ما هي كفاءة توليد الطاقة بواسطة توربينات الرياح في المناطق ذات سرعات الرياح المنخفضة أو غير المستقرة؟

هذا سؤال وجيه للغاية، وهو أحد التحديات الرئيسية التي تواجه صناعة طاقة الرياح في توسيع سوقها. ببساطة، في المناطق ذات سرعات الرياح المنخفضة أو غير المستقرة، تنخفض كفاءة توليد الطاقة لتوربينات الرياح التقليدية بشكل ملحوظ، ولكن من خلال سلسلة من الابتكارات التكنولوجية الموجهة والحلول الشاملة، يمكن تحقيق تنمية مجدية اقتصاديًا.

فيما يلي بعض الشروحات التفصيلية:
1- التحدي: لماذا تنخفض الكفاءة؟

العلاقة التكعيبية بين سرعة الرياح والطاقة: تتناسب الطاقة الناتجة من توربينات الرياح طرديًا مع مكعب سرعة الرياح. وهذا يعني أنه إذا انخفضت سرعة الرياح إلى النصف، فإن الطاقة المولدة نظريًا ستنخفض إلى ثُمن الطاقة الأصلية. لذا، فإن انخفاض سرعة الرياح يُؤثر سلبًا على توليد الطاقة.

حد قطع سرعة الرياح: تحتوي توربينات الرياح التقليدية على "حد قطع سرعة الرياح" (عادةً 3-4 أمتار/ثانية)، والذي لا يمكن للتوربين أن يبدأ في توليد الكهرباء دونه.

سرعة الرياح غير المستقرة: يمكن أن تؤدي التقلبات المتكررة في سرعة الرياح إلى بدء وتوقف متكررين، وتغييرات في الانحراف والميل لتوربينات الرياح، مما لا يزيد الخسائر الميكانيكية فحسب، بل لا يمكنها أيضًا العمل بثبات على منحنى الطاقة الأمثل، مما يؤدي إلى انخفاض الاستخدام الإجمالي للسعة.

شدة اضطراب عالية: غالبًا ما تصاحب الرياح غير المستقرة اضطرابًا عاليًا، مما يزيد من الحمل على المروحة. ولضمان السلامة، قد يكون من الضروري أحيانًا تقليل الطاقة أو إيقاف التشغيل.

2- الحل: كيف يمكن تحسين كفاءة توليد الطاقة في المناطق ذات سرعة الرياح المنخفضة/غير المستقرة؟

استجابةً لهذه التحديات، طورت تكنولوجيا طاقة الرياح الحديثة، وخاصة توربينات الرياح منخفضة السرعة، حلولاً ناضجة:

1. زيادة مساحة الكنس:

تمديد الشفرات: هذه هي الطريقة الأكثر مباشرة وفعالية. فالشفرات الأطول تستطيع التقاط المزيد من طاقة الرياح وتوليد عزم دوران كافٍ لتشغيل المولد حتى في سرعات الرياح المنخفضة. ويتزايد قطر دافعات المراوح الحديثة منخفضة السرعة باستمرار.

تحسين التصميم الديناميكي الهوائي: اعتماد أشكال أكثر تطوراً للأجنحة والشفرات لتعزيز كفاءة التقاط طاقة الرياح.

2. تقليل انخفاض سرعة الرياح وسرعة الرياح المقدرة:

من خلال تحسين استراتيجية التحكم وتصميم المولد، يمكن تقليل انخفاض سرعة الرياح إلى 2-2.5 متر في الثانية أو حتى أقل.

خفض "سرعة الرياح المقدرة" (سرعة الرياح التي تصل إلى الطاقة الكاملة) لتمكين توربين الرياح من الوصول إلى الطاقة المقدرة عند سرعات رياح أقل.

3. زيادة ارتفاع البرج:

تزداد سرعة الرياح مع الارتفاع (تأثير قص الرياح). وباستخدام برج أعلى، يمكن وضع المحور على ارتفاع أعلى وأكثر استقرارًا مع سرعات رياح أعلى، مما يزيد بشكل ملحوظ من توليد الطاقة.

4. تقنية التحكم الذكي المتقدمة:

التحكم الذكي في زاوية ميل الشفرات وعزم الدوران: ضبط زاوية الشفرة وعزم دوران المولد بدقة بناءً على سرعة الرياح اللحظية، مما يزيد من التقاط الطاقة ويقلل من الحمل الناتج عن الرياح غير المستقرة.

التحكم التنبؤي: الجمع مع تقنية LiDAR لقياس سرعة الرياح بشكل استباقي، وضبط حالة المروحة مسبقًا، وتنعيم خرج الطاقة وتقليل الصدمات الميكانيكية.

التحكم التعاوني في مزارع الرياح: تحسين استراتيجية تشغيل توربينات الرياح في جميع أنحاء مزرعة الرياح بأكملها، وتقليل تأثير الدوامات، وزيادة إجمالي توليد الطاقة للموقع بأكمله.

5. تصميم نموذج مناسب لظروف رياح محددة:

تصميم توربينات رياح محسّنة لحقول الرياح ذات الاضطراب العالي والتضاريس المعقدة (مثل المناطق الجبلية) والتي يمكنها تحمل أحمال أكثر تعقيدًا والحفاظ على التشغيل الفعال.

3- مؤشرات التأثير والقياس الشاملة

بعد إجراء التحسينات المذكورة أعلاه، يمكن أن تصل ساعات التشغيل الكاملة السنوية المكافئة لتوربينات الرياح الحديثة منخفضة السرعة إلى أكثر من 2000 ساعة في المناطق ذات سرعات الرياح المنخفضة (مثل متوسط ​​سرعة رياح سنوية يتراوح بين 5.5 و6.5 متر/ثانية)، وهو ما يُعدّ ذا قيمة تنموية اقتصادية. أما في المناطق التقليدية ذات سرعات الرياح العالية (بمتوسط ​​سرعة رياح سنوية يزيد عن 8 أمتار في الثانية)، فقد يتراوح هذا الرقم بين 3000 و4000 ساعة.

مؤشر القياس الرئيسي - التكلفة الموحدة للكهرباء (LCOE):
لا يقتصر معيار التقييم النهائي على "الكفاءة" فحسب، بل يشمل تكلفة توليد الطاقة. فمن خلال هذه التقنية، ورغم احتمال ارتفاع تكلفة الوحدة الواحدة (وخاصة الشفرات والبرج)، إلا أنها تزيد بشكل ملحوظ من توليد الطاقة في المناطق ذات سرعة الرياح المنخفضة، مما يقلل من متوسط ​​تكلفة الكهرباء لكل كيلوواط ساعة، ويحقق عائدًا على الاستثمار للمشروع ككل.

4- الاتجاهات المستقبلية

أكبر حجماً وأكثر تخصيصاً: تستمر توربينات الرياح في التطور نحو أقطار شفرات أكبر وهياكل أبراج أعلى، وتوفر حلولاً مخصصة للغاية لمناطق موارد الرياح المختلفة.

بالإضافة إلى تخزين الطاقة: بالنسبة للمناطق ذات سرعات الرياح غير المستقرة، ستصبح "طاقة الرياح + تخزين الطاقة" (مثل تخزين طاقة البطاريات) تكوينًا قياسيًا لتحسين الإنتاج، والمشاركة في تنظيم تردد الشبكة، وتحسين جودة الطاقة، وتحقيق اتصال أكثر ملاءمة بالشبكة.

الطاقة الريحية الموزعة والمجتمعية: في المناطق ذات سرعات الرياح المنخفضة ولكن القريبة من أحمال الكهرباء (مثل المناطق الوسطى والجنوبية الشرقية من الصين)، يمكن لتركيب توربين رياح واحد أو عدة توربينات رياح منخفضة السرعة أن يزود الحديقة أو المجتمع بالطاقة مباشرة، مما يقلل من خسائر النقل، وتتضح فوائدها الاقتصادية.

ملخص

في المناطق ذات سرعات الرياح المنخفضة أو غير المستقرة، لا تُعدّ كفاءة توليد الطاقة لتوربينات الرياح التقليدية مثالية. مع ذلك، استطاعت توربينات الرياح الحديثة المصممة خصيصًا لسرعات الرياح المنخفضة، استغلال طاقة الرياح بكفاءة عالية من خلال سلسلة من التقنيات، مثل التحسين الديناميكي الهوائي، والتحكم الذكي، وزيادة الحجم والارتفاع، ما حوّل موارد الرياح التي كانت سابقًا غير مجدية اقتصاديًا إلى كهرباء مجدية اقتصاديًا. لذا، تحوّلت "كفاءة توليد الطاقة" في هذه المناطق من تحدٍّ تقني إلى مسألة تحسين من خلال حلول تقنية شاملة، وأصبحت سوقًا ناميًا هامًا لتطوير طاقة الرياح عالميًا.