Table of Contents
The Current State of Wind Power and the Need for AI
وقد أثبتت الطاقة المتجددة أنها حجر الزاوية في التحول العالمي إلى الطاقة المتجددة، ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة، فقد ازداد توليد الطاقة الريحية باطراد، حيث بلغت القدرة على تركيبها أكثر من 900 غيلدر عالمي بحلول نهاية عام 2023، ومع أن التكنولوجيا الاضطراباتية ستتميز بالتطور، فإن المشغلين سيواجهون تحديات مستمرة: التفاوت في سرعة الرياح، والارتداء الميكانيكي من الظروف المضطربة، والحاجة إلى دمج الطاقة المتقلبة في متوسط الموثوقية الكهربائية الثابتة.
فالخوارزميات المثلى التي تحركها منظمة العفو الدولية ليست مستقبلا نظريا؛ فهي تُنشر اليوم في مزارع رياحية رائدة لتحسين إنتاج الطاقة السنوية بنسبة تتراوح بين ٥ و ١٥ في المائة، وتخفيض تكاليف الصيانة بنسبة ٢٠ في المائة، وتمديد فترة الحياة التربوية، وتستكشف هذه المادة كيف تعمل هذه الخوارزميات، والفوائد الملموسة التي تقدمها، والتقنيات المتقدمة الناشئة في الميدان، والحواجز التي يجب التغلب عليها لفتح الطاقة الكامنة في المستقبل.
دور الاستخبارات الفنية في ولاية ويند
فالاستخبارات الفلكية تتيح التربينات والمزارع للرياح التكيف في الوقت الحقيقي مع الظروف المناخية المتغيرة، ونماذج التعلم في مجال الآلات، ولا سيما الشبكات العصبية العميقة ووكلاء التعاضد، وتحليل مسارات واسعة من البيانات المستمدة من أجهزة الاستشعار، والرقابة الاشرافية، واقتناء البيانات، وأجهزة التحكم في الاضواء، والتنبؤات الجوية الرقمية.
نمذجة البيانات والمنع
ومن التطبيقات الأساسية للمبادرة في الطاقة الريحية إيجاد نماذج تنبؤية دقيقة، مثلاً، يمكن لشبكة الريح الطويلة الأجل للذاكرة القصيرة الأجل أن تتوقّع سرعة الرياح وتتجه إلى ما يصل إلى 48 ساعة قبل وقوعها بخطأ أقل بكثير من نماذج الطقس الفيزيائي وحدها، وتغذي هذه التنبؤات مباشرة في نظم التحكم في الاضطرابات، مما يتيح لها تعديل الرافعة القاطعة وزواياً لاستخلاص أكثر من إنتاج الكواكب.
وبالإضافة إلى التنبؤ القصير الأجل، تستخدم نماذج الأنشطة المنفذة تنفيذاً مشتركاً لتحفيز أداء التوربينات في إطار مئات الآلاف من السيناريوهات الافتراضية، وهذا التحليل " ما - إن " ، الذي يُستخدم باستخدام الحاسب السحابي وتسريع استخدامه، يمكِّن المهندسين من تحقيق التربين الأمثل، والتصميم الزراعي، بل وحتى تصميم الجيل القادم من الستار دون بناء نماذج بدنية باهظة.
مراقبة التأريخ الحقيقي وتحقيق الاستخدام الأمثل
ويعمل المتحكمون التقليديون على حلقات ثابتة من PID (مشتقات متكاملة ومستحضرات بحث بسيطة) وعلى النقيض من ذلك، يستخدمون سياسات تعزيزية للتكيف المستمر لسلوكهم، ويعامل عامل من طراز RL كل توربين كبيئة: ويتخذ إجراءات (مثل تعديل الرافعة أو تغيير زاوية اليوت) ويحصلون على جائزة (الاكتشافات السريعة الأجل).
وعلى نطاق مزرعة الرياح، ينسق التعلم المتعدد العناصر للتعزيزات عشرات أو مئات التوربينات في آن واحد، وكل عامل من عوامل توربين لا يتعلم من مستشعراته فحسب، بل أيضا من الحالة الكلية لجيرانه، وهذا أمر حاسم لإدارة آثار الأيقاظ - حيث يؤدي الاضطراب المتصاعد إلى إنشاء منطقة مضطربة منخفضة السرعة تقلل من إنتاج الأرنب المثلى " .
الصيانة الافتراضية والصحة الهيكلية
ومن أكثر الاستخدامات تأثيراً في مجال مكافحة المخدرات الصيانة المتوقعة، إذ أن أجهزة الاستشعار عن بعد، ورصد الحطام النفطي، ومجسات الانبعاثات الصوتية تنتج بيانات عالية التردد لا يمكن للمحللين البشر أن يجهزوا يدوياً، ويمكن للشبكات العصبية التي يتم تدريبها على بيانات الفشل التاريخي أن تكشف عن التوقيعات الضئيلة لتدهور المفاعلات أو لشق الأسنان أو لتصليحات المولدات.
وفي مزارع الرياح البحرية، حيث يحد من إمكانية الوصول إلى المياه بسبب توافر الطقس والزوارق، فإن مؤشر الإنجاز المتوقع أكثر قيمة، إذ يبلغ عدد من المشغلين الآن عن انخفاض بنسبة 50 في المائة في تكاليف الصيانة غير المخطط لها وزيادة توافر التربين بنسبة 10 إلى 15 في المائة بعد نشر نظم رصد الحالة القائمة على أساس حركة تحرير الكونغو، مما يؤدي إلى تحسين التكلفة المستقرة للطاقة ويجعل الرياح البحرية أكثر قدرة على المنافسة مع الوقود الأحفوري.
الفوائد الرئيسية لتحقيق الاستخدام الأمثل
تعزيز قدرات الطاقة وكفاءتها
(أ) أن يُعدّل خوارزميات الهواء باستمرار الزوايا الشفرية، والسرعة الدافئة، والتوجه نحو التقاط الطاقة على الوجه الأمثل في كل سرعة رياحية، خلافاً لأجهزة التحكم التقليدية التي تتبع منحنى ثابت للطاقة، فإن أجهزة التحكم التي تحركها الوكالة الدولية للطاقة تتكيف مع الميكلوفات المحلية، مثلاً في مزرعة رياحية بالقرب من مرتفع جبلي تتحول فيه الرياح في أحيان كثيرة نحو 40 درجة، يمكن لنظام " AI " أن يتوقّد "
وقد أظهرت الدراسات الميدانية في مزارع الريح في سكاندينافيا والبلاين الكبرى في الولايات المتحدة مكاسب في محطة الطاقة الذرية تبلغ ٥-١٠ في المائة من خلال استخدام شبكة AI yaw على الوجه الأمثل وحده، وعندما تقترن سياسات التوجيه والتحكم في المواقع، يمكن أن تتجاوز المكاسب الإجمالية ١٥ في المائة، ولا تتطلب هذه التحسينات تربينات جديدة أو أبراجا أو وصلات شبكية - معلومات عن البرمجيات.
خفض تكاليف الصيانة الافتراضية والوقت غير المتفرغ
فالأثر المالي لفشل التربين غير المخطط له شديد، إذ يمكن لاستبدال مجموعة معدات واحدة أن يكلف 000 250 يورو - 000 500 يورو، كما أن الدخل الضائع خلال أسبوعين من وقت النزول يمكن أن يتجاوز ذلك بسهولة، ويلغي رصد حالة الطوارئ أساساً قرارات " الفشل " ، ويحدّد علامات الإنذار المبكر - اتجاه درجة الحرارة 2 درجة مئوية فوق الحالة العادية، وهو اتجاه متناسق في خطط اليقظة تحول إلى 0.1 هرتز.
وتمتد الفوائد إلى ما يتجاوز الأموال الموفرة: فالتصليحات الطارئة أقل تعني تعبئة الرافعات، وانخفاض انبعاثات الكربون من سفن الخدمات، وانخفاض المخاطرة التي يتعرض لها موظفو الخدمات، وبالإضافة إلى ذلك، تساعد البيانات التي جمعتها منظمة رصد التنفيذ الآسيوي المصنعين على تحسين تصميمات توربينية في المستقبل، مما يخلق دورة مؤثرة من الموثوقية.
تحسين تكامل وقابلية المظالم
ويعيق تفاوت الطاقة الكهربائية وجود حاجز كبير أمام مستويات التغلغل العالية على الشبكات الكهربائية، ويساعد المعهد على معالجة ذلك بتقديم توقعات دقيقة جداً لتوليد الطاقة تتيح لمشغلي الشبكات تحديد مواعيد احتياطيات التموين، وتدوير الشحن، وإرسال التخزين على نحو أكثر كفاءة، ويمكن لبعض نظم المعلومات الإدارية أن تتنبأ بالمخرجات الإجمالية لأسطول رياحي كامل قبل 72 ساعة بأقل من 3 في المائة من الأخطاء الجذرية في مجال الطاقة الكهربائية.
وعلاوة على ذلك، يمكن أن توفر المراقبة القائمة على أساس مبادرة " آي " خدمات إضافية مثل الاستجابة للترددات ودعم الفولط، ويمكن أن تطوّر الرياح المجهزة بمراقبي شركة AI أن يكيف إنتاج الطاقة بصورة دينامية بحيث يخفض حجم الوصلات إلى أدنى حد ممكن الاستجابة غير المباشرة لمولد تزامني تقليدي، وبما أن الجيل الأكثر تزامناً من المتقاعدين، فإن هذه القدرات ستكون أساسية للحفاظ على موثوقية.
Reduced Environmental and Land —Use Impact
وتشغل مزارع الرياح المثلى أقل مساحة لكل ساعة من ساعات العمل بسبب وضع التوربينات وتشغيلها بكفاءة أكبر، كما أن هناك دراسة مصغرة تستخدم الخوارزميات في التحلل وتدفق الرياح وأنماط هجرة الطيور في مواقع تعظيم الاستيلاء على الطاقة مع التقليل إلى أدنى حد من التعطل البيئي، فقد أظهرت دراسة عن الإنتاج الزراعي البالغ 3022 في المائة أن المصانع التي تتجنب المصانع الزراعية المرتفعة.
وعلاوة على ذلك، فإن منظمة العفو الدولية، من خلال تمديد عمر التربين وتقليل الحاجة إلى قطع الغيار، تخفض الاستهلاك المجسد للكربون والمواد من الطاقة الريحية خلال دورة حياتها، وهذا يتوافق مع الهدف الأوسع المتمثل في إقامة نظام للطاقة المستدامة حقا.
التقنيات المتقدمة لزراعة ويند
وإلى جانب الأساليب التأسيسية المذكورة أعلاه، فإن تقنيات خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات تزيد من زيادة استخدام الطاقة الريحية إلى أقصى حد.
تعزيز التعلم من أجل إكتس
ويأتي التوجيه في حالة سوء النية في تربينات متصاعدة من أجل تطهير أوعية هذه التربينات من الأربينات المتدنية، ويتوقف متوسط اليوت في كل توربين على سرعة الرياح، والاتجاه، والاستقرار في الغلاف الجوي، والتفاعلات بين جميع الأجهزة القريبة، ويتناسب التعلُّم في مجال الإنفاذ بشكل فريد مع حل مشكلة التحول الفموي المرتفعة، ونموية(23).
التوائم الرقمية والشبكات العصبية المزودة بالمعلومات
وإحدى التوأم الرقمي هي نسخة افتراضية من توربينات الرياح أو مزرعة تعكس سلوكها في الوقت الحقيقي، وتقوم منظمة العفو الدولية ببناء وتحديث هذه التوأم باستخدام بيانات الاستشعار والفيزياء والشبكات العصبية المزودة بالمعلومات، حيث تم تدريبها على تلبية البيانات المقيسة ومعادلة الهندسة المعروفة (مثلاً، فإن قوانين الديناميكية الهوائية، والعلامات الميكانيكية ذات الأرقام القياسية، تُحد من التوائم الرقمية).
كما أن التوأم الرقمي يتيح أيضا تحليل " ما إذا كان " للأحداث المتطرفة، فعلى سبيل المثال، إذا كان الإعصار متوقعا، يمكن للتوائم أن يحفز استراتيجيات القذف الصارخ الممكنة للتقليل إلى أدنى حد من لحظات إقراض البرج، ويمكن لمراقب شؤون الإعلام أن ينفذ الخيار الأكثر أمانا، مما يوسع من احتمالات البقاء في المناطق المعرضة للعواصف بشكل متزايد.
التعليم الموحد والخصوصية - الحفاظ على المعلومات
وكثيرا ما يتردد مشغلو المزارع الفائزون في تبادل بيانات الأداء العقاري، وتباطؤ التعلم الجماعي في جميع أنحاء الصناعة، ويوفر التعليم الموحد حلا: يجري تدريب نماذج الزراعة على الصعيد المحلي في كل مزرعة رياحية (ببياناتها الخاصة)، ولا تجمع سوى تحديثات نموذجية مغفلة في حاسوب مركزي، مما يسمح للنموذج العالمي بالاستفادة من مختلف ظروف التشغيل دون الكشف عن بيانات حساسة.
التطورات والتحديات المستقبلية
وفي المستقبل، سيزداد تطور التعظيم الذي يحركه المعهد مع التقدم المحرز في التعلم الآلاتي، والحساب الحسّي، وتكنولوجيا الاستشعار، غير أنه لا تزال هناك تحديات كبيرة.
نوعية البيانات وتوحيدها
ولا تُعد نماذج الأنشطة المنفذة تنفيذاً مشتركاً سوى جيدة مثل البيانات التي تُدرَّب عليها، إذ تُولِّد المزارع الفائزة تُولِّد بيانات مُعدَّدة، ولكنها غالباً ما تكون مُنَوَّلة أو مُسمَّاة بشكل غير متسق، وتوحيد صيغ البيانات عبر صناعات التربة والأبراج، وسنين من العمليات، أمر أساسي لبناء نماذج قوية وعامة، كما أنَّ منظمات مثل اللجنة الدولية للكهرباء المُ التكنولوجيا، وبطء في مجال التبنِّيْ (ال).
القدرة على التفسير والثقة
ويحتاج مشغلو المزارع الريح ومنظمو الشبكات إلى فهم سبب اتخاذ منظمة العفو الدولية قراراً خاصاً، مثلاً، لماذا أوصت بتخفيض ناتج الطاقة الاستربينية بنسبة 10 في المائة عند الساعة 14:32، وكثيراً ما تكون الشبكات العصبية العميقة صناديق سوداء، مما يجعل من الصعب الثقة بنواتجها في التطبيقات الحيوية الآمنة، ويضع المجال الناشئ من المعايير المحاسبية الدولية للقطاع العام (XAI) أساليب تسلط الضوء على سمات المدخلات التي أدت إلى اتخاذ قرار ما، ولكن هذه الأدوات روتين.
مخاطر الأمن السيبرى
ومع زيادة ارتباط مزارع الريح واعتمادها على الطاقة، فإنها تصبح أيضا أكثر عرضة للهجمات الإلكترونية، وقد يكون من المحتمل أن يقوم فاعل مخادع بمسح بيانات الاستشعار، أو نماذج المكافحة الفاسدة، أو يعطل جهاز الرصد البصري التابع للمنظمة، مما يتسبب في اضطرابات للعمل في دول خطرة، وفي عام 2021، أبلغ عن هجوم كبير على الفدية أوروبية أدى إلى إزالة نظام SCADA من خط الاكتشاف لمدة ثلاثة أيام().
أجهزة الاستطلاع والكهرباء
إن نشر خوارزميات آي في أجهزة الحواف )مثلا في إطار التربين الناتيلي( يتطلب معدات يمكن أن تؤدي استخداما معقدا للشبكة العصبية في ظل ظروف بيئية قاسية - حرارة، ورشا بالملح، وهزائيا، ومعظم أجهزة الوصل الحراري المصممة للاستخدامات الآلية أو الصناعية، ولكن استهلاك الطاقة هو مصدر قلق: قد يؤدي جهاز التحكم في الطاقة الكهربائية إلى استهلاك ٥٠-١٠٠ ناتج قريب.
الحواجز التنظيمية والأسواق
ولم تصمم أسواق الطاقة ومدونات الشبكة للمولدات الكهربائية التي تسيطر عليها الوكالة، وفي العديد من الولايات القضائية، يجب على متعهدي المزارع الريحية أن يقدموا جداول زمنية ثابتة للطاقة قبل ذلك؛ وأي انحراف يحمل عقوبات؛ وتتصور منظمة العفو الدولية أن التكيف الدينامي للناتج من أجل تحقيق أقصى قدر من الربح أو دعم الشبكة قد يتعارض مع هذه القواعد الصارمة؛ وقد يتعارض التطور التنظيمي - مثل إدخال منتجات " مرنة " - وهو أمر مطلوب لاستخلاص قيمة الريحة بالكامل.
خاتمة
ومستقبل الطاقة الريحية متداخل بشكل عميق مع الذكاء الاصطناعي، إذ إن التمكين من التحكم الأذكى والتكيفي والتنبؤ بالشبكة، والتكامل اللامع، يعد الخوارزميات ذات التوجه العالي بأن تجعل الطاقة الريحية أكثر كفاءة وموثوقية وفعالية من حيث التكلفة مما كان عليه الحال في أي وقت مضى، والمكاسب ليست مضاربة: فالتبنيين المبكرين يرون بالفعل تحسينات مضاعفة في غلة الطاقة وتخفيضات كبيرة في تكاليف الصيانة.
ومع ذلك، فإن تحقيق الإمكانات الكاملة يتطلب بذل جهود متضافرة للتغلب على التحديات في نوعية البيانات، والشفافية النموذجية، وأمن الفضاء الإلكتروني، والتنظيم، وبما أن هذه العقبات تعالج، فإن منظمة العفو الدولية لن تعمل ببساطة على تحسين مزارع الرياح القائمة - بل ستمكن من تصميمات جديدة تماما، مثل التوربينات البحرية العائمة التي تُعاد تمركزها بصورة مستقلة لمتابعة الرياح، أو نظم تخزين الرياح المتواجدة في أماكن متعددة، التي يُعهد بها وكيل تعلم تعزيز واحد.
وقد قطعت صناعة الطاقة الريحية شوطا طويلا من أول 50 جهازا من أجهزة الترددات المتوسطة في الثمانينات، وسيحدد العقد القادم ليس بحجم الشفرات أو ارتفاع الأبراج وحدها، بل بواسطة الاستخبارات التي تجسدت في البرامجيات التي تديرها، والاستخبارات الفنية ليست تكنولوجيا تكميلية للطاقة الريحية، وقد يصبح دماغها، وهذا الدماغ الذي يتعلم باستمرار ويحقق أقصى قدر من التقدم، سيزيد من سرعة انتقال الطاقة المتجددة.