تصميم توربينات الرياح مع تحسين مقاومة الجليد في المناطق القطبية والمناطق الباردة

وتشمل العوامل التي تؤثر على تسارع الجليد درجة الحرارة المحيطة )تراوح بين - ٠١ درجة مئوية و٠oس بالنسبة لتشكيل قطرات مغلفة بالوزن(، ومحتوى الماء السائل في الهواء، وسرعة الرياح، ومدة أحداث التكسير، ويمكن أن تعمل نصلات توربين نفسها كجامعات للجليد: فسرعتها التناوبية تزيد سرعة الهواء النسبية، ويمكن أن تؤثر قوى الفلفل المتجمدة على تأثير السكات وعلى الجليدية.

النتائج المتعلقة بالأداء والسلامة والاقتصاد

ويؤدي تراكم الجليد على نصلات توربين الرياح إلى سلسلة من الآثار الضارة:

• Aerodynamic degradation:] The rough ice layer increases drag and reduces lift, causing significant power losses. Field studies have reported output reductions of 20% to 50% during icing events, with some cases requiring complete turbine shutdown.
• Structural fatigue and imbalance:] Asymmetric ice buildup creates mass imbalances, inducing vibrations that stress the drivetrain, gearbox, and tower.
• Ice throw hazards:] Large pieces of ice can detach from rotating blades and be flung hundreds of meters, posing safety risks to personnel, infrastructure, and wildlife. This is a major concern for wind farms located near settlements or transport routes.
• Operational downtime:] Turbines often must be idled or shut down during severe icing events to prevent damage, reducing annual energy production (AEP) and increasing the levelized cost of energy (LCOE).

هذه التحديات موثقة جيداً من قبل منظمات مثل برنامج تعاون تكنولوجيا الرياح التابع للوكالة الدولية للطاقة والذي لديه فرق عمل مكرسة (مثلاً، مهمة آي إي إيه ويند 19) لدراسة الطاقة الريحية في المناخات الباردة، وتؤكد تقاريرهم أن التصميمات الفعالة مقاومة الجليد يمكن أن تفتح موارد هائلة من مصادر الطاقة المتجددة التي لا تزال غير مستغلة على نحو كاف.

نُهج التصميم الرئيسية للتوربينات المقاوم للثلج

وقد وضع المهندسون والباحثون مجموعة متنوعة من الأدوات لمكافحة تراكم الجليد، ويمكن تصنيف هذه الاستراتيجيات على نطاق واسع في مجال مكافحة التكديس السلبي (منع تكوين الجليد أو صعوده) وقطع السمعة (تجديد الجليد بعد استماراته) ويجمع العديد من التربينات الحديثة الباردة بين نهج متعددة لتحقيق الأداء الأمثل.

الاستراتيجيات السلبية لمكافحة التكتل: التكليف والتعديلات السطحية

وتهدف الأساليب السلبية إلى منع الجليد من الصمود إلى القذف بالسطح أو إلى التقليل إلى أدنى حد من وقت الإقامة في قذف قطرات المياه، وتشمل أهم الحلول ما يلي:

• ويمكن أن تحقق هذه المعاطف من ارتفاع 150 درجة، مما يقلل بدرجة كبيرة من التحات الجليدية، ولكن يمكن أن يظل التحلل هو شاغل يتمثل في:
• Ice-phobic coatings:] A newer class of materials designed specifically to weaken ice adhesion. instead of trying to prevent ice entirely, these coatings make it easier for ice to shed naturally via centrifugal forces or wind. Low surface energy polymers, such as silicone-based elastomers, have shown in laboratory.
• Slippery liquid-infused surfaces (SLIPS):] Inspired by the broer plant, these surfaces lock a lubricating liquid (e.g., silicone oil) into a porous substrate, creating a smooth, low-friction interface that prevents ice from bonding strongly.

وفي حين أن المعاطف السلبية جذابة لاستهلاكها من الطاقة المنخفضة وسرعة استخدامها، فإن فعاليتها تعتمد اعتمادا كبيرا على الظروف البيئية، وفي أحداث التكسير الثقيلة أو المطولة، قد تكون المعاطف وحدها غير كافية، مما يجعل النظم النشطة ضرورية.

نظم التخلص التدريجي: التدفئة، والطرق الميكانيكية

وتطبق النظم النشطة الطاقة مباشرة لإزالة الجليد أو منع تراكمه، وهي عادة ما تدمج في تصميم التربين أثناء التصنيع، حيث يمكن أن تكون إعادة التدوير باهظة التكلفة.

التدفئة الحرارية الكهربائية

ويستخدم النظام النشط الأكثر تسويقا عناصر التدفئة المثبتة في السطح المبلد أو المطبق عليه، كما أن حرارة المقاومة الداخلية التي غالبا ما تكون من ألياف الكربون أو منافذ الجنين المعدنية التي يتحكم فيها النظام الكهربائي للتربين، وعندما يتم اكتشاف الجليد أو التنبؤ به، فإن الحرارة تزيد عن درجة الحرارة اللامعة، أو تذوب الجليد أو تمنع تكوينه.

Pneumatic and Inflatable De-Icing

وتُستخدم الأحذية المطاطية المستخرجة من أجنحة الطائرات، وهي مطاطية مشتعلة ملحقة بالجرف الرئيسي، وعندما يتم تفعيلها، فإنها تتوسع بسرعة وتكسر وترميم الجليد المتراكم، وهذه الطريقة هي كفاءة الطاقة (لا التدفئة المستمرة) ولكنها تضيف الوزن والعقوبات الهوائية عندما لا يتم تفعيلها، والنظم البيومية أقل شيوعاً في الأربينات الكبيرة الحديثة.

الأساليب الميكانيكية والتقليدية

وتشمل نُهج التكتم النفاثة الاستبدادية التي تستخدم مترجمين فوق الصوت مثبتين على الجلد المثان، وتعطل الاهتزازات العالية الترددات الجليدية ويمكن أن تسبب ثلجاً للفصل دون حرارة، وهذه التكنولوجيا لا تزال في مرحلة البحث والنموذج الأولي ولكنها توفر إمكانية لاستهلاك الطاقة المنخفض والحد الأدنى من التأثير الهوائي.

منظومات الإيرودينامية والتصميم

ويمكن أن يؤدي التصميم الهوائي السلبي أيضاً إلى الحد من تراكم الجليد، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي التصفيات مع جهاز لاسلكية للخلف ] أو زيادة سمكه قرب الطرف الرئيسي إلى إبطاء التحلل، وقد يؤدي بعض الصانعين إلى تعظيم الشكل المحدد للمناخ البارد، مما يؤدي إلى تغيير المولدات بين ارتفاع مستوى الكفاءة والارتداد.

نظم كشف ومراقبة الجليد

لا توجد استراتيجية لكشف النسيج فعالة بدون كشف موثوق به وتحكم ذكى، التوربينات الحديثة الباردة مجهزة بأجهزة الاستشعار الاكتشافية للصوت التي تُحد من التسلسل الصارخ للتكتل أو الأنماط الرئوية أو الظروف السطحية (مثلاً، التأقلم الصارخية، أو التحوّل الاصطناعي، أو الحساسية الخفية الوبائية).

الابتكارات والمدة

إن التربينات التي تُعرض البيئة القطبية التي تتطلبها بشدة، والإشعاع فوق البنفسج، والرذاذ الملحي، والجسيمات الجليدية التي تحركها الرياح، تستلزم مواد يمكن أن تتحلى بالتحدي السمي والتدهور الطويل الأجل، والبحوث في مواد الشفرة الجديدة والمعاطف أمر حاسم لتحسين مقاومة الجليد وتوسيع نطاق الحياة في الأربين.

مواد اللوم المركبة

أما بالنسبة للمناخ الباردة، فإن النسيج المتطور للرياح يُصنع أساساً من البيرفلوريكلاس أو البوليسترات المسببة للاضطرابات، أما بالنسبة للمناخ الباردة، فإن المصنعين يستكشفون ألياف الكربون أو المركبات الحرارية التي تتيح مقاومة أفضل للأثر وتدني التوسع الحراري، كما أن اختيار الراتين يؤثر على السلوكيات الحرارية، التي تؤثر على مدى كفاءة النظم التي تنقل من الديوكسين إلى الدي.

التدوين المتقدم: من المختبر إلى الميدان

ظواهر أشعة فوق سطحية، مع واعدة، قد كافحت مع إمكانية التحمل في ظروف العالم الحقيقي، وتآكل الرمال والغبار، وتواتر دورات الحرارة يمكن أن يجرد طبقة الهيدروفوبيك في غضون أشهر، ويركز الباحثون الآن على معطفات التسخين الذاتي يمكن أن تصلب ببطء مسارات مصغرة، أو [FT]

وقد قدمت التجارب الميدانية في مواقع مثل مزرعة ويند الشمالية في النرويج أو مزارع ريح سانت لورانس في كندا تعليقات قيمة، فعلى سبيل المثال، خلصت دراسة أجراها مجلس البحوث الوطني في كندا إلى أنه في حين أن بعض المعاطف التجارية قللت من تسارع الجليد بنسبة تصل إلى 60 في المائة خلال الاختبارات الأولية، فقد تدهور الأداء بدرجة كبيرة بعد موسم الشتاء، وتؤكد هذه النتائج على الحاجة إلى المعاطف التي تجمع بين الفوسبة الجليدية والقوة الميكانيكية.

مواد التسخين والتكامل

وتحتاج النظم الحرارية الإلكترونية إلى مواد مرنة ودائمة وفعالة، وتُعتبر عناصر التدفئة من ألياف الكربون شائعة بسبب ارتفاع نسبة القوة إلى الوزن، ولكنها يمكن أن تكون رشوة، وتستعمل النُهج الجديدة المسخّنة القائمة على الرسوم البيانية أو أجهزة البوليمر المحتوية التي يمكن أن تكون مصمّدة.

دراسات الحالة والتطبيقات العالمية الحقيقية

وقد نجحت عدة مزارع رياحية في ظل المناخ البارد في نشر توربينات مقاومة للجليد، مما أتاح دروساً ومعايير للصناعة.

مزرعة سمولا ويند، النرويج

وتشغل مزرعة الريح في سمولا، التي تقع على الساحل النرويجي فوق دائرة القطب الشمالي، 68 توربيناً بمعدل 2.3 ميغاواط لكل منهما، وتواجه الموقع تواتراً في القذف من الضباب البحري والجمود المتجمد، وتجهز توربينات بنظم لتدفئة السائل الكهربائي وكشف الجليد، وتظهر البيانات التشغيلية أن نظام التدفئة يستعيد أكثر من 90 في المائة من الطاقة التي فقدت خلال أحداث كهربية المعتادة، وأن معامل الطاقة الكهربائية يحافظ على مزرعة.

Case Study: Siemens Gamesa Cold Climate Package

سيمنس ألعابا، وهو مصنع كبير للتربين، يقدم مجموعة من الطوابق الباردة تشمل المعاطف الهيدروفوبية، وأجهزة الدفع المسخّرة، ونظام متطور لكشف الجليد، كما أن التوربينات التي تم تركيبها في Bears's Cove Wind Farm في نيوفوندلاند، كندا، قد أظهرت انخفاض في الظروف السائدة في المنطقة دون الإقليمية وتحسّنها.

Other manufacturers like Vestas and Nordex]] have similar offerings, often tailored to specific site conditions. The ]IEA Wind Task 19) provides a comprehensive database of cold climate experience, including performanceb selection practices for

مشاريع البحوث ومرافق الاختبار

وتؤدي المؤسسات الأكاديمية والبحثية دوراً رئيسياً في النهوض بالتصميم المقاوم للجليد، فعلى سبيل المثال، فإن جامعة ألبرتا تعمل على تشغيل نفق ريح متخصص لاختبار الأجزاء المصفوفة والملابس. Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems (IWES) [Fimto models:3]