مقدمة لمراقبة سرعة الرياح لتوربينات الرياح

هذه المقالة هي الأولى ضمن سلسلة المقالات التي أتمنى أن يتم نشرها في الأشهر القليلة القادمة لأي شخص يحاول أن يجد بعض المعلومات المفيدة عن توربينات الرياح وعن العوامل التي تجعلها تبدأ في العمل. سوف أبدأ بتوربينات الرياح الصغيرة وببعض النقاط الرئيسية ومن ثم سنبدأ في زيادة الحديث عن الأمور التقنية والأكثر تعقيداً بخصوص تقييم مواقع الرياح والتي تعد بمثابة الخبز والزبد للقائمين على تحليل طاقة الرياح.

نحاول من خلال هذه المقالات تلخيص الأسئلة النمطية التي نحصل عليها من خلال عملائنا الذي يتواصلون معنا، غير أن ذلك لا يعني بأي حال بأننا لا يجب أن نستعين بمحللين متخصصين.

إذا كنت تفكر في تركيب توربين رياح صغير في منزلك أو في مزرعتك، فهناك بعض الأشياء القليلة التي يجب أن تأخذها في اعتبارك، ويمكننا تلخيص أكثر هذه الأشياء أهمية في ثلاث نقاط محورية:

• الارتفاع
• الموقع
• حجم توربين الرياح

الارتفاع

ببساطة، كلما كان طول برج التوربين أطول كلما كان ذلك أفضل، فالمعوقات ستكون أقل والتقلبات ستكون أقل حدة وهو ما يعني بشكل عام سرعات أعلى للرياح.

(البيانات الحقيقية تم الحصول عليها من قبلLogic Energy Ltd)

الرسم التوضيحي السابق يعرض مقارنة بين وحدتين للاستشعار على نفس الصاري، أحدهما على ارتفاع 40 متراً والآخر على ارتفاع 30 متراً. وحدة الاستشعار التي على ارتفاع 40 متراً تعرض متوسط سرعة الرياح بقيمة أعلى من الوحدة المثبتة على ارتفاع 30 متراً بمقدار 1م/ث.

الموقع

الموقع، الموقع، الموقع، كما في سوق العقارات تعد هذه النقطة أحد أهم العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار إذا كنا بصدد التفكير في تثبيت توربين الرياح. قد نكون في منطقة مليئة بالرياح ولكن المنطقة المحددة التي نتواجد فيها قد تكون محاطة بالعوائق مثل الأشجار، المنازل أو حتى المدن التي على بعد أميال قليلة. هذه العوامل قد تسبب في تأثيرات غير مرغوب فيها فهي لن تؤثر على تقلبات الرياح فحسب ولكنها أيضاً قد تؤثر على سرعة الرياح نفسها والتي يمكن أن تنخفض بشكل كبير.

كما ترى بالأعلى، كلما كان تعليق التوربين في مكان مرتفع وكلما كان موقع التوربين جيداً كلما قلت تقلبات الرياح وزادت تدفقات الرياح بشكل انسيابي.

حجم توربين الرياح

الفكرة قريبة جداً من أشرعة السفن، كلما كانت الأشرعة أكبر كلما كانت أكثر قدرة على التقاط الرياح، وبالتالي تزيد قدرتها على توليد الطاقة. توربينات الرياح لا تختلف كثيراً عن ذلك، فكلما كانت الدوارات أكبر حجماً كلما كانت كمية الرياح التي تقوم بالتقاطها أكبر.

بالطبع هناك العديد من التقنيات التي من شأنها تطوير وتنمية فعالية مخرجات الرياح ومع كل هذه التحديثات فإن هذه الفكرة يجب أخذها في الاعتبار.

نقطة أخيرة ذات علاقة بالموقع، هناك مناطق معينة تكون الرياح فيها شديدة الاضطراب أو التخلخل، أو قد تكون سرعة الرياح كبيرة جداً، وفي هذه المناطق بعينها لا يفضل تركيب دوارات ذات أحجام كبيرة ويفضل حينئذ استعمال الدوارات الصغيرة والتي ستكون الأفضل من حيث الاستفادة من سرعات الرياح المتقلبة والشديدة بشكل أكبر.

محلل الرياح الخاص بك سيكون على استعداد لتقديم المشورة في هذا الشأن بعد أن تقدم له البيانات الكافية بشأن قياسات الرياح.

التخطيط لمشروع مراقبة سرعة الرياح الخاص بك

بأخذ هذه القواعد الثلاثة في الاعتبار، يمكننا البحث عن الموقع "الأمثل" لتثبيت توربينات الرياح ولكن قبل ذلك، سوف يتوجب عليك مراقبة سرعة الرياح في الموقع الخاص بك لفترة من الزمن، والتي كلما زادت كان ذلك أفضل. يمكن إجراء ذلك بالعديد من الطرق ولكن بشكل عام من الأفضل أن تستخدم جهاز لتسجيل بيانات الرياح من النوع الاحترافي والذي لن يعمل على تسجيل بيانات الرياح فقط ولكنه أيضاً سيقوم بأداء حسابات فورية على البيانات والذي من شأنه توفير جميع المعلومات المتعلقة لمحلل الرياح.

بعض الأشياء التي يجب أن تكون على دراية بها:

• المتوسط، القيمة العظمى والانحراف المعياري لسرعات الرياحهذه القيم عادة ما يتم تسجيلها على فترات تفصلها عشرة دقائق.
  • المتوسط: هو متوسط سرعة الرياح خلال فترة العشر دقائق، عادة ما تكون بوحدة المتر في الثانية (م/ث)
  • القيمة العظمى: وهي أقصى قيمة يتم قياسها لسرعة الرياح خلال فترة العشر دقائق.
  • الانحراف المعياري: وهو قيمة تعبر عن شدة الاضطراب في سرعات الرياح خلال فترة العشر دقائق. يجب علينا أن نتأكد من أن "التوربين سيعمل مع الرياح وليس ضدها"
• اتجاه الرياح:سوف تحتاج إلى معرفة الاتجاه الذي تأتي منه الرياح بمعدل أكبر وكم تكون سرعتها في هذا الاتجاه.
• صاري الرصد أو صاري الرياح: يتم استخدامه من قبل المتخصصين لتثبيت وحدات الاستشعار أو الرصد. الصواري لابد وأن تكون خالية من أي اهتزازات أو "تذبذبات" لأن هذه المؤثرات ستنتقل إلى النتائج التي تقوم أجهزة تسجيل بيانات الرياح بتسجيلها. عادة ما يتم تثبيت العديد من وحدات الاستشعار على صاري الرياح. بعض المعاملات مثل طول فترات اضطراب الرياح أو محصلة الرياح قد تكون هامة جداً ولكن أيضاً لا يجوز إهمال معاملات أخرى كدرجة الحرارة والضغط.
• محصلة الرياح:يتم احتساب هذه القيمة عن طريق قياس سرعة الرياح على ارتفاعات مختلفة. بقياس سرعة الرياح على ارتفاعات مختلفة يمكننا استيعاب كثافة تقلبات الرياح بشكل أفضل كما يمكننا أيضاً معرفة تأثير عامل الارتفاع على سرعة الرياح. يستخدم هذا العامل أيضاً في "استنباط" السرعات قبل التعليق على ارتفاعات أعلى لتوربينات الرياح إذا كان ذلك غير ممكناً فعلياً. من المزايا الإضافية الأخرى لقياس سرعات الرياح في الارتفاعات المختلفة هو الاحتفاظ بخيارات أفضل في حالة القدوم على اختيار توربينات رياح أخرى.

( مثال على القيمة المتوسطة، الحد الأقصى، الانحراف المعياري لسرعة الرياح على LeSENSE, مقدم من خلالLogic Energy Ltd)

مراقبة الرياح (سؤال وجواب)

• ما الفترة المقترحة لتسجيل أو رصد بيانات الرياح?
  • سوف تحتاج إلى عدة أشهر لكي تتخذ القرار المستنير، بشكل معقول لا يجب أن تقل الفترة عن 6 أشهر والأفضل من ذلك أن تكون عام كامل.
• الآن وقد حصلت على كافة بيانات الرياح ما الذي يجب فعله بهذه البيانات؟
• لكي تتم الأمور بشكل جيد يجب عليك عرض بيانات الرياح على متخصص في هذا المجال، وبعد أن تتأكد بشكل مبدئي أن سرعات الرياح تبدو معقولة وأن الموقع يدعو إلى التفاؤل.
• قم بإرسال البيانات إلى مورد توربينات الرياح المفضل لديك. وسوف يتمكن من إخبارك بحجم الطاقة المتوقع الحصول عليها من الموقع الخاص بك.
• قم بحساب متوسط سرعة الرياح، فهذه المعلومة سوف تعطيك فكرة عامة عن مدى سرعة الرياح التي يحتوي عليها الموقع
  • بشكل عام وبالنسبة لتوربينات الرياح التي سوف يتم تمويلها من قبل الأشخاص العاديين، فإن الأمور تبدأ في التحسن بسرعة رياح تبدأ من 4م/ث.
  • أما في حالة التوربينات التي يتم تمويلها من خلال عدد من الشركاء فإن سرعة الرياح المقبولة لا يجوز أن تقل عن 6م/ث.
• قم بحساب التوزيع الترددي لسرعات الرياح، فهذه المعلومة من شأنها توضيح رؤيتك بشأن خصائص الرياح في الموقع والذي يمكنك من توزيع أو تقسيم السرعات المختلفة للرياح إلى قطاعات.
  • بمجرد معرفتك لعدد ساعات هبوب الرياح بالسرعات المختلفة (عادة ما تكون في شكل نطاقات أو حزم بقيمة م/ث) سوف تتمكن من مضاعفة هذه القيم بقيم منحنيات الطاقة التي يوفرها موردو توربينات الرياح. الرقم الإجمالي الناتج من كل هذه القيم سوف يعطيك قيمة الطاقة التي سيتم إنتاجها من الموقع الخاص بك إذا قمت باستخدام هذا النوع من التوربينات على وجه التحديد.
• في حالة حدوث أية إخفاقات أخرى... فقط اتصل بنا وسوف نرتب لك اتصالاً مع أحد المتخصصين.

(الرسم البياني لتوضيح التوزيع الترددي لسرعات الرياح باستخدام LeSENSE, مقدم من خلالLogic Energy Ltd)

المعدات

• وحدات الاستشعار, يجب أن تتم معايرتها طبقاً لوثيقة يمكن تتبعها. بدقة أفضل من 1% وبثبات 1م/ث. من المفضل دائماً أن تستخدم وحدتيّ استشعار على الأقل.
• دوارة الرياح, الوضع المثالي أن يكون الثبات عند 1*
• جهاز تسجيل أو مراقبة بيانات الرياح:
  • يجب أن يتمتع بميزة تخزين البيانات بشكل تاريخي. والحد الأدنى من هذه البيانات المتعلقة بسرعة الرياح يتمثل في:
    • القيمة المتوسطة، القيمة العظمى، الانحراف المعياري لسرعة الرياح.
  • اتجاه الرياح
  • من المستحسن أن يتم قياس درجة الحرارة و/أو الضغط والرطوبة.
  • من المستحسن أن يكون لديك قنوات احتياطية لمعدات استشعار إضافية أو وحدات استشعار أخرى.
  • مصادر إمداد الطاقة لأجهزة تسجيل ومراقبة الرياح.
    • للفترات القصيرة يجوز استعمال بطاريات الألكالين في حالة ما إذا كانت عملية جمع البيانات تتم على فترات قريبة.
    • أما بالنسبة للفترات الزمنية الأطول ننصح دائما بإجراء عمليات تحصيل البيانات عن بعد(على سبيل المثال باستخدام تقنيات GSMأوGPRS) كذلك ننصح باستخدام الخلايا الكهروضوئية كمصدر للطاقة لأجهزة مراقبة الرياح.

موضوعات أكثر عمومية (سؤال وجواب)

لماذا يتوجب عليّ أن أمتلك جهاز لتسجيل بيانات الرياح أو لتسجيل سرعات الرياح من الأساس؟

قرار شراء توربينات الرياح دون المعرفة بخصائص الرياح في الموقع الخاص بك، يمكن أن يؤدي بك إلى انحراف بسيط في قياس سرعة لرياح بقدر ضئيل جداً وليكن 4.0 م/ث يؤدي بدوره إلى خسارة قد تصل إلى عشرات آلاف الجنيهات على مدار 20 إلى 25 عاماً من العمل في هذا المجال. محللو الرياح والمجموعات البحثية لديها الكثير من المعلومات القيمة في هذا الشأن، ليست هناك أسرار، فقط بعض المعادلات الرياضية والبيانات الجيدة بخصوص الرياح.

لقد اطلعت على قواعد البيانات الخاصة بالرياح في الموقع الخاص بي والتي تحتوي على متوسطات سنوية جيدة/سيئة لسرعات الرياح. هل هذا يكفي لاتخاذ القرار؟

لا، ليست كافية. فحتى القرار البسيط بشأن تثبيت توربينات الرياح الصغيرة يتأثر كثيراً بالتعقيدات التي تطرأ على محيط الموقع. فمن المحتمل أن يكون متوسط سرعات الرياح طبقاً لقواعد البيانات جيداً جداً في حين أن الواقع ليس كذلك ويرجع هذا الاختلاف عادة إلى البيئة المحيطة المتغيرة (الأشجار، المنازل، الوديان) وأحيانا تكون البيانات عن سرعة الرياح جيدة جداً بسبب خصائص معينة في الموقع (على سبيل المثال: المواقع المرتفعة بشكل كبير عن المستويات الطبيعية)

"توزيعات ويبل/" والمصطلحات المبهرة الأخرى، ماذا تعني؟

عندما تكون لديك قيمة متوسط سرعة الرياح، بالإضافة إلى خصائص الرياح في الموقع، سوف تتمكن من حساب قيم ثابتة يمكنك استخدامها في خوارزمية توزيع ويبل. وهو ما يمكنك من إعداد تنبؤات طويلة الأجل بشأن الطاقة. العنصر الرئيسي هنا هو أنك ستحتاج إلى معرفة معامل مستمر يمكن الحصول عليه في المواقع الصغيرة من خلال حساب سرعة الرياح.

مثال تطبيقي على توربين رياح صغير

دعنا نلقي نظرة على المنحنى التالي، كلا المنحنيين يعرضان نتائج تخص نفس الموقع، أحدهما مبني على أساس توزيع ويبل مع وضع قيمة K=2 (والذي يفترض أنه معيار صناعي)، والمنحنى الآخر عبارة عن بيانات حقيقية تم تسجيلها من خلال LeNETmobile جهاز مراقبة الرياح. نتائج كلا المنحنيين تدل على أن متوسط سرعة الرياح = 3,5 م/ث

المنحنى التالي يوضح على المحور الأفقي سرعة الرياح بالمتر في الثانية، وعلى المحور الرأسي القيم الاحتمالية للرياح مع سرعات الرياح المختلفة. في حالة البيانات الحقيقية لا توجد احتمالات، بل بيانات حقيقية فقط.!!

بالنظر إلى البيانات المتوقعة نجد أن هناك احتمال بنسبة 12% من سرعة الرياح عند قيمة 6م/ث، ولكن البيانات الحقيقية تعرض أن هذا الاحتمال لا يتعدى 6,5%، يبدو هذا سيئاً في البداية ولكن بالنظر إلى نهاية المنحنى نجد أن الأمور تتحسن حيث نجد أن سرعة الرياح أصبحت 10م/ث ، 12م/ث،... وهذه هي درجات سرعات الرياح التي تعمل فيها التوربينات بأقصى كفاءة ممكنة!!

الأمر جيد حتى الآن، ولكن كيف يكون لذلك علاقة بعملية إنتاج الطاقة؟

البيانات التي تم الحصول عليها (بيانات حقيقية): 1,492 كيلووات/ساعة في شهر واحد

البيانات التقديرية باستخدام ويبل: 1,086 كيلوات/ساعة في شهر واحد

هل عرفت الفرق بين معرفة البيانات الحقيقية عن موقعك وبين تخمين هذه البيانات؟ في هذه الحالة كان الاتجاه العام إيجابي، ولكن ماذا لو حدث العكس؟ ماذا لو كنا متفائلين أكثر من اللازم بشأن الطاقة وكانت أكثر من المتاح فعلياً في الموقع؟ بالتأكيد سوف يكون من الجيد معرفة الإمكانيات الحقيقية لموقعك قبل الاستثمار في توربينات الرياح.

ولكن ... 1,500 كيلووات/ ساعة في الشهر ليس بالرقم الكبير، أليس كذلك؟

حسناً، كل ذلك يتوقف على حجم توربينات الرياح، وكذلك الرياح المتوفرة في الموقع، وبالنسبة لهذه الدراسة فقد تم تطبيقها على توربين رياح صغير جداً