تشير الدراسات الجديدة التي تستفيد من التصاميم المفاهيمية لتوربينات الرياح البحرية إلى كيفية تغيير محركاتها في المستقبل القريب لإنتاج المزيد من الطاقة مع خفض التكاليف، وفقًا لمقالة صحفية جديدة أجراها المختبر الوطني للطاقة المتجددة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (NREL) وشركة جنرال إلكتريك.
وقال جاريت بارتر، الذي يقود برنامج أبحاث هندسة أنظمة الرياح في NREL غالبًا ما يتبنى مصنعو توربينات الرياح البحرية خيارات متحفظة للتخفيف من المخاطر، لا أحد يحب أن يهز القارب”، “إذا وجدوا تقنية ناجحة، فإنهم يستمرون في استخدامها مع زيادة حجم التوربينات، فقد زاد حجم توربينات الرياح كثيرًا لدرجة أن الشركات المصنعة قد تضطر إلى تغيير الأمور قريبًا، ويعتبر نظام نقل الحركة أحد الأشياء التي تخضع للتدقيق.”
بارتر هو المؤلف الرئيسي لورقة بحثية جديدة بعنوان “ما بعد 15 ميجاوات: منظور تكلفة الطاقة للجيل القادم من تقنيات نقل الحركة لتوربينات الرياح البحرية”، والتي تظهر في عدد أغسطس من مجلة الطاقة التطبيقية، قام هو وزملاؤه بتفصيل كيفية تصميم توربينات الرياح البحرية المفاهيمية لتوفير المقارنة الأكثر عدلاً بين تقنيات نقل الحركة.
يتكون نظام نقل الحركة في توربينات الرياح من علبة التروس والمولد، وهي المكونات الضرورية التي تحتاجها التوربينات لإنتاج الكهرباء، يعتبر صندوق التروس مسؤولاً عن توصيل عمود السرعة المنخفضة المتصل بشفرات التوربين بعمود السرعة العالي المتصل بالمولد.
أي تكنولوجيات نقل الحركة ستكون الأكثر تنافسية
يؤثر تكوين مولد مجموعة نقل الحركة بشكل مباشر على الأداء العام لتوربينات الرياح بالإضافة إلى التكاليف.
كان الغرض من البحث هو تحديد أي تكنولوجيات نقل الحركة ستكون الأكثر تنافسية من حيث التكلفة مع زيادة حجم توربينات الرياح، وما إذا كانت الإجابة هي نفسها بالنسبة للأساسات الثابتة والعائمة.
يتم تشغيل توربينات الرياح بواسطة أي من نوعين من محركات الأقراص. أحدهما، يُشار إليه باسم مُجهز، يستخدم مولدًا متصلًا بصندوق التروس، والذي يمكن أن يكون مكونًا عالي الصيانة بسبب أجزائه المتحركة العديدة.
والآخر، وهو محرك مباشر، يتطلب مولدات أكبر، وهو ما يعني تقليديًا مغناطيسات أرضية نادرة أكبر يمكن أن تكون باهظة الثمن.
كما أخذت الدراسة بعين الاعتبار المولدات فائقة التوصيل ذات الدفع المباشر، والتي تستخدم مغناطيسات فائقة التوصيل محفوظة عند درجة حرارة منخفضة للغاية ولا تعتمد على مواد أرضية نادرة.
توجد هذه التقنية بشكل شائع في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ولكن لم يتم تصنيعها بعد لاستخدامها في توربينات الرياح التجارية.
يمكن للأسطول الحالي من توربينات الرياح قبالة سواحل الولايات المتحدة أن يولد أكثر من 40 ميجاوات من الكهرباء، ولكن هدف الحكومة الفيدرالية هو زيادة هذا العدد بشكل كبير – إلى 30 جيجاوات بحلول عام 2030، وهذه الزيادة الكبيرة في أهداف النشر، إلى جانب ضغوط السوق، تدفع الشركات المصنعة لتصميم توربينات أكبر وأكثر قوة.
وبلغ متوسط قدرة توربينات الرياح البحرية التي تم تركيبها في عام 2021، 7.4 ميجاوات، وفقًا لتقرير سوق طاقة الرياح البحرية، والرقم يتجه نحو الأعلى.
وقال بورتولوتي، إن توربينات الرياح بقدرة 15 ميجاوات تمر بمراحل مختلفة من التطوير، لكن تلك التي تعتمد تكوين الدفع المباشر تتطلب مولدات “تصبح كبيرة جدًا وثقيلة جدًا بسرعة كبيرة جدًا عند هذه المقاييس المتطرفة، إذا أردنا حقًا تجاوز ذلك”، متسائلا “15 ميجاوات، هل سيكون مولد الدفع المباشر عبئا؟ هل سيكون عنق الزجاجة؟ وإذا كان الأمر كذلك، هل هناك بدائل أو تقنيات ربما يمكننا التحول لتسهيل هذا النوع من النمو؟”
التصميمات المثالية للتوربينات الأكثر قوة
ولتحديد التصميمات المثالية للتوربينات الأكثر قوة، صمم الباحثون ثلاث تقنيات لمجموعة نقل الحركة بخمس قوى مختلفة تتراوح من 15 ميجاوات إلى 25 ميجاوات لكل من الأساسات الثابتة والعائمة.
إن استخدام البرنامج الذي تم تطويره في NREL والذي يسمى نموذج تصميم وهندسة الأنظمة المتكاملة لمحطة الرياح (WISDEM) سمح للباحثين بإنشاء 30 نقطة تصميم فريدة.
يقترن التصميم بأقل تكلفة مستوية للطاقة (LCOE) بعلبة تروس متوسطة السرعة بمولد متزامن ذي مغناطيس دائم (MS-PMSG).
من المقدر أن يكون سعر التكلفة المسوى لهذه التقنية أقل بنسبة تصل إلى 7% لكل من التصميمات ذات القاع الثابت والعائم مقارنة بتكوين الدفع المباشر الأكثر شيوعًا، بشرط ألا يزيد صندوق التروس من تكاليف الصيانة بشكل كبير.
يفترض التحليل أن تكاليف الصيانة متطابقة عبر تقنيات مولدات مجموعة الحركة وثابتة عبر تقييمات الطاقة المختلفة، لكن تكلفة التكلفة للتكلفة حساسة جدًا لتكاليف الصيانة.
بين PMSG وحلول الدفع المباشر فائقة التوصيل، حقق الأخير توفيرًا في تكلفة الطاقة يتراوح بين 2% و5% اعتمادًا على التصنيف.
وكانت المولدات فائقة التوصيل أكثر فائدة في توربينات الرياح العائمة منها في توربينات الرياح الثابتة.
جعل الرياح البحرية العائمة أكثر اقتصادا
وقال بارتر: “مع مفاهيم التصميم هذه، نظرًا لأنه لم يتم بناء أي منها بالفعل، فإن السرعة المتوسطة تبدو جيدة جدًا من وجهة نظر التكلفة المستوية للطاقة”، “لكن إذا بدأنا نقول جيدًا، قد تكون للسرعة المتوسطة تكلفة صيانة أعلى من تلك ذات الدفع المباشر نظرًا لوجود علبة تروس، فنحن لا نعرف مقدار هذه الزيادة في تكلفة الصيانة، وبما أننا لا نعرف ذلك “تعرف بالضبط ما هو الفرق أو ما هو عبء الصيانة لمولد فائق التوصيل جديد، هذا هو مكان التحذير.
تثير المولدات فائقة التوصيل أسئلة مماثلة حول الصيانة والموثوقية ولكنها تقدم أيضًا بديلاً واعداً لتكوينات الدفع المباشر. ”
وقال بارتر: “بالنسبة للرياح البحرية العائمة، فإن مقدار الوزن الموجود في أعلى البرج يعد أمرًا بالغ الأهمية لإبقائه تحت السيطرة قدر الإمكان”، “إذا تمكنا من تطوير بعض تقنيات المولدات الجديدة هذه ، فربما يجعل ذلك الرياح البحرية العائمة أكثر اقتصادا.”
