Table of Contents
The Impact of Turbine Spacing on Wind Farm Performance
ومن بين العوامل العديدة التي يجب أن يتوازنها المهندسون، فإن المسافة بين المشاريع المنتشرة في المزرعة، التي تفصل بين المسافات التي ترتفع فيها سرعة التدفق، هي أكثر من اللازم، حيث تؤدي إلى زيادة سرعة التدفق الكهربائي، حيث تؤدي هذه المئات من المحركات إلى زيادة في سرعة التدفق، إلى جانب زيادة سرعة الارتفاع في حجم الطاقة، إلى حد كبير في القدرة على توليد الطاقة، ويكمن التحدي الأساسي في إدارة الاضطرابات الناجمة عن كل اضطرابات الريحية.
المزرعة الريحية الحديثة، خاصة المنشآت البحرية الكبيرة، يمكن أن تشمل عشرات أو حتى مئات التوربينات الأثر التراكمي للصحوة يعني أن حتى التغيرات الصغيرة في المباعدة بين المسافات يمكن أن تترجم إلى ملايين الدولارات في خسارة أو كسب إيرادات على مدى عمر المشروع، وهذه المادة توفر نظرة متعمقة عن كيفية تأثير المباعدة بين التربين على ديناميات الايقاظ، وعن كيفية تحديد المهندسين للمخططات المثلى، وعن الاستراتيجيات المستخدمة للموازنة بين إنتاج الطاقة وبين الاقتصاد.
فهم الفيزياء في مزارع الشتاء
ما هو واق توربين؟
وعندما تصطدم الرياح باضطرابات الرياح، يستخرج جزء من طاقته الحركية من الدوار ويتحول إلى طاقة ميكانيكية ثم طاقة كهربائية، ويتسبب هذا الإخراج في تباطؤ الرياح مباشرة خلف الدوار، وتُعرف منطقة التدفق المتسارع بالنهار، وتتميز بعجز واضح في السرعة وبكثافة عالية في الاضطرابات، حيث يتسارع هذا التباطؤ في سرعة الانتعاش.
ويتوقف الشكل والقوة الدقيقين للصحوة على عوامل متعددة، بما في ذلك قطر التربينات، وارتفاع المحور، ومعامل الدافع، والظروف الجوية المحيطة بالميناء مثل كثافة الاضطرابات وغطاء الرياح، ففي ظروف شديدة الاضطراب في الغلاف الجوي، تتسارع سرعة حدوث الاضطرابات بسبب تباطؤ الاضطرابات في الهواء مع سرعة سرعة التقلبات في بيئة التقلبات.
آليات التعافي من حالات المرض
ويقود الانتعاش الآخذ في التعافي من آثاره آليتان أوليتان: الخلط الاضطراباتي والتدريب، ويحدث الخلط بين طبقة القار والبطء والتدفق الحر السريع، ويولد أيضاً حريات تنقل الزخم إلى الوراء، ويزيد من اضطراب المسافات، ويزيد من سرعة حدوث الانهيار، ويتصل التدريب إلى إدخال مسار الهواء الحر في أعقابه، مما يؤدي أيضاً إلى زيادة الزخم في سرعة الرياح.
ومن المهم ملاحظة أن الانتعاش ليس عملية خطية، إذ أن العجز في السرعة يتدهور تقريباً كما هو الحال بالنسبة للمسافة في أسفل النهر، مما يعني أن أسرع عملية للتعافي تحدث في أول عدد قليل من الدوارات خلف التربين، فبعد ما يتراوح بين ٥ و ٧ سمات، يتسارع معدل الانتعاش، ويزداد انتشاراً، ويؤثر هذا السلوك تأثيراً كبيراً على سرعة الارتداد في القرارات:
أثر سباق تربين في ويك ديناميك
أسفل النهر (الاستعباد)
أما المسافة بين التوربينات على طول اتجاه الرياح السائد - التي تسمى في كثير من الأحيان " تيار العجلات " أو المباعدة في المجرى - فهي أهم البارامترات لإدارة الايقاظ، وفي المزارع الكبيرة النموذجية، تتراوح هذه المسافات بين ٥ و ١٢ سما مترا، وعندما تكون المطاط مقسمة الى ٥ دال، فإن متوسط المسافات في المجرى قد يتناقص بنسبة تتراوح بين ٣٠ و ٤٠ في المائة، مقارنة بمتوسط الازدرن الهامشي.
أما المزارع الريحية البحرية، التي لا تكون فيها تكلفة الأراضي مقيدة، ولكن تكاليف التموين والمؤسسة مرتفعة، وكثيرا ما تستخدم المباعدة بين المسافات بين الأبعد (مثلا، 8-12 دال) لزيادة كمية الطاقة التي تلتقطها كل توربين، وعلى الشاطئ، حيث تكون الأراضي شحيحة ومكلفة، يجوز للمطورين أن يقبلوا بفترات أطول من المباعدة (6-8 دال) لزيادة عدد التوربينات لكل منطقة من مناطق الوحدة، وقبولات أعلى في شكل من حيث الحجم.
المباعدة بين الأزواج (الصفراء)
كما أن المباعدة بين المسافات والمسافات بين اتجاه الرياح، أو المباعدة بين الفينة، هي أمور أخرى، ولكن بدرجة أقل، بالنسبة للانتعاش في اتجاه الرياح السائد، وعندما يتم ترتيب التوربينات في الصفوف المنتشرة من الريح، فإن الآثار المترتبة على الترسبات الجانبية المتقطعة على الشبكة هي أدنى درجة إذا ما انتشر المباعدة بين 3 و5 في المائة على الأقل، ولكن إذا كان الاتجاه الريحي يتباين بدرجة كبيرة، أو إذا كان يستخدم المزرعة
وقد أظهرت البحوث التي أجريت من مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) و] جامعة الدانمرك التقنية أن سرعة التباعد بين الشبكة الواحدة يمكن أن تؤدي إلى زيادة عبء الاضطرابات وانخفاض الأداء، ولا سيما في الاتجاهات الزراعية الريحية التي لا تتواءم تماما مع أفضل الوسائل المتاحة.
أثر المباعدة بين الولادات على مستوى المزارع
إن الأثر التراكمي للمباعدة بين التربينات على إجمالي إنتاج الطاقة الزراعية كبير، ففي منطقة معينة من الأراضي، هناك مقايضة بين عدد التوربينات التي تم تركيبها ومتوسط القدرة لكل توربين، إضافة المزيد من التوربينات (المباعدة بين المسافات) يزيد من القدرة على التعبئة، بل ويقلل من الناتج المحيطي بسبب فقدان الريح.
وقد حددت هذه العلاقة كمياً، فعلى سبيل المثال، يمكن لمزرعة رياحية نموذجية على الشاطئ مع المباعدة بين 7D و5 درجات في المجرى المائي أن تحقق كفاءة زراعية (الطاقة الفعلية المقسومة حسب مجموع الطاقات التربوية الحرة) تبلغ نحو 85-90 في المائة، ويمكن أن يقل معدل المباعدة بين الـ 5 دال إلى 70-75 في المائة، بينما يمكن أن يؤدي ارتفاع سرعة الانتقال إلى 10D إلى زيادة الكفاءة إلى ما يزيد على 95 في المائة، ولكن بتكلفة أمثلة
الاستراتيجيات والنهج النموذجية للمباعدة بين الجنسين
المبادئ التوجيهية المرجعية للصناعة
وقد أوصت المبادئ التوجيهية التقليدية لتصميم المزارع الريحية منذ وقت طويل بالفترة الزمنية المحددة ب ٧-١٠ من مواليد الدوارات في الاتجاه الريحي السائد و ٣-٥ من طراز ديمائي، وتستند هذه القواعد إلى ملاحظات تجريبية ونماذج إيقاظ بسيطة وضعت في الثمانينات والتسعينات، ومع أنها لا تزال مفيدة في التصميم الأولي، فإن المشاريع الحديثة تعتمد بصورة متزايدة على الديناميات المصورة المفصلة للمواقع الريحية أو نماذج الايقاظ الهندسي.
فعلى سبيل المثال، يستخدم نموذج Parker wake model] وJensen wake model]] على نطاق واسع لتقدير حالات العجز في السرعة والتوصية بتعديلات في المباعدة بين الزمن، بل تستخدم في البحث نماذج زراعية معقدة ولكن مبسطة.
التقنيات المتاحة لك على الوجه الأمثل
فبدلا من استخدام شبكة موحدة، يستخدم العديد من مزارع الرياح الحديثة مخططات غير نظامية أو متداخلة تقلل من الأثر التراكمي للوقوف، ومن المرجح أن تكون التوربينات أقل مباشرة في أعقاب وحدات متعددة من أعلى المجرى، كما أن الخوارزميات المثلى، مثل الخرطوم الوراثية أو أساليب التدرج، يمكن أن تتفاوت تلقائيا مواقع الإنتاج التراكمي من حيث القيمة الكلية (مثلا للحد الأقصى من صافي المسافات).
ومن بين الاستراتيجيات الرئيسية لتحقيق الترميز في الاتجاهات ذات الكثافة العالية للطاقة الريحية، وبالنسبة للمواقع ذات الرياح الموجهة بقوة (مثلاً، الويلات السائدة)، يمكن أن تُوضع الأربينات في مكان أقرب إلى بعضها البعض، وأن تُعمَّد بعيداً عن بعضها البعض، أما بالنسبة للمواقع ذات الرياح المتغيرة، فقد يلزم تحقيق مكاسب أكثر تعقيداً في مجال الطاقة.
التوجيه والتحكم
A emerging complement to fixed spacing optimization is active wake control, often called waketeering. In this approach, turbines are yawed slightly away from the wind so that their wakes are deflected sideways, away from downstream turbines. This can effectively reduce wake losses without changing3% physical layout.
غير أن التوجيه الإيقاظي يفرض أعباء إضافية على مكونات التربين وقد يتطلب نظما أكثر تطورا للمراقبة، ويجب تقييم المفاضلة بين كسب الطاقة والزمن الإضافي لكل موقع، وبالتالي فإن قرارات المباعدة بين الجنسين واستراتيجيات المراقبة مترابطة بشكل صارم: فالمزارع التي تتباعد فيها فترات زمنية أقرب تستفيد أكثر من توجيه الإيقاظ لأن الانقضاضات أقوى وأكثر قابلية للانفجار، بينما قد لا تشهد المزارع ذات المباعدة الواسعة تحسنا يذكر.
الموازنة بين التكلفة والكفاءة والاستدامة
المبادلات الاقتصادية في المباعدة بين المباعدة بين الدورات
ويشتمل القرار المالي بشأن المباعدة بين التربين على آثار أكثر من مجرد آثار إيقاظ، إذ إن تكاليف استئجار الأراضي، والهندسة الأساسية، والهياكل الأساسية الكهربائية، وإمكانية الوصول إلى الصيانة تختلف جميعها مع فترات المباعدة، وفي المشاريع الخارجية، يمكن أن تكون تكلفة الكابلات المشتركة بين السفن وتركيبها من أكبر التربات التي تسببها عوامل أخرى تزيد من طول الكابلات وفترات التركيب، مما يؤدي إلى زيادة نفقات رأس المال.
ويستخدم مطورو مزارع الرياح الحديثة نماذج اقتصادية متكاملة تُحسب التكلفة المرتدة للطاقة كوظيفة من وظائف المباعدة بين فترات المباعدة بين الزمن، وتشمل هذه النماذج خسائر في الايقاظ عن طريق نماذج الانهيار الهندسي، وتكاليف التشييد عن طريق عمليات التصفية المفصلة، والتكاليف التشغيلية عن طريق تقديرات الموثوقية، أما المباعدة بين فترات الانتقال إلى أدنى حد، فهي لا تُفضّل بالضرورة حدوث زيادة في تكاليف الأراضي والهياكل الأساسية.
الاعتبارات البيئية والمتعلقة باستخدام الأراضي
(ب) آثار بيئية أيضاً، ويمكن أن تؤدي البصمات الأعظم إلى تفتيت الموائل، وأن تؤثر على ممرات الحياة البرية، وأن تزيد الأثر البصري، وفي بعض المناطق، تكون الحدود التنظيمية على الكثافة التربوية أو مجموع مطوري قوة المشاريع لاستخدام مباعدة أضيق مما قد تُستخدم في غير ذلك، ويتزايد أهمية تحقيق التوازن بين إنتاج الطاقة والقبول الإيكولوجي والاجتماعي.
ومن الناحية الإيجابية، يمكن أن يقلل التباعد الأمثل من عدد التوربينات اللازمة لتحقيق هدف معين للطاقة، مما يقلل من الأثر البيئي الإجمالي، وهذا حجة أساسية لزيادة تطوير النماذج والتصميم: فالتجهيزات الأفضل تعني تربينات أقل وأقل اضطرابا في الأراضي بالنسبة لنفس ناتج الطاقة النظيفة.
الاتجاهات المستقبلية في بحوث المباعدة بين المباعدة بين الجنسين
ومع تزايد تربينات الرياح (التي تتجاوز الآن 15 ميغاواط في الخارج مع 250 متراً من الدوار)، فإن أفضل مقياس للمباعدة بين الزمن، ولكن فيزياء التعافي من الوفاق تتغير أيضاً مع حجم توربيني لأن أكبر من الدوارين يتفاعلون مع ارتفاعات أعلى حيث تختلف مسافات الرياح والاستقرار، كما أن البحوث الجارية باستخدام السائل الليدر والحواسيب الخارقة تُصِحُ فهمنا لكيفية إيقاظ المزروعة في الغلاف الجوي().
وعلاوة على ذلك، فإن إدماج مزارع الريح في الشبكة الكهربائية الأوسع هو الذي يدفع الاهتمام بمزارع " التخرج " التي تعمل فيها أقل من القدرة القصوى على الحد من الخسائر في اليقظة وتوفير خدمات الاستقرار في الشبكات، وتؤثر قرارات التباعد في المدى البعيد على مدى الحاجة إلى التحلل وإلى سرعة استجابة المزارع لإرسال إشارات، وهذا الجمع بين تصميم مزرعة الرياح وتشغيل نظام الطاقة هو مجال واعد للابتكار في المستقبل.
خاتمة
إن سرعة التربين هي أكثر بكثير من مجرد البارامترات الأرضية - وهي أداة أساسية تشكل الأداء والاقتصاد والأثر البيئي لمزرعة الرياح - إذ يتطلب تحليل الاتجاهات السائدة في مواقع التقلبات المتطورة، وكم من الطاقة التي يمكن أن تلتقطها في المجرى المائي، ويؤثر المباعد بشكل مباشر على إنتاج الطاقة على مستوى المزارع وعلى تكلفة الكهرباء، ويخلق التفاعل بين مسافات التدفأ والمسافات الزمنية المتطورة،
وفي حين أن القواعد التاريخية للإطار المرجعي توفر نقطة انطلاق، فإن تصميم المزرعة الحديثة يتطلب محاكاة صارمة وتحقيق أفضل توازن بين غلة الطاقة والاستثمار، ومن المرجح أن يظل المطورون الذين يستثمرون في نماذج إيقاظ دقيقة وينظرون في وضع التصميمات السلبية والضوابط الفعالة للوقوف على الوفاق، من المرجح أن يشهدوا تحسينات ذات مغزى في تحقيق الربح والاستدامة، حيث تتطور تكنولوجيا التربين والضغط على الطاقة المتجددة المكثف، مما يؤدي إلى التأثير على الانتعاش الزراعي.