توربينات الرياح المقاومة للأعاصير.. تقنيات متقدمة وحلول سحرية (تقرير)
نوار صبح
تسهم توربينات الرياح المقاومة للأعاصير في تسخير العواصف المدمرة لتوليد الكهرباء للمنازل والمكاتب والمصانع في الظروف الصعبة.
وتُعدّ الأعاصير المتكررة سلاحًا ذا حدّين لمزارع الرياح البحرية، فالإعصار الضعيف يُمكن أن يزيد من توليد الكهرباء وتعزيز المنافع الاقتصادية لمزرعة الرياح، أمّا الإعصار القوي فسيُلحق ضررًا بالغًا بها.
ولتطوير موارد طاقة الرياح والاستفادة منها في المناطق البحرية، تُعدّ طريقة الحدّ من الأضرار التي تُلحقها الأعاصير بمزارع الرياح مسألةً مُلحّةً تجب مراعاتها عند تطوير مزارع الرياح البحرية، وفق تفاصيل طالعتها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).
في هذا الإطار، تُسابق الصين الزمن لتطوير جيل جديد من توربينات الرياح المقاومة للأعاصير المدارية، والاستفادة من كهربائها.
تصميم توربينات الرياح المقاومة للأعاصير
يراعي مصمّمو توربينات الرياح المقاومة للأعاصير تفادي الأضرار التخريبية الناتجة عن الانقلاب الكلّي. ولتجنّب الأضرار التخريبية بفعالية، يجب تصميم هيكل توربين مقاوم للأعاصير.
ووفقًا للسجل الزمني لسرعة رياح الإعصار المُقاسة في الموقع، يُجرى تحليل الاستجابة الديناميكية العشوائية للهيكل لتحديد مُعامل تضخيم ديناميكي أكثر دقة.
وفي حال عدم استيفاء الشروط، ينبغي مراعاة عدم استقرار سرعة رياح الإعصار، واقتراح طريقة لتحديد معامل التضخيم الديناميكي المناسب لسرعة رياح الإعصار.
عمومًا، تنخفض عوامل سلامة الأساس والبرج وهيكل التوربين والمحور والشفرات تباعًا.
بالمثل، عند تحسين عامل سلامة الهيكل الداعم (البرج والأساس)، ينخفض احتمال تلف البرج والانقلاب، ما يجنّب الخسائر الفادحة الناتجة عن أضرار الانقلاب.
أكدت الصين أن هيمنتها في مجال طاقة الرياح البحرية ترسخت بفضل تطوُّرين رائدين منفصلين؛ أولهما نشر أقوى توربين رياح بحري أحادي الوحدة في العالم، والثاني التطبيق الناجح لتقنية متطورة مقاومة للأعاصير.
ويمثّل هذان الإنجازان خطوات مهمة بتعزيز البنية التحتية للطاقة النظيفة في البلاد.
وصُمِّمت توربينات "تشالينيرجي" اليابانية (Challenergy) المقاومة للأعاصير لمواصلة إنتاج الكهرباء عند سرعات رياح تصل إلى 40 مترًا في الثانية، وهي سرعة أعلى بكثير من سرعة التوربينات التقليدية البالغة 25 مترًا في الثانية.
ويُختبَر هذا التصميم في جميع أنحاء آسيا، ويبدو واعدًا، إذ تُعدّ أنظمة الطاقة المتجددة المقاومة للأعاصير عاملًا أساسًا في نقل شبكة الكهرباء في المنطقة إلى الجيل القادم.
توربينات الرياح المقاومة للأعاصير في الصين
تبذل الصين جهودًا متميزة لتطوير جيل جديد من توربينات الرياح المقاومة للأعاصير المدارية، والاستفادة من كهربائها.
في مقاطعة غوانغدونغ جنوب الصين، يتشكل أفق جديد بعيدًا عن شواطئها: فقد رُكِّبَت مئات من توربينات الرياح في بحر الصين الجنوبي لتوليد الكهرباء المتجددة للمنازل والمكاتب والمصانع.
وتُمثّل هذه الأبراج الضخمة -التي يصل ارتفاع بعضها إلى ارتفاع مبنى مكون من 30 طابقًا- رمزًا لطموح الصين نحو مستقبل أكثر خضرة.
وتضم غوانغدونغ -أحد مراكز طاقة الرياح البحرية في البلاد- حاليًا نحو 15% من جميع توربينات الرياح المُركبة في المحيطات حول العالم، وعلى مدار السنوات الـ5 المقبلة، تخطط الحكومة المحلية لمضاعفة هذا الأسطول.
تقع هذه التوربينات في طليعة واحدة من أكثر الظواهر الجوية تدميرًا على وجه الأرض، التي تضرب ساحل الصين عامًا بعد عام: الأعاصير، وهي أعاصير مدارية تنشأ في شمال غرب المحيط الهادئ.
وتجلب هذه العواصف القوية رياحًا بسرعة 119 كم/ساعة أو أكثر، وهي تُرعب دول شرق وجنوب شرق آسيا في المدة من مايو/أيار إلى نوفمبر/تشرين الثاني، وغالبًا ما تُخلّف وراءها دمارًا وموتًا، بما في ذلك انهيار مبانٍ وغمر شوارع بالمياه، حسب تحديثات تابعتها منصة الطاقة المتخصصة.
إعصار راغاسا في الصين
بلغت سرعة إعصار راغاسا، الذي دمَّر جنوب الصين في سبتمبر/أيلول الماضي، وكان أقوى عاصفة في العالم هذا العام، 241 كم/ساعة.
وتُعدّ الأعاصير عواصف دوارة تغذيها الهواء الدافئ، وتختلف أسماؤها حسب مكان حدوثها. وإذا نشأت في شمال المحيط الأطلسي وشمال شرق المحيط الهادئ تُسمى أعاصير، وفي شمال غرب المحيط الهادئ تُسمى أعاصير مدارية.
وقال مدير مختبر يانغجيانغ لطاقة الرياح البحرية -وهو معهد تدعمه حكومة غوانغدونغ- تشو رونغهوا، إن مساحات شاسعة من المناطق الساحلية الصينية، التي تواجه الأعاصير عدّة مرّات سنويًا، تتمتع بأفضل موارد الرياح البحرية.
وأضاف أن "التحدي يكمن في بناء مزارع رياح قادرة على استغلال طاقة الأعاصير.. من المهم للغاية ألّا تقتصر قدرة التوربينات المُركّبة في تلك المناطق على مقاومة الأعاصير، بل أن تُسخّر الهبات القوية التي تسبق وصولها".
وتُعدّ الشركات الصينية في طليعة البحث والتطوير والنشر التجاري لتوربينات الرياح المقاومة للأعاصير، حسبما قال كبير مسؤولي الإستراتيجية في آسيا لدى المجلس العالمي لطاقة الرياح "جي دبليو إي سي" (GWEC) -وهو هيئة تجارية عالمية لقطاع طاقة الرياح- تشياو ليمينغ.
وأوضح تشياو: "اتخذت الحكومة الصينية قرارًا إستراتيجيًا بجعل طاقة الرياح البحرية حجر الزاوية في أهدافها المتعلقة بإزالة الكربون".
وتشير الأهداف إلى بلوغ ذروة انبعاثات الكربون قبل عام 2030 وتحقيق الحياد الكربوني قبل عام 2060.
معايير تصميم توربينات الرياح المقاومة للأعاصير
هناك طرق مختلفة لتصميم توربينات الرياح المقاومة للأعاصير، وعلى الصعيد الوطني، لدى الصين معيار يُرشد الشركات لصنع توربينات "من نوع المقاوم للإعصار" قادرة على تحمُّل رياح يصل متوسط سرعتها إلى 198 كم/ساعة لمدة 10 دقائق.
على الصعيد العالمي، وضعت اللجنة الكهروتقنية الدولية "آي إي سي" (IEC) إرشادات لتوربينات "من النوع المقاوم للإعصار" التي يُتوقع أن تتحمل رياحًا بسرعة 205 كم/ساعة لمدة 10 دقائق، وعواصف تصل سرعتها إلى 290 كم/ساعة لمدة 3 ثوانٍ.
ولا يُعدّ أيٌّ منهما إلزاميًا، ولكن يُمكن للمُصنِّعين الحصول على شهادة اعتماد من شركة خارجية لمنتجاتهم لتلبية هذه المعايير.
تجدر الإشارة إلى أن بعض التوربينات في الصين لا تمتلك هذه الشهادات، ولكنها نجت من الأعاصير، لذا فهي تُصبح مقاومة للأعاصير بطبيعتها، وفقًا لخبراء الصناعة.
في المتوسط، من المتوقع أن تتعرض مزرعة رياح بحرية صينية لما لا يقل عن 100 إعصار خلال عمرها الافتراضي التصميمي، يبلغ عادةً 25 عامًا، وفقًا لمتحدث باسم شركة غولد ويند (Goldwind)، وهي شركة صينية مُصنِّعة لتوربينات الرياح.
وقال المتحدث باسم الشركة: "عند انهيار توربين رياح، فقد يُهدِّد ذلك حياة البشر، ويُسبِّب خسائر مالية فادحة".
تأثير الكوارث السابقة
أظهرت الكوارث السابقة شدة الأضرار، ففي عام 2006، ضرب إعصار ساومي الفائق مقاطعة تشجيانغ شرق الصين، مُسبِّبًا هبات رياح وصلت سرعتها إلى 245 كم/ساعة.
ودمّر الإعصار 27 توربينًا في مزرعة رياح برية، وانهار 5 منها. وتسبَّب الحادث وحده في خسائر اقتصادية هائلة بلغت 70 مليون دولار.
في أثناء الإعصار، يتعرض كل جزء من التوربين لضغط شديد، وتكون شفراته عرضة للتشقق والتصدع والانكسار، لأن سرعة الرياح واتجاهها غالبًا ما يتغيران فجأة وبشكل كبير.
في المقابل، يمكن أن ينحني برج التوربين أو ينهار، كما أن أساسه -الذي يتحمل ضغط الأمواج العاتية والتيارات البحرية السريعة- معرّض لخطر التشوه أو الانقلاب. ويمكن أن تُلحق الأمطار والصواعق أضرارًا بالتوربينات.
وعند اقتراب إعصار، غالبًا ما تُوقف مزرعة الرياح توربيناتها عبر نظام تحكُّم عن بُعد، بمجرد وصول سرعة الرياح إلى حدودها التشغيلية القصوى، وفقًا للباحثة في مجال الطاقة المتجددة لدى منظمة غلوبال إنرجي مونيتور (GEM) -وهي منظمة غير ربحية مقرّها كاليفورنيا- هان يوجيا.
وأضافت أن العديد من التوربينات قادرة على إيقاف تشغيل نفسها تلقائيًا، ثم تُشغّل التوربينات بوساطة مولدات الديزل الداخلية أو البطاريات.
ويُمكّنها نظام التحكم من إجراء ردود فعل آنيّة -مثل تغيير اتجاهها أو زوايا شفراتها- لتقليل تأثير الإعصار، حسبما تُشير هان.
إزاء ذلك، يجب أن تكون توربينات الرياح البرية والبحرية مقاومة للأعاصير إذا رُكِّبَت في مناطق معرّضة للظواهر الجوية.
وتؤدي هذه الميزة دورًا أكثر أهمية في توربينات الرياح البحرية لأن الأعاصير تكون أقوى بكثير في البحر، حسبما تقول الأستاذة في قسم أنظمة الرياح والطاقة لدى الجامعة التقنية في الدنمارك، شياولي غوه لارسن.
وبحسب هان يوجيا، عززت الشركات الصينية الكبرى مرونة توربيناتها باستعمال مجموعة من الإستراتيجيات. وأوضحت أن هذه الإستراتيجيات تشمل تطوير مواد متقدمة، وتحسين قدرتها على التنبؤ بالطقس، وتحديث أنظمة التحكم في التوربينات.
طراز التوربينات أوشن إكس
من الأمثلة الجيدة -وفقًا للباحثة في مجال الطاقة المتجددة لدى منظمة غلوبال إنرجي مونيتور (GEM)، هان يوجيا- طراز من التوربينات يُسمى "أوشن إكس" OceanX، من إنتاج مجموعة "مينغيانغ سمارت إنرجي غروب" الصينية (Mingyang Smart Energy).
وبفضل قاعدته العائمة، يدعم طراز "أوشن إكس" توربينين، وليس توربينًا واحدًا فقط، والسبب الرئيس وراء هذا التصميم الفريد هو زيادة إنتاج المنصة.
ومقارنةً بتوربين واحد تدور شفراته عبر المساحة نفسها التي تغطيها توربينات "أوشن إكس" مجتمعة، يمكن لهذا الطراز توليد كهرباء أكثر بنسبة 4.29%، وفقًا لمجموعة "مينغيانغ".
ويرجع ذلك إلى أن شفرات التوربينين تدور جنبًا إلى جنب في اتجاهين متعاكسين -أحدهما مع عقارب الساعة والآخر عكس اتجاه عقارب الساعة- ما يؤدي إلى هبوب الرياح بينهما بشكل أسرع، ويتيح تحويل المزيد من الطاقة الكهربائية من طاقة حركية هوائية، وفقًا للشركة.
وقال كبير مصممي التوربين، وانغ تشاو، إن المنصة العائمة تتميز بالعديد من الميزات الجديرة بالاهتمام لمواجهة الأعاصير والحفاظ على التوازن في الظروف الجوية القاسية.
على سبيل المثال، تُربَط قاعدتها بقاع المحيط بواسطة حبال عبر نقطة واحدة تحتها، وهذا يسمح للهيكل بتغيير اتجاهه بسهولة أكبر لمواءمته مع الرياح. ويضيف وانغ: "ما دامت التوربينات تواجه الإعصار، فإن الأحمال (القوى) التي تتحمّلها ستكون في حدّها الأدنى، وستكون الأكثر أمانًا".
ومن الميزات الأخرى الخرسانة "فائقة الأداء" المستعمَلة في بناء أساسات طراز "أوشن إكس"، فهي أقوى بـ4 مرات من الخرسانة العادية، وتتحمل ضغطًا يتجاوز 115 ميغا باسكال، أي أكثر من 16 ألفًا 600 رطل (7,530 كغم) لكلّ بوصة مربعة.
في سبتمبر/أيلول 2024، رُكِّب الطراز في مزرعة رياح على بُعد نحو 70 كيلومترًا قبالة ساحل مدينة يانغجيانغ في مقاطعة قوانغدونغ، وذلك قبل أسابيع قليلة من ضرب الإعصار الهائل ياغي -أقوى إعصار شهدته الصين منذ عقد- السواحل الجنوبية للبلاد.
وقال وانغ، إن طراز "أوشن إكس" كان موجودًا في منطقة مائية وصلت فيها سرعة الرياح إلى 133 كم/ساعة، وقد نجح في تحدّي العواصف والأمواج.
وبالقرب من أحد مواقع هبوط إعصار ياغي، صمد 47 توربين رياح من صنع شركة "غولد ويند" أمام أقصى سرعة رياح بلغت 161 كم/ساعة لمدة 6 ساعات قبالة ساحل مقاطعة قوانغدونغ، وفقًا للمتحدث باسم الشركة.
وأكد المتحدث أن هذه التوربينات نجحت في توليد ما مجموعه 2.1 غيغاواط/ساعة من الكهرباء في غضون 9 ساعات، عندما مرّ ياغي بالمنطقة.
ويمكن لهذه الكمية من الكهرباء أن تزوّد أكثر من 2100 مواطن صيني، أو ما يقرب من 800 عائلة بريطانية مكونة من 3 أفراد، بالكهرباء لمدة عام.
من ناحية ثانية، تمكنت مزرعة رياح في جنوب الصين من توليد ما يكفي من الكهرباء لتزويد أكثر من 2100 مواطن بالكهرباء لمدة عام في أثناء مرور إعصار.
وقال المتحدث باسم شركة "غولد ويند"، إن الشركة حققت هذا الإنجاز من خلال سلسلة من الابتكارات، بما في ذلك استعمال مواد أقوى مثل ألياف الكربون ونظام مراقبة متقدم يساعد موظفي مزارع الرياح على الوصول إلى حالة توربينات الرياح المقاومة للأعاصير في الوقت الفعلي لاتخاذ أفضل القرارات.
ويرى بعض الباحثين أنه من المهم أن تتمكن التوربينات البحرية من التقاط هبّات الأعاصير ما دام ذلك آمنًا.
بخلاف ذلك، سيتعين إيقاف تشغيل التوربين عندما تتجاوز سرعة الرياح 88 كم/ساعة -وهي متوسط سرعة "التوقف" للتوربينات- حسبما تقول تشانغ مينغ تشي، الباحثة لدى "غلوبال إنرجي مونيتور"، وتُشير إلى أن "هذا سيؤدي إلى هدر كمية هائلة من الكهرباء النظيفة".
تحطُّم الأبراج
تتشكل الأعاصير المدارية فوق المحيط الأكثر دفئًا بالقرب من خط الاستواء، وعادةً ما تتجه غربًا نحو القطبين، لذا نادرًا ما تضرب أوروبا، على الرغم من أن القارة تواجه عواصف أكثر شدة.
وأشار محللون إلى أن الولايات المتحدة لم تُنشئ بعد مزارع رياح بحرية على نطاق واسع بمناطقها المعرّضة للأعاصير في الجنوب.
وأوضحوا أن "الصين قد تمتلك، حاليًا، أكثر تقنيات توربينات الرياح مقاومة للأعاصير تقدمًا".
وعلى مدار العقد المقبل، سيُربَط نحو 170 غيغاواط من طاقة الرياح البحرية الجديدة -أي أكثر من ضعف إجمالي طاقة الرياح البحرية العالمية حاليًا- بالشبكة الكهربائية في الصين، وسيقع نحو 60% منها في مناطق معرّضة للأعاصير، وفقًا للمحلل لدى شركة الأبحاث والاستشارات وود ماكنزي، وانغ يوفان.
موضوعات متعلقة..
- فشل صفقة بناء سفينة تركيب توربينات الرياح البحرية.. اكتملت بنسبة 98.9%
- ماذا يحدث لشركات توربينات الرياح؟.. إفلاس وتسريح عمال بأعداد ضخمة
- توربينات الرياح دون شفرات.. تخفض التكلفة 40% فهل تصبح حلًا سحريًا؟
اقرأ أيضًا..
- صادرات الكويت من النفط ترتفع.. وسلطنة عمان بين كبار المستوردين
- واردات الدول العربية من الغاز المسال تقفز في 3 أشهر.. ومصر تتصدر
- سوق ناقلات النفط العملاقة لمنطقة غرب السويس تسجل نشاطًا ملحوظًا
المصادر:
- "كيف تتحمل توربينات الرياح المقاومة للأعاصير العواصف؟"، من منصة إنفرتر
- "توربينات الرياح المقاومة للأعاصير: كيف تستغل مصادر الطاقة المتجددة الظروف الجوية القاسية؟"، من منصة "إنرجي تراكر آسيا"
- "مزارع الرياح المقاومة للأعاصير تُغذّي ساحل الصين بالكهرباء"، من هيئة الإذاعة البريطانية "بي بي سي"
