التكنولوجيا والحياة

good website
 
الرئيسيةالرئيسية  اليوميةاليومية  مكتبة الصورمكتبة الصور  س .و .جس .و .ج  بحـثبحـث  المجموعاتالمجموعات  التسجيلالتسجيل  دخول  ارفع صورك بنجاحارفع صورك بنجاح  

شاطر | 
 

 طاقة الريح

استعرض الموضوع السابق استعرض الموضوع التالي اذهب الى الأسفل 
كاتب الموضوعرسالة
الصاروخ
العضو المميز


عدد الرسائل : 240
تاريخ التسجيل : 01/06/2008

مُساهمةموضوع: طاقة الريح   الأربعاء يونيو 25, 2008 2:50 pm

طاقة الريح : السرعة تحدد كمية الطاقة المنتجة


حسب الاحصائيات تقدر قيمة الطاقة الكهربائية العالمية المنتجة من مصادر الطاقة المتجددة ما يعادل ثلاثة في المائة فقط من مجموع الطاقة المنتجة في العالم وتساهم في هذه النسبة المحطات الهوائية بالقسم الاكبر. فهل يمكن ان تكون الرياح المصدر الاول للطاقة؟! ان الدراسات اثبتت بان استخدام ثلاثة في المائة من طاقة الرياح المتوفرة يكفي ما يعادل 20 ضعف ما يحتاج الىه عالمنا حاليا من استهلاك للطاقة(1).

إن أزمة البترول عام 1973 التي ادت الى ارتفاع في سعر الطاقة كانت من بين الدوافع الاساسية لانتاج الطاقة الكهربائية في الدانمرك وكندا وهولندا والسويد واميركا والاتحاد السوفيتي والمانيا وغيرها من الدول من مصادر اخرى مع الحفاظ على الاقتصادية والموثوقية. وحتى عام 1985 كان انتشار المحطات الهوائية مقتصرا على الولايات المتحدة الاميركية والدانمرك كنتيجة للتشجيعات المادية الحكومية.


الدافع الاخر والذي سرع في انتاج الكهرباء من طاقة الريح كان كارثة تشيرنوبل النووية في الاتحاد السوفيتي السابق عام 1986. فاعتبارا من ذلك التاريخ بوشر ببناء المحطات الهوائية باستطاعات صغيرة وهناك عوامل اخرى لا يمكن اهمالها ساهمت في تسريع البناء وهو ما تلعبه وسائل الاعلام في ترشيد الاستخدام من جهة ودور ذلك بالمساهمة بالحفاظ على سلامة البيئة من جهة اخرى.

جذور قديمة وتكنولوجيا جديدة

ان استخدام النواعير الهوائية يرجعنا الى ما قبل الميلاد. ففي القرن السادس الميلادي استخدمت المطاحن والنواعير الهوائية للمرة الأولى لدى العرب وانتقلت في القرن التاسع الى اوروبا. استمر هذا الاستخدام واسعا حتى القرن الثامن عشر. في عام 1920 قدم العالم الالماني BETZ الأسس الفنية لعنفة ريحية ذات مردود عال وفي الخمسينات من هذا القرن أدخل العالم الالماني HUETTER أول محطة طاقة هوائية.

المحطات الهوائية الحديثة تستطيع تحويل طاقة الريح الى طاقة كهربائية ابتداء من سرعة 4 أمتار في الثانية وتستطيع هذه المحطات ان تقدم استطاعتها الاسمية اعتبارا من سرعة عشرة امتار في الثانية. لهذا السبب يختار موقع المحطة بحيث يكون قدر الامكان في مصب الريح. ففي المانيا تشكل السواحل (بحر الشمال وبحر الشرق) أفضل مكان لها لعدم وجود الموانع من جبال أو هضاب .. الخ. أيضا جبال الالب ووسط المانيا تعد من المواقع المهمة. كما هو معروف فان سرعة الريح تزداد كلما ازداد الارتفاع عن سطح الارض، فسرعة الريح على ارتفاع 50 مترا فوق سطح الارض هي اكبر بمقدار 35،1 مرة وبمقدار 5،1 مرة على ارتفاع 100 متر للمكان نفسه. ان الارتفاع ما بين الارض والمحور الدوار لمعظم المحطات الهوائية يبلغ ما بين 30 الى 80 مترا.

كما نجد من العلاقة التالية فان الطاقة الكهربائية التي تنتجها محطة هوائية ما تتعلق ـ بالاضافة الى ابعاد المروحة ـ قبل كل شيء بسرعة الريح المتغيرة والمتقلبة (شكل 1)(9).

بداهة، لا يمكن تحويل الطاقة من شكل الى اخر بدون ضياعات. واضافة الى الضياعات الكهربائية الذاتية فان قوى احتكاك الهواء مع الاجزاء الميكانيكية وكذلك ضياعات نقل الحركة تحد من المردود. وحسب الدراسات الحالية يقدر مردود هذه المحطات بحوالي 35 الى 50 في المائة. في حسابات الاستطاعة المنتجة من الرياح تلعب النسبة ما بين السرعة الدورانية للمروحة الى سرعة الريح دورا مهما، فكلما كبرت هذه النسبة تقل مساحة وكثافة اجنحة المروحة. معظم المحطات الهوائية الحالية تعمل بمروحة تحتوي على اثنين او ثلاثة اجنحة وهي كافية بهذا العدد لهذا الغرض اضافة الى سهولة تصميمها والدوران المناسب حتى لسرعات ريحية بطيئة، زيادة اجنحة المروحة يمكن ان تعطي منظرا اجمل لا اكثر للمحطة.

من أهم الشركات المنتجة (انظر الجدول) شركة Vetas الدانمركية حيث جهزت الاف المحطات في العالم اضافة الى العديد من المحطات في الدانمرك نفسها.

اضافة الى الاستخدامات الخاصة فان قسما كبيرا من هذه المحطات يستخدم في التدفئة والتبريد، لتحلية المياه المالحة، في تشغيل الات السقاية، لشحن البطاريات الكهربائية، والمساهمة بتغذية الشبكة العامة .. وغير ذلك.

تشكل العنفة الهوائية الموصولة مباشرة او عن طريق علبة سرعة الى المولدة الكهربائية الجزء المهم من المحطة الهوائية اضافة الى البرج والمروحة وكذلك علبة القيادة والتحكم الالكتروني. (شكل 2) يظهر أهم أجزاء محطة هوائية من صنع شركة فيتاس.

أبعاد البرج والمروحة وبعض المعلومات الفنية للمولد وغير ذلك يمكن اخذها من الجدول. علبة التحكم الالكتروني تقوم بتنظيم تغذية كافة الحمولات الكهربائية الموصولة بالمحطة بحيث تبقى مجموعة المولدة ضمن مجال عملها الافضل. هذه المشكلة مهمة جدا خاصة عندما يكون الهواء شبه ساكن او سرعته بطيئة وبالتالي قد لا تكفي الاستطاعة المنتجة لكافة المستهلكين. هنا لا بد من فصل بعض الحمولات غير المهمة من التغذية. أيضا من علبة التحكم يمكن الحصول على كافة المعلومات اللازمة لعمل المحطة مثل ساعات العمل، درجة حرارة المولدة، اهتزازات المروحة، المراقبة والتحكم بسرعة المروحة خاصة اثناء العواصف الريحية .. الخ.

طاقة الريح

إن الشرط الأساسي لتنفيذ وتشغيل أي محطة أو حقل هوائي (حقل هوائي يتألف من عدة محطات هوائية موصولة مع بعضها البعض كهربائيا) في مكان ما هو توافر طاقة ريح كافية لتشغيل مروحة المحطة. لذلك لابد من معرفة وتحديد سرعة واتجاه وتوزيع الريح الرئيسية وعلى ارتفاعات مختلفة لهذا المكان. في المناطق السهلية يمكن قياس شدة وكمية الريح دون اي صعوبة بعكس المناطق التضاريسية ذات الهضاب والجبال اذ يتطلب اجراء قياسات خاصة. ان اضطرابات الرياح لها تأثيرات كبيرة على عمر وسلوك المنشأة الهوائية. هذه الاضطرابات لابد من معرفتها ودراستها اثناء التخطيط للتأكد من صلاحية المكان.

ان مبدأ قياس كمية وسرعة الريح لمكان ما يتم غالبا بواسطة محطة ارصاد جوية ولفترة زمنية طويلة وتقارن بعد ذلك القيم المقاسة حسب مساحة المنشأة المراد بناؤها مع الاخذ بعين الاعتبار طبيعة التضاريس. مدة القياس تطول حتى 12 شهرا للتمكن من معرفة تقلبات واضطرابات الريح على مدار السنة. (عادة ما تقارن نتائج القياس لفترة زمنية معينة مع قياسات محطة هوائية موجودة منذ فترة زمنية طويلة وتصحح النتائج في ضوء ذلك(3). هذه الطريقة تدعى (Measure, Correlate, Predict) ان القياسات التي تجرى لتحديد سرعة واتجاه الريح للمكان المراد بناء المحطة عليه تتم على ارتفاعين مختلفين على الا يقل الارتفاع عن عشرة امتار عن سطح الارض ويفضل على ارتفاع محور Micro Sitting ان نتائج القياس يجب ان تكون دقيقة جدا لان اي خطأ في القياس قد يؤدي الى خسائر مادية عالية. من اهم الاسباب التي تؤدي الى اخطاء في نتائج يمكن ارجاعها الى طريقةاختيار وتركيب وحساسية وتعيير اجهزة القياس هنا لابد من الاستعانة بلوائح IER - Wind Speed Measurement and use of cup anemometry. بشكل عام تعتبر اجهزة القياس الحالية دقيقة وذات اخطاء تقع تحت النسب المسموح بها. يجب الا ننسى اخيرا بان درجة حرارة الجو تؤثر في حركة الريح العمودية (الطبقات) وتؤثر في دقة القياس.

الوصل مع الشبكة الكهربائية

هنا يجب التمييز بين ما اذا كانت المحطة او المنشأة مصممة منذ البداية للعمل مع الشبكة الكهربائية العامة والمساهمة في التغذية الكهربائية او انها فقط معدة لتعمل بصورة خاصة. حسب خصائص التيار المنتج من المولدة يمكن التأكد من معرفة امكانية الوصل ام لا. فالربط بين المحطة والشبكة يجب ان يكون دوما عن طريق قاطع الاستطاعة، (شكل 4). ان المسافة ما بين المنشأة والشبكة العامة يمكن ان تكون في امتار او كذلك كيلومترات، (شكل 3). هذه المسافات اضافة الى البعد بين المولدات داخل المحطة نفسها تسبب تغيرات في جودة الجهد. كما ان المنشآت التي تحتوي على عدة مولدات كهربائية (المولدات المتواقتة لاستطاعات كبيرة بينما المولدات غير المتواقتة لاستطاعات حتى 500 كيلوواط) يمكن ان تسبب ارتفاعا غير مسموح بالجهود الكهربائية للشبكة. وتحدد نسبة تغيرات الجهد المسموح بها بنسبة اثنين في المائة فقط من القيمة الاسمية حسب لوائح المهندسين الالمان كما ان استخدام مبدل التردد يؤثر في جودة الجهد ويسبب انتاج مدروجات عالية(3).

نظام الحماية

عند اختيار نظم الحماية لمولدات المحطات الهوائية يجب مراعاة خصوصيات الانتاج الكهربائي ونوع وصل النقطة النجمية للشبكة. كذلك لابد من التنسيق مع نظام حماية الشبكة الكهربائية لضمان افضل انتقائية. حسب لوائح المهندسين الالمان ينصح بنظم الحماية التالية(5):

ـ الحماية من الحمولة الزائدة وتيارات القصر بواسطة نواقل مؤازرة للتيار الزائد.

ـ حماية المحطة من الترددات العالية والمنخفضة. والقيم المسموح بها يجب ان تؤخذ من منتجي المحطة الهوائية.

ـ تجهيزات الحماية الضرورية لفصل المحطة عن الشبكة بصورة الية عند الاضطرابات او التغيرات في الاستطاعة المنتجة والحمولات واعمال صيانة وغير ذلك .. الخ.

انطلاقات من الشروط الفنية والاقتصادية لوصل المحطات الكهربائية الريحية بالشبكة العامة او بشبكة لا مركزية تقوم عدة معاهد بالبحث والتجربة لعمليات الوصل بهدف رفع درجة الاستفادة من طاقة الريح. هنا يتم التركيز بمساهمة المحطات الهوائية بمشاركتها في تغطية حمولات الذروة حتى عند سرعة ريح بطيئة كما ان الدراسات والتخصصات تهتم بتخزين الطاقة المنتجة (بطاريات) خارج اوقات الذروة ووصلها بالشبكة عند الحاجة بأقصر وقت ممكن (اقل من عشر ثوان).

التمركز الجغرافي

بعد تحديد الاتجاه الرئيسي للريح تبدأ الخطوة التالية برسم وتخطيط التشكيلة الهندسية للمنشأة كعدد المحطات وشكل تموضعها. وتحدد المسافة بشكل عام بين محطة واخرى في الاتجاه الرئيسي للريح بما لا يقل عن 8 مرات من قطر الدوار (المروحة) وفي الاتجاه العمودي عليه بحوالي 4 مرات من قطر المروحة(2). ولا ينصح باتخاذ مسافات اقل من ذلك انما يمكن الاخذ بها بعد دراسة سلوك الريح بدقة كافية. ان اهمية هذا البعد بين المحطات تكمن ليس في مشكلة الظل المتبادل بين المحطات فقط انما ايضا بسبب اضطرابات الريح وتأثير ذلك في اعمال الصيانة لكل محطة داخل المنشأة. وهناك عوامل اضافة اخرى تؤثر في اختيار المكان والتي يجب ان تؤخذ بعين الاعتبار اثناء التخطيط مثل المنظر الجميل والمناسب للطبيعة قدر الامكان.

عوامل البيئة

تختلف هذه العوامل من مكان الى اخر، لكن قبل التنفيذ يجب تحديدها. من اهم هذه العوامل الضجة والظل ومنظر الطبيعة العام. حتى الان لا توجد لوائح تنظيمية او تعليمات للتقيد بها بهدف المحافظة على الشكل الافضل والمناسب لمنظر الطبيعة (في المانيا ينصح بعدم المس او الضرر بها كما ان كل محطة او منشأة تحتاج الى موافقة من السلطات قبل البدء بأعمال التنفيذ). اما الضجيج والظل فيمكن دراستهما بدقة وتحديدهما بحيث تبقى القيم ضمن الشروط المسموح بها وذلك لكون المحطات الهوائية عمليا مصدرا للضجة نتيجة للحركة الميكانيكية الدورانية. من منتجي المحطات يمكن الحصول على قيم الضجة الناتجة عن المحطة بعد ذلك يمكن مقارنتها مع القيم المسموح بها حسب لوائح اتحاد المهندسين الالمان (VDI-2714) أو (DIN- ISO 9613 - 2: 1996) للمناطق غير المسكونة. ومن الشروط الواجب توافرها للحصول على موافقة التنفيذ ان تكون دراسة الضجيج صحيحة وضمن الشروط المطلوبة أيضا. ان الظل الناتج عن المحطة وقبل كل شيء عن دوار الاجنحة وتأثيره على الابنية اصبح في المانيا وبلدان اخرى مشكلة يجب اخذها بالحسبان، لكن باعتبار ان معظم المحطات بعيدة عن المناطق السكنية نسبيا او ضمن تشغيل خاص، اصبحت هذه الحالة غير مهمة.

شروط اضافية

ان الاختيار الناجح للمحطة الهوائية لانتاج الطاقة الكهربائية يتم حسب الخيارات الاقتصادية (التكاليف المترتبة) والدراسات الفنية. لكن هناك عوامل اخرى لابد من الاحاطة بها مثل النوع والجودة التي تقدمها الشركة المنتجة، الشروط الطبيعية للمكان، المعلومات الفنية للمحطة، خصائص الطاقة المنتجة، مدة الضمانة الفنية لعمل المحطة .. وغير ذلك أيضا هناك دراسات روتينية مثل اتساع المكان واستيعابه لاعمال التركيب والحفر والصيانة وكذلك للاليات الضرورية من رافعات وغيرها وليس اخرا شبكة الطرق والاتصالات اضافة الى دفاتر عمليات الصيانة ومواعيدها، التأكد من التزويد بقطع التبديل في المستقبل وسرعة الحصول عليها والمعرفة باقتصادية المحطة وغير ذلك من معلومات لابد من جمعها.

التقييم التقني للمحطات الهوائية الحالية الموثوقية الكهربائية وجودة التغذية

كما ذكر اعلاه فان كمية الطاقة المنتجة من المحطات الهوائية تتعلق دوما بكمية وسرعة الريح المتوفرة، وهي عشوائية طبيعية ـ غير منتظمة ولا يمكن التحكم بها. لهذا السبب تعتبر هذه المحطات قليلة الموثوقية وغير مناسبة لتغذية الحمولات الاساسية ولذلك لا يمكن الاستغناء عن المحطات التقليدية حتى ولو كان معروض الانتاج الكهربائي من طاقة الريح كافيا لتغطية الحمولات الكهربائية المطلوبة نظريا. اضافة الى ذلك فان نوعية وجودة هذه الطاقة (تغيرات الجهد والتردد وتقلبات في الاستطاعة المنتجة) تجعل تصنيفها وجودتها من الدرجة الثانية. وللتغلب على هذه الصعوبات والاستفادة من الفائض في حال وجوده ينصح بان تكون المحطة مستقلة، وان تتزود بامكانات الاتصال الاحتياطي مع الشبكة العامة.

الصيانة

صحيح ان كثيرا من الشركات المنتجة لهذه المحطات تقدر عمر المحطة ما بين 15 و20 سنة، لكن ونتيجة لغياب الخبرة العملية ـ كما ذكر اعلاه ـ فان الاهتزازات على اجنحة المروحة والناتجة عن اضرابات الريح تؤثر بشكل كبير في هذا العمر. ان عمليات الصيانة تجرى عادة وكما هو معروف لفحص القيم الحالية واعادة تغييرها عند الضرورة بالقيم الاسمية للمنشأة بغية المحافظة على وظيفة المنشأة مع تبديل الاجزاء البالية. وتقدر تكاليف اعمال الصيانة مع قطع التبديل لمحطة هوائية ذات استطاعة 600 كيلوواط ولمدة 15 سنة بنسبة ثلاثة بالمائة من قيمة تكاليف المحطة الاجمالية ذاتها. ان اهم الاجزاء الحساسة والتي يجب تبديلها حسب الخبرات المتوفرة حتى الان هي(6):

ـ اجنحة المراوح: اذ تتعرض للتآكل بمرور الزمن اضافة الى حدوث تصدعات.

وينصح الخبراء باستبدال الاجنحة بعد فترة عمل تتراوح ما بين ثمان و12 سنة وصيانة دورية كل ثلاث سنوات.

ـ علب نقل الحركة والتعشيقات: ظهور اهتراء وتآكل في معظم الأجزاء المتحركة نتيجة سخونة مواد التشحيم والزيوت.

ـ المولد الكهربائي: اهتراء وتآكل في معظم الاجزاء المتحركة وتقادم بالعازلية اضافة الى اعمال الصيانة الدورية يجب فحص العازلية والتأكد من القيم الاسمية للمولد.

البيئة

لقد اصطدم مشروع بناء المحطات الهوائية بمشكلة تشويه منظر الطبيعة العام واصبح السؤال الذي يجب الاجابة عنه: هل يمكن للطبيعة ان تتحمل التلوث الناتج عن المحطات التقليدية وهل يمكن للبشرية أن تعيش في ظل اخطار الاشعاع النووي؟ ام ان ضرر المساحات اللازمة لبناء (زراعة) المحطات الهوائية وما يرافق ذلك من تشوه لمناطق الراحة والاصطياف ومن اخلال بالمنظر العام لهذه الطبيعة اكبر؟!

في المانيا بلغ عدد المحطات الهوائية حتى نهاية عام 1998 نحو 6205 محطات باستطاعة اجمالية قدرها 2875 ميغاواط. وكان قد دشن في عام 1998 وحده 693 محطة. اما في النمسا فقد اخذ الاستخدام بالتزايد وكان عدد المحطات حتى نهاية عام 1998 يقدر بـ67 وحدة باستطاعة اجمالية 2،30 ميغاواط. كما ان هناك عددا كبيرا من المحطات الاحادية او المنشآت قيد الدراسة او في مرحلة التنفيذ باستطاعات عدة ميغاواط. وفي سويسرا بلغت مساهمة المحطات الهوائية 4،3 في المائة من مجمل استهلاك الطاقة(2)(7)(Cool. في عام 1999 كان عدد المحطات الهوائية في بولندا 11 محطة باستطاعة تراوح بين 95 و600 كيلوواط اما في التشيك فيوجد ثلاث محطات صغيرة باستطاعة اجمالية سبعة الاف كيلوواط وهناك بعض المحطات قيد الدراسة والتخطيط.

حتى الان وفي بلدان الطاقة الهوائية (المانيا، الدانمرك، اسبانيا والولايات المتحدة الاميركية) مازال استخدام المحطات الهوائية ضمن تشجيعات وتعليمات الدولة وبالتالي مازالت قدرتها التنافسية قليلة مقابل الانتاج التقليدي للطاقة (سعر الكيلوواط/ ساعة للمحطات الهوائية يبلغ حاليا 14 سنتا اميركيا مقابل 5،3 سنتات للكيلوواط/ ساعة للطاقة التقليدية) لذلك لابد من ايجاد الوسائل للتقليل من التكاليف والاسعار باستمرار حتى تصبح مقبولة ومنافسة. وحسب دراسة قدمتها شركة BTM الدانمركية الاستشارية فان تكاليف وسعر الكيلوواط/ ساعة للمحطات الهوائية سيكون مساويا لسعر الكيلوواط/ ساعة للانتاج التقليدي الحالي ضمن مدة من عشر حتى خمس عشرة سنة اذا بقي التطور والطلب كما هو عليه الان. هذه المدة الزمنية يمكن ان تقل اذا وجدت خطة عالمية لتشجيع وتسويق هذه المحطات. فانصار البيئة يدعون من اليوم بأن هذه الطاقة قادرة على المنافسة لو اخذ بعين الاعتبار تكاليف تحمل البيئة لمنتوجات التلوث من المحطات التقليدية في حسابات الاسعار.

الجدير بالذكر بان تكاليف وتشغيل وتسويق هذه المحطات يختلف من دولة الى اخرى او بكلمة اخرى الدول الصناعية المنتجة لها حيث العرض للطاقة الكهربائية المنتجة من منابعها التقليدية (فحم، بترول، غاز أو نووي) اكبر من الطلب وتلك الدول التي مازالت تعاني نقصا في الانتاج وعجزا في تغطية الاستهلاك. اضافة الى ذلك فهذه الدول تعاني من بنى تحتية غير كاملة وغياب او نقص في الكفاءات لتشغيل وصيانة مثل هذه المحطات وتكاليف عالية وغير معروفة بدقة اضافة الى خطورة عدم استقرار شبكتها من خلال تقلبات استطاعة هذه المحطات وغير ذلك. <

المـــراجــــع:

1. H. Kriebel: Windkraftwerk lohnen sich doch; ELO - REPORT H.9/86

2. P. Koenig: Anforderungen an eine Windparkplanung; Erneuerbare Energie H. 9/99

3. A. Albers & H. Klug: Windmesung ist nicht gleich Windmessung; Erneuerbare Energie H. 7/99

4. G. Brauner: Netzanbindung von Windkraftanlagen; E&ampJ H. 7/8 (99)

5. W. Doemeland: Windenergieanlagen aus der Sicht der VUN; Elekropraktiker H. 1/99

6. Krueger & P. Bollmann: Komponententausch an Windenergieanlagen; Erneuerbare Energie H.10/99

7. H. Dobesch: Das Windenergiepotential in Oesterreich; E&ampJH. 7/8 (99)

8. P. Spengler: Windkraft-und anlagen in Schweiz; Elektrotechnik H. 1/99

9. Quitmann & Krueger: Sone und Wind konkret genutzk, Electro- Verlag GmbH Aachen 1994
الرجوع الى أعلى الصفحة اذهب الى الأسفل
معاينة صفحة البيانات الشخصي للعضو
 
طاقة الريح
استعرض الموضوع السابق استعرض الموضوع التالي الرجوع الى أعلى الصفحة 
صفحة 1 من اصل 1

صلاحيات هذا المنتدى:لاتستطيع الرد على المواضيع في هذا المنتدى
التكنولوجيا والحياة :: المنتدى العام-
انتقل الى: