تصميم وتشغيل المزارع الريحية

تصميم وتشغيل المزارع الريحية
تصميم وتشغيل المزارع الريحية

المزرعة الريحية هي مجموعة من العنفات (التوربينات) الريحية تتواجد في موقع واحد، وترتبط مع بعضها البعض ومع الشبكة لإنتاج الطاقة الكهربائية، وهذا الإنتاج يتفاوت مع الرياح.

وتحتوي المزرعة الريحية على محتويات جديدة قد لا تحتويها محطات الطاقة الأخرى والضرورية لعمليات التشغيل الصحيح:

  • نظام تجميع الاستطاعة الكهربائي (Electrical Power Collection System):

يتم تجميع الاستطاعة الناتجة عن العنفات الريحية عبر استخدام هذا النظام وتكون الاستطاعة بتوتر متوسط حوالي (15 – 35 كيلو فولت) ويتألف من:

  • كابلات أرضية تمر خلال صفوف العنفات الريحية.
  • كابلات هوائية تصل بين صفوف العنفات إلى المحطة الثانوية.
  • نقطة الترابط مع الشبكة من الممكن أن تتواجد في نفس المحطة الثانوية أو منفصلة عنها فيزيائيا وتتواجد بجوار خط الشبكة بشكل عام فإن مشاريع المزارع الريحية يتم تنفيذها بحيث تبعد 1 إلى 10 أميال عن خط نقل التوتر العالي وذلك لتخفيف تكاليف الربط مع الشبكة.

تتواجد محولات الرفع بشكل عام بشكل مجاور لأساسات كل برج حيث تستخدم لرفع التوتر من قيمة التوتر المنخفض الذي تنتجه العنقة الريحية إلى قيمة التوتر العالي حسب النظام الكهربائي الذي تربط إليه.

2) المحطة الثانوية والربط (Substation & Interconnection): 

في معظم مشاريع الطاقة الريحية يتم إدخال كل الاستطاعة المنتجة من المزرعة الريحية إلى محطة ثانوية حيث يتم قياسها ويتم رفع قيمة التوتر المنتج لتصبح ملائمة لقيمة توتر الشبكة، وتحتوي على قواطع للمحطة معزولة, وأجهزة مراقبة جودة الاستطاعة وأدوات الحماية لحماية التجهيزات على كل من طرفي الشبكة الكهربائية والمحطة الريحية.

يتم وصل هذه المحطة بخطوط نقل القدرة للشبكة عبر نظام مؤلف من بناء فوق الأرض يحتوي على عدد من القواطع.

3) الأساسات (Foundations):

يتم تصميم أساسات العنفة الريحية وفقا لمواصفات ووزن العنفة، وتبعة لسرعة الرياح الأعظمية المتوقع هبوبها ولخصائص التربة في الموقع.

4) نظام التحكم والاتصالات (Control and Communications System): 

إضافة لوجوا نظام تحكمي خاص بكل عنفة، يوجد نظام إشراف تحكمي وتجميع للبيانات (SCADA). يتألف هذا النظام من كمبيوتر مركزي مع قابلية التحكم بكل عنفة على حدا، والقدرة على تجميع سلاسل البيانات وتحليلها وأرشفتها.

تحوي كل عنفة على جهاز مودم مرتبط بمركز نقل المعلومات عن بعد فعندما تتعطل إشارة الشبكة تستشعر بها الأجهزة المركزية والفرعية من خلال نظام المراقبة عن بعد SCADA وتنتقل الإشارة إلى مركز التنسيق بشكل أوتوماتيكي وعندما يقوم فريق الخدمة بإدخال جميع المعلومات الخاصة بالعنفة إلى الحاسوب بحيث يضمن إجراء عمليات الصيانة بسرعة وفعالية كبيرة قدر الإمكان.

5) طريق الوصول للمزوعة الريحية (Access Roads):

عادة طريق الوصول لكل عنفة على حدا يكون بعرض 18 وحتى 20 قدما.

في المناطق ذات المرتفعات يجب مراعاة انزلاق الطريق وتصميم التفافات الطريق ومساراته الدائرية بحيث يؤمن الوصول السليم لكل ال الضخمة للعنفة الريحية.

6) إنشاءات التشغيل والصيانة (Operation and Maintenance (O&M) Facility):

وتشمل وجود مكاتب وورش للصيانة ممكن أن تتواجد بالقرب من الموقع أو بعيدة عنة. المكاتب ضرورية للموظفين المسئولين عن إدارة المحطة الريحية، وتحتوي على كمبيوتر تحكمي، ونظام اتصالات. تستخدم الورش لتخزين أجزاء احتياطية من العنفه في حال حصول أعطال وتعمل على تزويد مساحة للعمل لإصلاح الأجزاء المعطلة.

متطلبات محطات طاقة الرياح في شبكات النقل Requirements for wind power plants in transmission networks:

  • يجب أن تكون العنفات قادرة على البقاء في حالة عمل بدون أن ينقص أداؤها وبدون حدود للزمن حتى باعتبار تقلبات التوتر والتردد.
  • إذ ا حدث انخفاض في قيمة التوتر نتيجة حدوث مشاكل في الشبكة فيجب أن تبقى العنفات مربوطة بالشبكة لفترة محدودة من الزمن.
  • عند حدوث قصر دارة يجب أن تكون العنفات قادرة على حقن استطاعة ردية وفعالة في الشبكة وذلك حسب الطلب.
  • التغيرات الكبيرة في تردد الشبكة يجب ألا تسبب إيقاف العنفات عن العمل.
  • خلال فترة العطل وبعد انتهاء فإن امتصاص الاستطاعة الردية مقيد.
  • بعد انتهاء العطل تستأنف المزرعة حقن الاستطاعة.
  • يجب أن تكون المزرعة قادرة على العمل مع استطاعة خرج منخفضة لفترة زمنية غير محدودة.
  • يجب أن تساهم العنفات بطاقة احتياطية من خلال الشبكة وعند زيادة تردد الشبكة يجب أن تتناقص استطاعة خرج العنفات.
  • يجب أن تساهم العنفات في الحفاظ على استقرار توتر الشبكة بتزويد أو حقن استطاعة ردية لفترة غير محدودة.
  • يجب أن تكون العنفات قادرة على التكامل مع نظام التحكم بالشبكة للمراقبة والمتحكم عن بعد بجميع الشبكة.

الخطوات التصميمية Steps of Designing:

شروط التصميم وفق نظام الـ IEC Designing Conditions according to IEC:

لتصميم العنفات الريحية يجب الأخذ بعين الاعتبار الشروط التالية وذلك استنادا لتعليمات نظام IEC:

  • أن تكون درجة حرارة الهواء المحيط لتشغيل النظام ضمن المجال C° -10 حتىC° 40+.
  • شدة الإشعاع الشمسي W/ m2 1000.
  • كثافة الهواء 1.225 Kg/ m3
  • الرطوبة النسبية أعلى من 95 %.
  • ألا يكون الهواء الجوي ملوث.

اختيار الموقع Position Selection:

لإنشاء المزرعة الريحية يجب اختيار موقعا مناسبا تتوافر فيه سرعات رياح مناسبة لإنتاج الطاقة الكهربائية على مدار العام. من أطلس الرياح في سوريا نجد أن هناك العديد من المناطق التي تتوافر فيها سرعة رياح مجدية تتراوح من / S 5 / M/ إلي / 11.5 / S / M, وهذه السرعات ملائمة لاستخدام طاقة الرياح في مجال توليد الكهرباء.

اختيار ارتفاع الأبراج Tower High Selection:

استنادا إلى طبيعة الموقع والعوائق الطبيعية والاصطناعية المتوفرة فيه، تختلف سرعة الرياح باختلاف الارتفاع. حيث يتم رفح العنفات الريحية إلى ارتفاعات عالية وذلك لسببين:

  • زيادة سرعة الريح مع زيادة الارتفاع: إن ارتفاع البرج المثالي يتحدد بالسرعة اللازم توافر ها والتي يتم تصميم الآلة على أساسها، أي بمعنى آخر يجب أن يرفع برج العنفة إلى الارتفاع الذي يحقق هذه السرعة.
  • اضطراب الريح الذي يقل مع زيادة الارتفاع: يؤثر أيضا على ارتفاع البرج قيمة الارتفاع التي يكون فيها اضطراب الرياح أقل ما يمكن.

وهذا يتحدد بدراسة دقيقة للمنطقة، وتحليل حركة الرياح عند ارتفاعات مختلفة في هذه المنطقة. لمعرفة الارتفاع الأمثل للعنفات يجب معرفة معامل الخشونة a الذي يعبر عن تغيرات السرعة باختلاف الموقع، ويأخذ القيم في المجال (0.1 – 0.4) حيث يكون منخفضا على سطح البحار والأماكن المكشوفة (حوالي 0.1) ويزداد بوجود العوائق الطبيعية والاصطناعية.

 

اختيار توزع العنفات Distribution of Wind Turbines:

عند وضع عدة عنفات جانب بعضها البعض في موقع ما فإن أول مشكلة يمكن أن تظهر هي مسألة الأبعاد بين العنفات والتي يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار من وجهة النظر الأيروديناميكية لتجنب ضياعات الاستطاعة الكبيرة وغير المبررة والتي تنتج عن التأثير المتبادل بين العنفات وإلا لن تعمل المزرعة بشكل اقتصادي منذ البداية.

يعبر عن ضياعات الاستطاعة الناتجة عن التأثير المتبادل بين العنفات بالمردود الأيروديناميكي للمزرعة والذي يعرف بأنه الطاقة المنتجة من كامل المزرعة كنسبة من مجموع معدل الطاقة المنتجة التي يمكن أن تنتج فيما لو كانت العنفات تعمل بشكل مستقل كلا على حدا بدون تداخل ويكون أقل من 100% , ويجب أن يكون عال قدر الإمكان.

المردود الايروديناميكي = الطاقة المنتجة من كامل المزرعة / مجموع طاقات العنفات بدون تداخل