ما نوع المولد المناسب لتوليد الطاقة من الرياح؟

تتمثل المهمة الأساسية لتوربينات الرياح في تحويل الطاقة الميكانيكية، المتغيرة باستمرار مع سرعة الرياح، إلى طاقة كهربائية قابلة للتوصيل بالشبكة بكفاءة وثبات. لذا، فإن المولدات المناسبة لتوليد طاقة الرياح ليست نماذج عادية، بل يجب أن تتمتع بخصائص التكيف مع سرعات رياح واسعة، وتحمل أحمال معقدة، وسهولة التحكم بها في الشبكة. وتدور صناعة طاقة الرياح الحديثة بشكل رئيسي حول ثلاثة مسارات تكنولوجية، لكل منها مزاياها الخاصة، وتناسب سيناريوهات مختلفة.

1- مولد غير متزامن مزدوج التغذية: كان في السابق ركيزة أساسية في الصناعة

لطالما كانت المولدات غير المتزامنة ذات التغذية المزدوجة هي السائدة في سوق طاقة الرياح. مبدأ عملها ذكي: يتم توصيل دوار المولد بمحول تردد أصغر من خلال حلقات انزلاق وفرش كربونية، بينما يتم توصيل الجزء الثابت مباشرة بشبكة الكهرباء.

تتمثل الميزة الأكبر لهذا التصميم في كفاءته الاقتصادية. فبسبب حاجة محول التردد لمعالجة ثلث الطاقة فقط في دائرة الدوار، تنخفض تكلفة المعدات ويقل فقد الطاقة. إضافةً إلى ذلك، وبفضل التكنولوجيا المتطورة للغاية وسلسلة التوريد المتكاملة، أصبح هذا التصميم خيارًا شائعًا لمحطات طاقة الرياح البرية، وخاصةً الوحدات ذات القدرة الإنتاجية بالميغاواط، خلال العقدين الماضيين.

مع ذلك، برزت عيوبها بشكل متزايد مع تطور الصناعة. ففرش الكربون وحلقات الانزلاق هي مكونات تلامس ميكانيكية تتطلب صيانة دورية في بيئة التشغيل القاسية لمزارع الرياح، وهي نقاط ضعف محتملة. إضافةً إلى ذلك، ونظرًا للتوصيل المباشر للجزء الثابت بشبكة الطاقة، فإن قدرته على تحمل تقلبات الجهد في الشبكة (أي "القدرة على تحمل انخفاض الجهد") ضعيفة نسبيًا.

2- مولد متزامن ذو محرك مباشر ومغناطيس دائم: نموذج للموثوقية

تعتمد تقنية الدفع المباشر نهجًا مختلفًا تمامًا، إذ تستغني كليًا عن علبة التروس عالية السرعة، مما يسمح لتوربينات الرياح بتشغيل مولد متزامن متعدد الأقطاب ذي مغناطيس دائم بشكل مباشر. ونظرًا لانخفاض السرعة، يتفاوت تردد التيار المنبعث بشكل كبير، لذا يجب معالجة جميع الطاقة الكهربائية بواسطة عاكس طاقة كامل قبل إرسالها إلى الشبكة.

تُحقق هذه الخطة مزايا ثورية. فإزالة علبة التروس، ذات أعلى معدل أعطال، تُحسّن بشكل كبير من موثوقية الوحدة وسهولة صيانتها، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لمزارع الرياح البحرية التي يصعب الوصول إليها. وتُوفر المغناطيسات الدائمة مجالًا مغناطيسيًا دون فقدان في الإثارة، مما يُؤدي إلى كفاءة أعلى. والأهم من ذلك، أن مُحوّل التردد كامل الطاقة يعمل كحاجز عازل، حيث يعزل المولد تمامًا عن الشبكة، مما يجعل توربين الرياح غير حساس للغاية لتقلبات الشبكة وقادرًا على دعمها بفعالية، مما يُؤدي إلى جودة طاقة ممتازة.

يكمن التحدي في الحاجة إلى تصميم مولد كهربائي ذي قطر ضخم وأقطاب متعددة لتوليد تردد كافٍ من الكهرباء بسرعات منخفضة، مما ينتج عنه حجم ووزن هائلين، الأمر الذي يُشكل تحديًا كبيرًا في النقل والرفع. كما أنه يعتمد على مواد مغناطيسية دائمة من العناصر الأرضية النادرة، مما يزيد من تكلفته.

3- مولد متزامن متوسط ​​السرعة بمغناطيس دائم (محرك شبه مباشر): هو التقنية المفضلة حاليًا

من أجل تحقيق التوازن بين موثوقية الدفع المباشر وصغر حجم الهياكل التقليدية، ظهرت حلول "الدفع شبه المباشر" أو "الدفع متوسط ​​السرعة" وسرعان ما أصبحت الخيار السائد لتوربينات الرياح الكبيرة، وخاصة النماذج البحرية.

وهي تحتفظ بصندوق تروس بسيط ومتين متوسط ​​السرعة (عادةً ما يحتوي على ترس كوكبي واحد فقط)، مما يزيد من سرعة توربينات الرياح إلى مستوى معتدل، ويشغل مولدًا متزامنًا مغناطيسيًا دائمًا صغير الحجم، ويتصل أخيرًا بالشبكة من خلال محول تردد كامل الطاقة.

يمكن وصف هذا بأنه "مزيج ذهبي". فهو يقلل بشكل ملحوظ من حجم ووزن المولد باستخدام علبة تروس بسيطة، مما يحل مشكلة نقل وحدات الدفع المباشر، مع الحفاظ على الكفاءة العالية لمحركات المغناطيس الدائم والتوافق الممتاز مع الشبكة لمحولات التردد ذات القدرة الكاملة. كما أن موثوقيته أعلى بكثير من أنظمة التغذية المزدوجة التقليدية. ورغم صعوبة دمج هذه التقنية وارتفاع التكلفة الأولية، إلا أن مزاياها كبيرة من حيث التكلفة الإجمالية للكهرباء طوال دورة حياة النظام.

ملخص واتجاهات

بشكل عام، فإن مسار التطور التكنولوجي لتوربينات الرياح واضح:

لا تزال المولدات غير المتزامنة ذات التغذية المزدوجة تتمتع بحيوية في أسواق برية محددة نظرًا لنضجها واقتصاديتها.

تحتل المولدات المتزامنة ذات الدفع المباشر والمغناطيس الدائم مكانة راسخة في المناطق البحرية والمناطق ذات سرعة الرياح المنخفضة بفضل موثوقيتها التي لا مثيل لها.

لقد نجح مولد المغناطيس الدائم المتزامن متوسط ​​السرعة في دمج مزايا النوعين الأولين، ليصبح الرائد التكنولوجي المطلق في تطوير طاقة الرياح واسعة النطاق والبحرية الحالية، مما يمثل الاتجاه المستقبلي لهذه الصناعة.

يُعدّ اختيار المولد عملية بحث أساسية عن التوازن الأمثل بين الاستثمار الأولي، وتكاليف التشغيل والصيانة، وكفاءة توليد الطاقة، ومتطلبات الربط بالشبكة. ومع ازدياد حجم توربينات الرياح وانتشارها في عرض البحر، أصبحت متطلبات الموثوقية وقدرة دعم الشبكة بالغة الأهمية. وهذا هو السبب الرئيسي وراء تفوق تقنية مولدات المغناطيس الدائم المقترنة بمحولات تردد الطاقة الكاملة.