توربينات الرياح، اختيار موقعِ تركيب محطة الرياح

قد يُنظر إلى تأثير الموقع الجغرافي في أداء توربينة الرياح على أنه بسيط، لكنَّ الدراسة المعمقة تكشف أن توربينة الرياح _بغض النظر عن كفاءتها_ قد تفشل في استخراج أقصى طاقة ممكنة من الرياح في الموقع، ومن المدهش أن التوربينة التي أدَّتْ أداءً سيئًا في موقع ما نجدها تستخرج كمًّا أكبرَ من الطاقة الكهربائية عند تركيبها في موقع آخر.

خشونة السطح:
لا تتأثر سرعة الرياح إلى حد كبير بشكل الأرض عندما يتحرك الهواء على ارتفاع 1 كم من سطحها، (ويقصد بشكل الأرض: هل هي منبسطة؟ أو ذات تضاريس؟ أو رملية؟ أو ذات مبانٍ؟ أو حتى أرض زراعية)، ويؤثر شكل الأرض في سرعة الرياح بداية من ارتفاع 100 متر فوق سطح الأرض نزولًا إلى السطح؛ إذ تتأثر سرعة الرياح بالاحتكاك به، ففي الغابات والمدن المكتظة بالمباني تبطأ سرعة الرياح على عكس الأراضي المنبسطة أو الممهدة كالمطارات، ويعدُّ سطح الماء أكثر سطح ناعم يَعْبر عليه الهواء بسلاسة (1).    

فى صناعة توربينات الرياح، إذا كانت خشونة السطح تصل إلى قيمة 3–4 فهذا يشير إلى مكان يمتلئ بالأشجار أو المبانى، أما إذا وصلت قيمة خشونة السطح إلى صفر، فهو سطح البحر (2). 
وهناك قيمة متوسطة لخشونة السطح للحسابات السريعة، تعتمدها عديدٌ من الأبحاث المنشورة في دوريات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات Institute of Electrical & Electronic Engineers – IEEE،s وتساوي 1/7 = 0.14 (3).

تنسيب سرعة الرياح:
توفر عديد من الجهات بياناتِ الأرصاد الجوية في مواقع عدة، وتتيحها للدارسين والمستثمرين فيما يدعى بأطلس أو قاعدة بيانات الأرصاد الجوية، وهذه البيانات تشمل سرعة الرياح (الدُّنيا والمتوسطة والعظمى)، كذلك بالنسبة للإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة والرطوبة، وتتوفر هذه البيانات عند ارتفاع محدد، مثل قاعدة بيانات المعمل الوطني للطاقة المتجددة (National Renewable Energy Laboratory) التي تعرف اختصارًا بـNREL (4)، وهي جهة بحثية أمريكية تمولها الحكومة، وهناك عدة جهات أخرى مناظِرة فى دول مثل إنجلترا والنرويج وألمانيا وأستراليا. 

ولكي تُحسب الطاقة الكهربائية المولدة من توربينة الرياح، يجب معرفة سرعة الرياح عند ارتفاع التوربينة. وبسبب عدم إمكانية توفير قياس سرعة الرياح عند كل ارتفاع، ولاختلاف ارتفاعات أعمدة توربينات الرياح أيضًا، نشأت الحاجة لوجود طريقة لتنسيب سرعة الرياح المسجلة في الأطلس وارتفاع عمود توربينة الرياح (5). 
وتتراوح ارتفاعات توربينات الرياح ذات عمود الدوران الأفقي من عدة أمتار إلى عشرات الأمتار عن سطح الأرض، لكن لأسباب كالتكلفة والتشغيل والصيانة يعد متوسط ارتفاع توربينة الرياح 100 متر (6).   
وهناك معادلتين لتنسيب سرعة الرياح من الارتفاع المقاس منه إلى ارتفاع عمود التوربينة.

تُستخدم المعادلة الأولى عندما يكون ارتفاع توربينة الرياح أكثر من 20 مترًا (3)، وهي: 

Image: Copyright: SYR-RES 
(1.1)

V_hub = سرعة الرياح عند ارتفاع عمود توربينة الرياح (متر/ثانية).
V_ref = سرعة الرياح حسب الأطلس (متر/ثانية).
Z_hub = ارتفاع عمود التوربينة (متر).
Z_ref = الارتفاع المسجل عنده سرعة الرياح حسب الأطلس (متر).
a = معامل خشونة السطح (بدون وحدات) 

أما التوربينات ذات الأعمدة الأقل من 20 مترًا فتُستخدم المعادلة الآتية (7): 

Image: Copyright: SYR-RES 
(1.2)

Z₀ = طول خشونة السطح "هناك جداول لاستخراج هذه القيمة حسب نوع السطح" (متر).

معايير اختيار موقع تركيب توربينات الرياح (مزرعة الرياح):
- الظروف المناخية: وهي تعني تجميع بيانات الأرصاد الجوية لعدة أماكن مدةً تصل إلى 30 عامًا للمفاضلة بينهم، لكن يجب التعامل مع هذه البيانات تعاملًا حذرًا كما سنورد لاحقًا. 
وإذا كانت هناك مزرعة رياح قريبة فهذه إشارة إلى أن هذه المكان سيكون مناسبًا، كما في الدانمارك وألمانيا (8).  
- الأراضي المنبسطة: يجب اختيار الأراضي المنبسطة _إن أمكن_ أو الممهدة ذات أقل عدد ممكن من الأشجار أو المنشآت؛ للحصول على أقل معامل خشونة في السطح مما يضاعف إنتاجيةَ الطاقة الكهربية في المزرعة (9).  
- الاتصال بالشبكة القومية: كلما كانت قطعة الأرض قريبة من الشبكة القومية كان أفضل؛ إذ إن هذا يقلل التكاليف المطلوبة لتمديد شبكات نقل الكهرباء إلى المزرعة، وهذا يؤثر في إجمالي تكلفة إنتاج الكهرباء، ومعظم التوربينات تستخدم مولدات ذات جهد 690 فولت، مما يتطلب وجود محول رفع (مركزى/بجانب التوربينة) لرفع الجهد المُولد إلى جهد النقل (10).  كما يتطلب ايضًا دراسة أذا كانت الشبكة الكهربية المتوفرة ستتحمل الطاقة المولدة أم تحتاج إلى تدعيم (11). 
- حالة التربة: يجب دراسة الأرض من ناحية قدرة التربة لتحمل أوزان التوربينات والمهمات الكهربائية لمحطة التوليد وأساساتها، كذلك يجب أن يُراعى وجود شبكات طرق تتحمل أوزان سيارات النقل الثقيل التي ستُستخدم في نقل المعدات في فترات التركيب والصيانة (12).  
- محاذير استخدام بيانات الأرصاد الجوية: وهي البيانات التي تُستخدم في تقييم المواقع المدروسة لتحديد إمكانية تنصيب محطات التوليد المعتمِدة على الرياح، ومن المهم مراعاة الدقة في تسجيل بيانات سرعة الرياح؛ حتى تزداد دقة التنبؤ بالطاقة الكهربية المولدة، ويجب ألّا يغفل عن أهمية الأخذ في الاعتبار كل الظروف المحيطة بالموقع من عوائق (كالمبانى والأشجار...) و خشونة السطح؛ إذ إن إهمال العوامل السالف ذكرها يجعل بيانات الأرصاد الجوية تعطي تنبؤات خاطئة عن حجم الطاقة الكهربية التي يمكن توليدها (13).
- معامل السعة: وهو عبارة عن نسبة الطاقة المولَّدة الفعلية بالنسبة إلى الطاقة التي يمكن توليدها على نحوٍ مستمر، وبالنظر إلى التذبذب الكبير فى سرعة الرياح، نجد أن توربينة الرياح لا تستطيع إنتاج الطاقة الاسمية (أقصى طاقة تستطيع التوربينة توليدها) على نحوٍ متواصل، ومن هنا نجد أن أقصى قيمة لمعامل السعة لتوربينات الرياح لا تزيد عن 35%. 
مثال: توربينة لديها قدرة اسمية تصل إلى 3 ميجاوات فهذا يعنى أنها لا تستطيع إنتاج سوى = 3*0.35 = 1.05 ميجاوات (14).

المصادر:

1- “Determination of the Surface Roughness Parameter and Wind Shear Exponent of Kisii Region from the On-Site Measurement of Wind Profiles” [Internet]. Hindawi.com. 2020 [cited 25 November 2020]. Available from: هنا
2- Roughness Classes: Relation between value and surface type [Internet]. Xn-drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 01 April 2020]. Available from: هنا
3- [Internet]. Books.google.com. 2020 [cited 01 April 2020]. Available from: هنا
4- Wind speed atlas [Internet]. Nerl.gov. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from:  هنا
5- Wind Shear: relation between wind speed and elevation from earth [Internet]. Xn-drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا
6- Average height of wind turbine [Internet]. wind-energy-the-facts.org/hub-height-7. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا
7- Wind Shear formula: calculation of wind speed at different heights. Xn-drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا
8- Selecting a Wind turbine site: the usefulness of having meteorological data [Internet]. Xn-drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا
9- Look for a view: selecting lands with minimum roughness [Internet]. Xn-drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا
10- Grid connection: locate the wind substation closest possible to the grid [Internet]. Xn-drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا
11- Grid reinforcement: study the capacity of the available power grid to receive the new generated power [Internet]. Xn-drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا
12- Soil conditions: study the availability of roads and ability to handle heavy trucks [Internet]. Xn-drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا
13- Pitfalls in using Meteorological data: effect of precision in collecting and calculating the data [Internet]. Xn-drmstrre-64ad.dk. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا
14- [Internet]. Eia.gov. 2020 [cited 04 April 2020]. Available from: هنا