أثر توربين مقياس الطراز المعلق على توليد الطاقة القدرات

A = × (d/2)2]

لأن المنطقة تعتمد على مربع قطرها، وتضاعف قطرها الرباعي القاطع، وتضاعف مساحة الريح، وهذا يضاعف الطاقة المتاحة للدوار مباشرة، ويزيد من تقدير المولدات الكهربائية في الواقع ليطابق الدوار الأكبر، ولكن المقياس الأساسي لا يزال: فالألواح الأطول تعني المزيد من الطاقة.

كما تؤكد العلاقة الشراعية مع سرعة الرياح أهمية مقياس الطوابق في مواقع الرياح المنخفضة، فسرعة الرياح المزدوجة تزيد الطاقة ثمانية أضعاف، ولكن يمكن للدوار الأكبر أن يعوض جزئيا عن انخفاض متوسط سرعة الرياح باعتراض المزيد من الطاقة الحركية المتاحة، ولهذا السبب فإن التوربينات الحديثة المنتشرة في المناطق ذات الوجوه المنخفضة كثيرا ما تكون لها رقابات كبيرة جدا مقارنة بتصميمها الخاص بالقدرات على المولدات الكهربائية المعروفة بنسب الطاقة المنخفضة أو عالية.

والمكاسب الحقيقية مثيرة للإعجاب، إذ أن من المعتاد أن تربين ميغاواط يبلغ قطره ٨٠ متراً من مقياس الطوابق )مساحة صغيرة تبلغ ٠,٢٧ متراً( قد ينتج حوالي ٠٠٠ ٥ ميغاواط سنوياً في موقع مائي متوسط، وبزيادة قطر الدوار إلى ١٠٠ متر )مبلغ متوسط العمر ٨٥ ٧ متراً مربعاً( مع إبقاء نفس المولد، فإن إنتاج الطاقة السنوي يمكن أن يرتفع بنسبة تتراوح بين ٤٠ و٥٠ في المائة.

الاتجاهات التاريخية والمحديثة في مقياس روتور

وقد أدى تطور المحركات الدوارة للرياح إلى ظهور قصة تقدم تكنولوجي سريع، وفي الثمانينات، أدت هذه التربينات النموذجية إلى دوارات تتراوح بين 15 و20 متراً، ونتجت 50 إلى 100 كيلوواط، وفي أوائل العقد، أصبحت 1.5 ميغاواط من طراز MW مع 70 متراً من الدوارات معياراً للرياح الساحلية، واليوم، تجاوزت التربينات الساحلية 6 أمتار و170 متراً.

وتظهر بيانات الصناعة من مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) أن متوسط قطرات الدوارات في المناطق المجهزة حديثاً في الولايات المتحدة قد ارتفع من 82 متراً في عام 2010 إلى أكثر من 130 متراً في عام 2023، وبالمثل، انتقلت الأربينات البحرية من 100 متر في العقد إلى زيادة روتينية في الوقت الراهن.

(أ) الوكالة الدولية للطاقة المتجددة () IRENA) تفيد بأن متوسط قطر الطاقة المرجأة على الصعيد العالمي قد زاد من 76 متراً في عام 2010 إلى 127 متراً في عام 2020، ومن المتوقع أن يصل إلى 150 إلى 160 متراً بحلول عام 2030، وهذا النمو يعكس انخفاض تكلفة الطاقة الريحية: انخفاض تكلفة الكهرباء عن الشاطىء

التصميم والهندسة

وفي حين أن المروج الأكبر حجماً يلتقط طاقة أكبر، فإنه يطرح أيضاً تحديات هندسية خطيرة، فالأحمال الهيكلية تزيد بشكل غير متناسب مع اللحظات التي تطول الستار في الجذر الصاروخي مع مكعب الأشعة، مما يتطلب نصلات أقوى وأثقل، كما يجب تفتت الأبراج لمعالجة الدفع الدوار الأكبر، وزيادة التكاليف المادية، مما يؤدي إلى زيادة المصممين في المبادلات التقليدية: زيادة تكاليف النقل المركب للطاقة.

المواد وصنعها

وقد تحولت شركات صناعة اللوم إلى مركب متقدم - ألياف الكربون المعززة إلى جانب الألياف المحتوية على الألياف - الليفية - لتحقيق النسب اللازمة من حيث القوة إلى الوزن - ألياف الكربون هي أكثر حساسية وأخف من الألياف المحتوية على الألياف المحتوية على الألياف - مركبات الكربون، وهي تستلزم وجود ألياف كربونية أكثر تكلفة بكثير وتتطلب مراقبة دقيقة للجودة لتجنب العيوب.

التحديات اللوجستية والثابتة

إن النقل وتركيب الشفرات العملاقة هو عقبة لوجستية كبرى، ففي حالة التربينات على الشاطئ، لا يمكن شحن اللافتات أكثر من حوالي 70 مترا على الطرق الرئيسية الموحدة؛ ويجب أن تتفاوض المقطورات على منحنى ضيقة وتجاوزات، مما أدى إلى تطوير أجهزة مقطعة (مجهزة بالموقع) وطرق نقل مبتكرة، مثل مقطورات قابلة للتداول أو شبكات رفع الصاروخ.

وهناك مقايضة أخرى تشمل المولدات الكهربائية، إذ يمكن للدوار الأكبر أن يلتقط طاقة أكبر، ولكنه يحتاج أيضا إلى مولد كهربائي وقرص قادر على معالجة كميات أكبر من الطاقة وإنتاج الطاقة، ويجب أن يضاهي المصممون معدل المولدات الكهربائية إلى قدرة الدوارة المحتملة إذا كان المولد صغيرا جدا، فإن التربين سيستخدم " بشكل دقيق " )الطاقة المتسربة أحيانا( أثناء الريح العالية؛ وإذا كانت نسبة الدوارة لا يمكن أن تعمل على نحو الذروين

Site-Specific Optimization

ويتوقف مقياس الطوابق المثالي على الموارد الريحية في موقع المشروع، وفي المناطق المنخفضة السرعة (متوسط سرعة الرياح الذي يقل عن 7 م/م في المرتفع الرئيسي) وفي الأربينات التي توجد فيها محركات كبيرة ومولدات صغيرة نسبياً (دون طاقة محددة) يمكن أن تكون أكبر من عامل القدرة وحصيلة الطاقة.

ويستخدم مطورو المشاريع تقييما مفصلا لموارد الرياح ونماذج غلة الطاقة لاختيار الشكل الأمثل للاضطرابات، ولا ينظرون فقط في متوسط سرعة الرياح، بل أيضا في الاضطرابات، وفتحات الرياح، والثعلاقات القصوى، ويزيد عدد أكبر من الحساسية التي يكتنفها الاضطراب لأن سرعة النصب تصبح أعلى من سرعة الرياح، مما يؤدي إلى تحميل البدين، أو إلى الحد من حجم الدوار المعقد أو قرب الغابات.

وقد ارتفعت نسبة الناتج الفعلي إلى الحد الأقصى النظري باطراد مع تزايد عدد الرواد في الولايات المتحدة، وارتفع متوسط عامل القدرة على التوربينات الجديدة للرياح على الشاطئ من نحو 35 في المائة في عام 2010 إلى أكثر من 42 في المائة في عام 2023، حيث حقق العديد من المشاريع المنخفضة الوجوه عوامل قدرة تتجاوز 40 في المائة، وتتجاوز المشاريع الجارية في بحر الشمال بشكل روتيني 50 في المائة من عوامل القدرة، ويترجم هذا التحسن مباشرة إلى انخفاض التكاليف وزيادة العائد في المشاريع المرنة.

الاعتبارات البيئية والتنظيمية

كما أن المصاريف الأكبر حجماً تثير قضايا البيئة وتسمح بذلك، إذ أن طول الارتفاعات في المحور وطول الشفرات يمكن أن يزيدا من المخاطر التي تتعرض لها الطيور والضربات إذا لم يتم تحديد موقعها بعناية، فدراسات وفيات الطيور وتدابير التخفيف (مثلاً، التقليص أثناء فترات الهجرة) كثيراً ما تكون مطلوبة للمشاريع التي تستخدم التربينات الكبيرة، كما أن الضجيجات الحديثة تؤدي إلى زيادة الضجيج، لا سيما من التلقيم الاصطي.

كما أن تصنيع اللوم والتخلص منه له آثار بيئية، إذ يصعب إعادة تدوير المركب المستخدم في الشفرة الكبيرة، مما يؤدي إلى النفايات في نهاية الحياة، وتعمل الصناعة بنشاط على تطوير تكنولوجيات نصلية قابلة لإعادة التدوير، مثل الراتنجات الحرارية وقطع الشفرة المزروعة، وقد دعت رابطة الاتحاد الأوروبي للريح إلى إعادة تدوير كاملة للوقود المكشوف بحلول عام 2030.

وتتطور الأطر التنظيمية لاستيعاب التوربينات الكبيرة، وفي الولايات المتحدة، تتطلب إدارة الطيران الاتحادية إضاءة ووسم لمراكز توربينية تتجاوز مستويات معينة (تبلغ 200 قدم، و61 مترا)، وتختلف الكثير من التوربات الجديدة التي لها ركاب كبيرة وأبراج طويلة، وتتجاوز هذه العتبة، وتزيد من خطط الإضاءة التي تقلل من الأثر البصري، مع ضمان سلامة الطيران.

الاتجاهات المستقبلية

ولا تظهر دفعة الموصلات الكبيرة للطيوران أي علامات على التباطؤ، فقد أعلن عدد من صناعات التربين الجيل القادم من التربينات البحرية التي تبلغ مسابط رواسب تتراوح بين 250 و300 متر، وهي تتطلب نصلات تصل إلى 150 متراً قابلة للمقارنة إلى جناحي الطائرة A380، ومن المرجح أن تستخدم هذه اللوحات مواد متقدمة مثل الوزن الثنائي للكربون أو السائل المختلط.

وثمة مفهوم جديد آخر هو رواق " المُخدَّر " أو " المتواز " ، الذي يمكن أن يتيح للمسمّين الأكبر حجماً من خلال الحد من قضايا إزالة البرج وتمكين النسيج الأكثر مرونة، كما أن التربينات المتدنية تتيح للدوار أن يبتعد عن الرياح العالية بشكل طبيعي، وأن يخفض الأحمال القصوى، كما أن فرق البحث في مختبرات جامعة فرجينيا وسانديا تستكشف هذه التصا في تطبيقات ذات الحجم الرقمي المتعددة، بالإضافة إلى ذلك.

وأخيراً، فإن اقتصاد توسيع نطاق المحركات سيستمر في التحسن مع نضج عمليات التصنيع، حيث أن إنتاج الشفرة الآلية، والتصنيع المضاف )الطباعة المائلة( )٣D( والتصويب في الموقع يمكن أن يقلل من التكاليف والوقت الذي يستغرقه، والهدف هو تحقيق دوار كبير بما يكفي لاستخلاص موارد منخفضة السرعة، مما يتيح المجال أمام مناطق جديدة واسعة النطاق لتنمية الرياح، وخاصة في مناطق مثل جنوب شرق الولايات المتحدة.

خاتمة

إن قطر الدوار من توربينات الرياح هو مقاس حاسم يحكم مباشرة قدرتها على توليد الطاقة، إذ بزيادة المساحة المزروعة، يلتقط الدوارون الأكبر طاقة الرياح، مما يؤدي إلى ارتفاع إنتاج الطاقة السنوي وانخفاض تكلفة الكهرباء، ويفهم الفيزياء فهما جيدا، وتؤكّد الاتجاهات التاريخية وجود دافع ثابت نحو أكبر عبر الأسواق الساحلية والخارجية على السواء، غير أن هذا النمو يجلب تحديات هندسية وسوقية وذكية وتنظيمية.

وسيظل مستقبل الطاقة الريحية مهيأاً بمقياس الطوابق، فمع البحث الجاري في المواد الخفيفة، والشفرة المجزأة، والهيكلات الجديدة للتربين، فإن الإمكانية المتاحة حتى للمروجين الأكبر حجماً كبيرة، وبما أن الصناعة تدفع نحو الدايمترات الدوارة التي تتجاوز 250 متراً، فإن المكاسب في معامل القدرة وفوائد الطاقة ستزيد من تعزيز الطاقة الريحية كحجر في القرارات العالمية المتعلقة باستدامة الطاقة النظيفة.