصورة (3) ودور كل مكون وجزء منها، كما يلي:

صورة (3): مكونات وأجزاء توربينة الرياح. [3]

1- rotor (العضو الدوار): ويسمى كذلك بمحور العضو الدوار (Rotor Hub) والذي يمثل العضو الدوار بالتوربينة.

2- blades (الأجنحة): وبها يتم استقبال طاقة الرياح لتدوير التوربينة، وكما نلاحظ أن تصميمها كتصميم أجنحة الطائرة وذلك لإنتاج قوة رفع (Lift Force) مناسبة لتدوير التوربينة وتخفيف قوة السحب (Drag Force)، كما هو مبين بالصورة التالية:

صورة (4): تأثير قوتي الرفع (Lift Force) و السحب (Drag Force) على جناح التوربين. [4]

3- brake (المكابح): وهو نظام موجود بتوربينة الرياح وظيفته فرملة التوربينة في حالات معينة وغالباً تكون في الحالات الخطيرة كحالة تجاوز سرعة الرياح سرعة (Cut out)، والتي قد تسبب في تدمير التوربينة في حال إن لم تعمل المكابح.

4-yaw motor (محرك الانعراج): هو عبارة عن محرك يتم استعماله في توربينة الرياح وهو مزود بنظام لتوجيه الحاوية (nacelle) حسب اتجاه الرياح التي تهب على التوربينة.

5-yaw drive: وهو المسؤول عن التحكم بمحرك الانعراج، حيث أنها تعمل على الاستفادة بأكبر قدر من الرياح لإنتاج أقصى قدر من الطاقة.

ملاحظة: محرك الانعراج (yaw motor) يتواجد فقط في توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWT) ولا توجد في توربينات الرياح ذات المحور العامودي (VAWT).

6- gearbox (صندوق التروس): ووظيفة صندوق التروس بشكل عام هي إما زيادة السرعة وتقليل العزم أو زيادة العزم وتقليل السرعة كما في السيارة، و توربينة الرياح وظيفتها هي زيادة سرعة الدوران ليتناسب مع السرعة المطلوبة للمولد الكهربائي.

7- anemometer: وهو عبارة عن حساس يقوم بقياس سرعة الرياح لإرساله إلى المتحكم.

8- generator (المولد الكهربائي): ووظيفته تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية وله عدة أنواع أشهرها المولد الحثي ثنائي التغذية (Doubly Fed Induction Generator (DFIG)).

9- nacelle (الحاوية): وهي عبارة عن حاوية موجودة بأعلى التوربينة تقوم بتغطية واحتواء أغلب مكونات التوربينة، كما هو موضح بالصورة التالية:

صورة (5): احتواء الحاوية (Nacelle) لأغلب مكونات توربينة الرياح. [5]

10- Tower (البرج): ووظيفته هي رفع التوربينات إلى ارتفاع معين وكلما زاد الارتفاع زاد معها القدرة الناتجة منها، إلى جانب قيامها بحمل الكابلات.

مبدأ عمل توربينات الرياح:

يمكننا تقسيم مبدأ عمل توربينات الرياح إلى ثلاثة مراحل:

المرحلة الأولى: استقبال التوربينة لطاقة الرياح:

عندما تبدأ الرياح بالهبوب باتجاه التوربينة سيؤدي ذلك إلى اكتسابها طاقة حركية، ويتم التعبير عن الطاقة الحركية بالقانون التالي:

KE=0.5*m*V^2

حيث أن:

(KE): الطاقة الحركية (Kinetic Energy) ويقصد بها هنا الطاقة الحركية للرياح.

(m): الكتلة ويقصد بها هنا كتلة الهواء.

(V):السرعة ونقصد بها هنا سرعة الرياح.

كما هو مبين بالصورة التالية:

Kinetic Energy Examples (video lessons, examples, step-by-step solutions) — صورة (6): قانون الطاقة الحركية. [6]

وكما هو معروف أن القدرة (Power) عبارة عن معدل تغير الطاقة أي بمعنى آخر مشتقة الطاقة بالنسبة للزمن، والمتغير الذي سيتم اشتقاقه هو الكتلة لتصبح كالآتي:

P=dKE/dt =0.5*V^2*(dm/dt) (1)

وتسمى مقدار تغير الكتلة بالنسبة إلى الزمن بمعدل تدفق الكتلة (mass flow rate) ويرمز لها بالرمز m’ وتعطى بالقانون التالي:

m’= rho *A*V (2)

حيث أن :

(rho):كثافة الهواء.

(A): المساحة.

(V):السرعة.

وبالرجوع إلى المعادلة رقم (١) وتعويض dm/dt بالمعادلة رقم (٢) سنحصل على قانون طاقة الرياح الشهير، وهو كالآتي:

P(Wind) =0.5*rho*A*V^3

مصطلح هام:

معدل تدفق الكتلة (Mass Flow Rate): هو معدل تغير كتلة المائع (السائل أو الغاز) التي تمر في وحدة زمنية، بمعنى آخر معدل حركة المائع الذي يمر عبر مساحة واحدة وتعتمد على كثافة المائع و سرعته و المساحة التي سيمر من خلالها، ولها مبدأ أساسي وهو مبدأ حفظ الكتلة (معادلة الاستمرارية (Continuity Equation) وهو أن قيمة معدل تدفق الكتلة عند مرورها من طرف ما يجب أن تكون نفسها عند خروجها من الطرف الآخر مع تغير المساحة والسرعة وثبات كثافة المائع للطرفين كما هو مبين بالصورة (7).

صورة (7): ثبات معدل تدفق الكتلة للطرفين. [7]

المرحلة الثانية: تحول طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية:

الآن وبعد أن تم استقبال طاقة الرياح إلى التوربينة سيتم الاستفادة منها لتبدأ التوربينة بالدوران، ولكن ما هي الكمية التي سيتم الاستفادة من طاقة الرياح لتحويلها إلى طاقة ميكانيكية تقوم بتدوير التوربينة؟

أولاً دعونا نستذكر مبدأ معدل تدفق الكتلة وهو أن قيمة معدل تدفق الكتلة عند مرورها من طرف ما يجب أن تكون نفسها عند خروجها من الطرف الآخر مع تغير المساحة والسرعة وثبات كثافة المائع للطرفين.

لكن في حال إن كان الوسط الذي سيمر به المائع (الرياح والتي تمثل الطاقة الحركية) هو التوربين فإنه سيستفيد بنسبة معينة من الهواء كطاقة حركية ليقوم بتدوير التوربين ويخرج النسبة المتبقية المتبقي منها إلى الطرف الآخر وبالتالي ستقل سرعة الرياح بعد مرورها توربينة الرياح وستزداد مساحة المقطع الدائري لمنطقة هبوب الرياح، كما هو مبين بالصورة التالية:

Wind Turbine Actuator Disc — OpenMDAO — صورة (8): ازدياد مساحة المقطع العرضي لهبوب الرياح وانخفاض سرعة الرياح بعد مرورها بتوربينة الرياح والاستفادة من بعضها. [8]

لذلك من المستحيل أن يتم الاستفادة بشكل كامل من الطاقة الحركية للرياح لتدوير التوربينة وإنما بنسبة منها، ونرمز بالنسبة المستفادة من الطاقة الحركية للرياح بالرمز (Cp)، وأقصى نسبة يمكن التوصل إليها هي 59.3% [9] والتي تسمى بـحد بيتز (Betz limit) نسبة إلى العالم الألماني ألبرت بيتز الذي توصل إليها، ولمعرفة الكمية المستفادة من طاقة الرياح يتم ضرب طاقة الرياح في Cp لتصبح العلاقة، كما بالصورة التالية:

صورة (9): العلاقة بين طاقة الرياح الكاملة والطاقة التي يستقبلها التوربين للاستفادة منها. [10]

والمنحنيات الموجودة في الصورة (10) يوضح العلاقة بين سرعة الرياح والطاقة الناتجة حيث أن كل منحنى يمثل الآتي:

المنحنى الأخضر: يمثل طاقة الرياح الكاملة والتي وكما ذكرنا سابقاً أنه من المستحيل الاستفادة منها كاملة.
المنحنى الأزرق: يمثل أقصى نسبة من طاقة الرياح يمكن الاستفادة منها (توربينة الرياح المثالية)، وهي في الواقع تعتبر الوصول إليها شبه مستحيلة نتيحة لوجود بعض المفاقيد.
المنحنى الأحمر: يمثل المنحنى الفعلي والواقعي لتوربينات الرياح والذي يحتوي على بعض المفاقيد التي تجعله غير مثالي وواقعي كالمفاقيد الهوائية (الاحتكاك وغيرها).

1 Wind Turbine Control • The control system on a wind turbine is designed to: 1. seek the highest efficiency of operation that — صورة (10) : منحنيات توضح العلاقة بين سرعة الرياح والطاقة الناتجة في حالات مختلفة. [11]

المرحلة الثالثة: تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية:

صندوق التروس (Gearbox):

الآن وبعد أن بدأ التوربين بالدوران سيدور معه العضو الدوار للمولد الكهربائي، ولكن قبل ذلك يجب أن يتم رفع سرعة الدوران ويتم ذلك باستعمال صندوق التروس (Gearbox) حيث أنه يقوم برفع السرعة التي تم تدورير التوربينة بها ومن ثم تدوير العضو الدوار للمولد الكهربائي ليتم بعد ذلك توليد الطاقة الكهربائية.

لذلك عندما نتعمق قليلاً في صندوق التروس سنجد أن كل طرف من أطرافها موصلة بعامود (Shaft) دوار، حيث أن العامود الموصل بصندوق التروس لطرف التوربينة يسمى بعامود السرعة المنخفضة (Low Speed Shaft) ويسمى أحياناً بالعامود الرئيسي (Main Shaft)، والعامود الموصل بصندوق التروس لطرف العضو الدوار للمولد يسمى بعامود السرعة المرتفعة (High Speed Shaft)، كما هو مبين بالصورة التالية:

Predictive maintenance of wind turbine low-speed shafts based on an autonomous ultrasonic system - ScienceDirect — صورة (11): مكونات توربينة الرياح ويظهر هنا طريقة توصيل كل طرف من الأطراف بصندوق التروس بعامود. [12]

المولد الكهربائي:

بعد أن تم رفع سرعة دوران العامود الموصل بصندوق التروس لطرف العضو الدوار للمولد سيؤدي ذلك إلى توليد الكهرباء بأطراف العضو الثابت بما أن العضو الدوار يستمر بالدوران، ويوجد أربع أنواع للمولدات المستخدمة في توربينات الرياح وهي:

المولد الحثي ذو القفص السنجابي (Squirrel Cage Induction Generator).
المولد الحثي ذو الأسلاك الملفوفة (Wound Rotor Induction Generator).
المولد الحثي ثنائي التغذية (Doubly Fed Indution Generator)، وهو الأكثر شيوعاً وانتشاراً.
المولد المتزامن ذو مغناطيس دائم (Permanent Magent Synchronous Generator).

هناك أربعة أنظمة لتوليد الكهرباء بنظام توربينات الرياح والتي من خلالها يتم توليد الطاقة الكهربائية كما هو مبين بالصورة (12)، ولكل منها خصائصها وآلية عملها وهي كما يلي:

صورة (12): أنواع أنظمة توربينات الرياح الأربعة لتوليد الكهرباء. [13]

1- النوع A (Type A):

ويعتبر أبسط الأنواع وأرخصهم ثمناً لبساطة بناؤه ومكوناته، ونوع المولد المستخدم فيها هو المولد الحثي ذو القفص السنجابي (Squirrel Cage Induction Generator) كما هو مبين بالصورة (13)، وتعمل على سرعة رياح ثابتة (Fixed Speed) وهو النوع الوحيد الذي يعمل على سرعة ثابتة والتي تعتبر سلبية واضحة مقارنة بالأنواع الأخرى.

صورة (13): الرسم التخطيطي للنوع A من أنواع. [14]

2- النوع B (Type B):

ونوع المولد المستخدم فيها هو المولد الحثي ذو الأسلاك الملفوفة (Wound Rotor Induction Generator) كما هو مبين بالصورة (14)، وتعمل على سرعة رياح متغيرة (Variable Speed) يشبه النوع A إلى حد ما ويكمن الاختلاف في أن أطراف العضو الدوار موصل بمقاومة متغيرة (Variable Resistance) والذي سيساهم في تغيير سرعة الدوران بواسطة إلكترونيات القوى (Power Electronics) الموصلة بالمقاومات المتغيرة.

PDF] 16 Modelling and Control Design of Pitch-Controlled Variable Speed Wind Turbines | Semantic Scholar — صورة (14) : الرسم التخطيطي للنوع B من أنواع أنظمة توليد الكهرباء بتوربينات الرياح . [14]

3- النوع C (Type C):

وهو النوع الأشهر والأكثر استخداماً و تعمل على سرعة رياح متغيرة (Variable Speed)، و نوع المولد المستخدم فيه هو المولد الحثي ثنائي التغذية (Doubly Fed Indution Generator)، وسمي بذلك لأن كلاً من العضو الثابت والعضو الدوار موصلة مع الشبكة الرئيسية كما هو مبين بالصورة (15)، وكما نرى بالصورة أيضاً أن العضو الدوار موصل بالشبكة عن طريق دوائر ومحولات إلكترونيات القوى من نوع Partial-scale power converter والتي نعني بها أن جزء من القدرة الناتجة من عملية تدوير توربينات الرياح سيتم تمريره إلى دوائر ومحولات إلكترونيات القوى وهي تقريباً 30%. [14]

صورة (15): الرسم التخطيطي للنوع C من أنواع أنظمة توليد الكهرباء بتوربينات الرياح. [14]

4- النوع D (Type D):

تعمل على سرعة رياح متغيرة (Variable Speed) ويتميز بإمكانية عمله على أكثر من نوع من المولدات كما هو مبين بالصورة (16)، كما نرى بالصورة أيضاً أن محولات إلكترونيات القوى متصلة من العضو الثابت للمولد إلى الشبكة أي أن القدرة الناتجة من عملية تدوير توربينات الرياح سيتم تمريره إلى دوائر ومحولات إلكترونيات القوى كاملة، أي أن دوائر ومحولات إلكترونيات القوى من نوع Full-scale power converter والتي تقوم بتنظيم التردد الناتج بمختلف السرعات وبالتالي يتم الاستغناء عن صندوق التروس غالباً، وهذا النوع من النوع الوحيد من أنواع أنظمة التوليد بتوربينات الرياح يتم الاستغناء عن صندوق التروس به.

صورة (16): الرسم التخطيطي للنوع D من أنواع أنظمة توليد الكهرباء بتوربينات الرياح . [14]

إيجابيات وسلبيات:

إيجابيات:

توليد طاقة متجددة.
خلوها من الانبعاثات المضرة بالبيئة.
تزويد المناطق النائية الغير متصلة بشبكة الكهرباء بالطاقة الكهربائية.

سلبيات:

التقطعات (Intermittent) ويقصد بها عدم ضمان استمرارية إنتاج الطاقة الكهربائية؛ لاعتمادها على سرعة الرياح.
الضوضاء (Noise) الصادرة من التوربينات والتي قد تكون مزعجة عند البعض.
تعتبر مصدر تهديد للطيور والخفافيش حيث قد يؤدي اصطدامها بالأجنحة إلى قتلها.