الخميس، 30 أبريل 2020

محطات طاقة الرياح Wind Farms لتوليد الكهرباء

الشرح السابق:شرح محطات توليد الكهرباء من المد والجزر Tidal Power Stations.

طاقة الرياح Wind Farms 

     استخدمت طاقة الرياح منذ آلاف السنين في دفع المراكب على سطح الماء وطحن الحبوب والري و في ضخ المياه ، إلى جانب بعض التطبيقات الميكانيكية الأخرى . وتشير المراجع العلمية والمخطوطات التاريخية إلى أن الفرس هم أول من استخدم طاقة الرياح في طحن الحبوب وضخ المياه. 
    ونشير هنا إلى أن سيدنا عمر بن الخطاب رضى الله عنه قبل استشهاده بيومين على يد أبي لؤلؤة المجوسي دار بينهما حوار ، سأله عمر فيه عن طواحين الرياح فأجاب أبو لؤلؤة أنه يستطيع صنعها فطلب منه سيدنا عمر أن يصنع للمسلمين واحدة ، إلا أن أبا لؤلؤة غدر به وقتله.

   أما في أوروبا فقد انتشرت طواحين الرياح "Mills Wind " منذ القرن الثاني عشر كما في الشكل التالي حتى وصل عددها في عام 1750 ميلادية إلى أكثر من 8000 طاحونة في هولندا وأكثر من 10000 طاحونة في إنجلترا ، كان الغرض الرئيسي لعملها هو ضخ المياه "Pumping Water "من  المناطق المنخفضة إلى مناطق الزراعات المرتفعة ، أو إدارة أحجار "الرحى" لطحن حبوب القمح والذرة وغيرها. 

1.1- الطاقة الشمسية هى مصدر الرياح:

     تتولد الرياح نتيجة لامتصاص أسطح الأرض والبحار والمحيطات لأشعة الشمس "Radiation Solar" وبالتالي ترتفع درجة حرارة هذه الأسطح بدرجات مختلفة ، وعندما يسخن الهواء فإن ذلك يؤدي إلى انخفاض كثافته ، وتبعا لذلك ينتقل الهواء من منطقة الضغط المرتفع (حيث يقل الإشعاع الشمسي) إلى منطقة الضغط المنخفض (حيث الإشعاع الشمسي الأعلى) مما يؤدي إلى نشوء الرياح.

1.2-كيف تعمل توربينات الرياح ؟

     المكونات الرئيسية لتوربين الرياح هي ريش دوارة تحمل على عمود ومولد يعمل على تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهرباية ، فعندما تمر الرياح على الريش تخلق دفعة هواء ديناميكية تتسبب في دوران الشفرات ، وهذا الدوران يشغل المولد فينتج طاقة كهربائية ، كما جهزت تلك التوربينات بجهاز تحكم في دوران الريش لتنظيم معدلات دورانها ووقف حركتها إذا لزم الأمر .
    تعتمد كمية الطاقة المنتجة من توربين الرياح على سرعة الرياح وقطر الشفرات ؛ لذلك توضع التوربينات التي تستخدم لتشغيل المصانع أو للانارة فوق أبراج ؛ لأن سرعة الرياح تزداد مع الارتفاع عن سطح الأرض ، ويتم وضع تلك التوربينات بأعداد كبيرة على مساحات واسعة من الأرض لإنتاج أكبر كمية من الكهرباء . ولأن هناك بعض الأوقات التي تقل فيها سرعة الرياح ، مما يصعب معه إنتاج الطاقة  الكهربائية ، فإن مستخدمي طاقة الرياح  يجب أن يكون لديهم مولد بالديزل أو بالطاقة الشمسية لاستخدامه في تلك الأوقات. و المكان الأفضل لوضع التوربينات (عمل حقل رياح) يجب ألا  يقل متوسط سرعة الرياح فيه سنويا عن 12 ميل في الساعة .
    ومعظم مزارع الرياح تقام على اليابسة ، لكن ونظرا للتأثير المهم لسرعة الرياح على الطاقة المولدة فإن بعضا من مزارع الرياح تقام داخل المياه ويطلق عليها المزارع البحرية Off-Shore Wind Farms  حيث ترتفع سرعات الرياح عنها في اليابسة.

 

1.3-مكونات محطة توليد الكهرباء من الرياح:

   تتكون مروحة التوليد كما فى الشكل:
     1 -عدد 2 إلى 3 ريشةRotor Blades  وتصل فى الطول إلى 20 متر للريشة ، وفى الأنواع الجديدة مثل وحدة الـــ 5 ميجا يتجاوز قطر الدوران 130 متر. 
    2 -صندوق تروس Box Gear وتربط بين :
         a .محور السرعة البطيئة الذى تركب عليه الريش وهو يدور بسرعة حوالي 30 لفة فى الدقيقة .
         b .محور السرعة العالية وهو الذى يصل مباشرة للمولد ويدور بسرعة 1500 لفة فى الدقيقة.

     3 -غرفة القمرة التى تسمى Nacelle ، وتشتمل على المولد والتروس فهى بمثابة Housing لكل المعدات ، وتشتمل أيضا على المعدات التى تتحكم فى الريش ، حيث يمكنها تغيير زاوية ميل الريشة بالنسبة للريح بواسطة موتور ، و بالتالي تتحكم فى سرعة الدو ران التى تقاس بلفة /ثانية متأثرة بسرعة الريح والتى يجب ألا تقل عن 5 متر فى الثانية. ويجب ألا تزيد عن 30 م/ث.
     4 -مولد كهربائى وتتراوح قدرته من 500 إلى 1500 كيلووات وبعض المولدات وصلت الآن إلى 3 و 5 و 6 و 7 ميجاوات .
     5 -يقوم المحول الخاص بالوحدة بنقل القدرة بجهد توزيع (حوالي 24 kv )عبر كابلات و يتم تجميعه مع الوحدات الأخرى ثم الرفع إلى خطوط النقل ، و لا يتم اتصال كل وحدة مباشرة مع خطوط النقل.
    6 -والجميع (ماعدا المحول) مثبتون فى أعلى برج التوليد Tower والمصنوع من الاستيل ويبلغ ارتفاعه من 40 إلى 60 متر ، وحاليا يتجاوز الارتفاع 140 متر مع قدرات 5 ميجا. ويصنع البرج من الحديد المعالج حراريا ليتحمل مكونات الحاوية الـ Nacelle والتي يصل وزنها إلى قرابة الثلاثين طن.

     في بدء التشغيل يعتمد المولد الحثي Induction Generator  على سحب تيار كهربائي من الشبكة الكهربائية والذي يكون ذو تردد ثابت (50 هيرتز أو 60) مع نسبة تغير طفيفة (0.5% ) وهو ما يعني أن التربينة تعمل في البداية كموتور حتى تصل سرعة دوران الريش إلى قيمة تختلف بحسب تصميم التربينة(مثال 27 لفه/دقيقة) ، بعدها يترك الأمر لقوة الرياح لاستكمال تدوير التربينة وإنتاج الكهرباء.

   ولضمان الاستفادة بأقصى قدر من طاقة الريح ، يستخدم نظام لتوجيه " التربينة في اتجاه الرياح Yawing ، "فإذا ارتفعت سرعة الرياح عن 25 متر/ثانية فإن الفرامل "Brakes "تمنع الريش من الدوران  مخافة أن تؤدي سرعة الرياح العالية إلى تحطمها وتكسير الأجزاء الدوارة في الحاوية "Nacelle ."

1.4-كمية الطاقة المولدة من الرياح :

    تتوقف كمية الطاقة المولدة بالرياح بشكل كلى على الطاقة الحركية للهواء والتى تتناسب طرديا مع كتلة الهواء وسرعته. والمعادلة التالية تبين ذلك بدلالة مساحة المروحة وكثافة الهواء كما يلى:

1.5- العـوامل المؤثرة في إنتاج الطاقة:

     1 -سرعة الريار : يتأثر إنتاج توربينات الرياح تأثرا مباشرا بسرعة الرياح حيث تتناسب الطاقة المنتجة مع مكعب السرعة ، ولبيان هذه العلاقة نضرب المثال التالي ، إذا كانت سرعة الريح 5 متر/ثانية فإن الطاقة الناتجة تعادل – تقريبا - 125 وحدة طاقة ، فإذا ارتفعت السرعة وأصبحت 6 متر/ثانية فإن الطاقة الناتجة تزيد إلى 216 وحدة طاقة. ويبين هذا المثال البسيط كيف أن ارتفاع سرعة الريح بمقدار 1 متر/ثانية أدى إلى زيادة كبيرة في الطاقة المنتجة ، أيضا تتأثر الطاقة المنتجة من التوربينات بعوامل أخرى منها كثافة الهواء وارتفاع البرج ومساحة سطح الدوران وتأثير التوربينات على بعضها البعض "Effect Wake ، "إلا أن التأثر المباشر يكون مع سرعة الرياح.

    2 -مساحة سطح الدوران "Swept Area ": تعبر مساحة سطح الدوران عن المساحة الناشئة عن دوران الريش والتي تتحدد بطول الريشة وبالتالي حجم الهواء الذي يضرب مستوي الدوران ، ويطلق أيضا على مساحة سطح الدوران قطر التربينة.

   3 -نسبة سرعــة سن الريشة " Tip-Speed Ratio:"هي النسبة بين السرعة عند نهاية الريشة "سن الريشة Tip Blade  "وسرعة الريح ، والتي تزيد كلما زاد طول الريشة ، وتتحدد حدودها المثلي بين 60 – 80.

    و عندما تهب الرياح على التربينة يدور الـ Rotor تبعا للقوى الايروديناميكية و يتم نقل هذه الحركة إلى المولد عن طريق محورين و صندوق تروس سرعة ( محور السرعة البطيئة ومحور السرعة العالية) ونسبة النقل لصندوق التروس تحدد السرعة التي سوف تصل للمولد . و الشكل أسفله يوضح معظم مكونات تربينة الرياح في القمرة وفيها أيضا محركات السيرفو التي تقوم بتغيير جهة الريش تبعا للرياح التي تهب على التربينة .

1.6- زاوية الهجوم:

    مساحة السطح التي تهب عليها الرياح هي أحد المؤشرات الهامة لزيادة القوة الايروديناميكية على ريش التربينة . لذلك فإن الزاوية التي يتم تغيير الريش لمواجهة الرياح عليها هي زاوية مهمة جدا و تدعى زاوية الهجوم α .

  و زاوية الهجوم الحرجة تعرف بأنها الزاوية التي لا يمر عندها أي تيار هوائي على الشفرات ، ويوضح الشكل التالي زاوية الهجوم ، وزاوية الهجوم الحرجة .

1.7-:منحنى القدرة:

     يوضح هذا المنحني (الشكل التالي) العلاقة بين القدرة المنتجة من التربينة وسرعة الرياح ، وهو محدد رئيسي لتحديد نوع التحكم المطلوب استخدامه في التربينة .
     يوضح الشكل السابق منطقة تشغيل التربينة بين الـــ  Cut in Speed  و الـ  Cut out Speed  و في هذه المنطقة يكون تشغيل التربينة ضمن الحدود التي تسمح بها قدرتها و تبقيها في حدود أمان التشغيل وتساعد في الحفاظ على بنيتها . في المنطقة الأولى و الثانية و عندما تكون سرعات الرياح قليلة يتم تعديل الريش للحصول على أعظم قدرة ، أما في المنطقة الثالثة و عندما تكون السرعات عالية و فوق سرعة الرياح الاسمية المصممة عليها التربينة يتم تعديل الريش لتقليل تأثير سرعة الرياح و الحفاظ على التربينة من السرعات العالية.

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق