كتيبات تبسيط المعلومات التقنية المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح

Transcript

1

2

3 كتيبات تبسيط المعلومات التقنية المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح

4 EBN: 2012 / 4283 ISBN: فيما عدا أي تعامل طبيعي ألغراض البحث أو الدراسات اخلاصة أو النقض أو املراجعة فإن هذه الوثيقة ميكن فقط أن يعاد إنتاجها أو تخزينها أو نقلها بأي شكل وبأي وسيلة بتصريح كتابي مسبق من الكاتب أو املركز اإلقليمي للطاقة املتجددة وكفاءة الطاقة* وترسل االستفسارات بشأن إعادة إصدارها خارج هذه االشتراطات إلى الكاتب عبر بريده اإللكترونى maged.mahmoud@rcreee.org أو maged_mahmoud@hotmail.com أو إلى املركز اإلقليمي للطاقة املتجددة وكفاءة الطاقة على العنوان التالي RCREEE - Regional Centre for Renewable Energy and Energy Efficiency Building of Hydro Power Plants Execution Authority, 7 th fl., Block 11 - Piece 15, Melsa District, Ard El Golf, Cairo, Egypt Tel.: +20 (2) Fax: +20 (2) info@rcreee.org Website: * تأس س املرك ز اإلقليم ي للطاق ة املتج ددة وكف اءة الطاق ة )RCREEE( ف ي ش هر يوني و م ن ع ام 2008 ومق ره القاه رة كمنظم ة إقليمي ة تض م ثالث ة عش ر دول ة أعض اء ه ي األردن والبحري ن وتونس واجلزائ ر والس ودان وس وريا والع راق وفلس طني ولبن ان وليبي ا ومص ر واملغ رب واليم ن ويت م متويل ه م ن قب ل ش ركاء التنمي ة وه م مص ر الدول ة املضيف ة وحكومت ي أملاني ا والدمن ارك واالحت اد األوروب ي.

5 كتيبات تبسيط املعلومات التقنية رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح كتابة وإعداد مهندس/ ماجد كرم الدين حممود كبير اخلبراء الفنيني باملركز اإلقليمي للطاقة املتجددة وكفاءة الطاقة مراجعة السيدة/ أمال بيده املدير التنفيذي للمركز اإلقليمي للطاقة املتجددة وكفاءة الطاقة مهندس/ أشرف كريدي كبير خبراء باملركز اإلقليمي للطاقة املتجددة وكفاءة الطاقة

6

7 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة احملتويات مقدمة من أين نبدأ ملاذا طاقة الرياح العوامل األساسية املؤثرة على طاقة الرياح ما هو معامل السعة ماذا تقول أهم الدراسات واألبحاث في جدوى استغالل طاقة الرياح طاقة الرياح في عاملنا العربى تطور تقنيات استغالل طاقة الرياح أنواع وتصميمات تربينات الرياح»أفقية احملور«أي تربينات الرياح نختار مقارنة بين تربينة الرياح والسيارة! االعتبارات الهامة الواجب مراعاتها عند البدء في اختيار تربينات الرياح مزارع الرياح.. نظرة متفحصة صيانة مزارع الرياح األراضي وقدرات مزارع الرياح تكامل دمج طاقة الرياح مع شبكات الطاقة الكهربائية تطور تقنيات التنبؤ بالرياح طاقة الرياح واعتماديتها طبيعة الرياح املتغيرة.. واحلل السوق العاملي والعربي لطاقة الرياح التصنيع احمللي ملكونات مزارع الرياح.. ومستقبل واعد خامتة

8

9 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة مقدمة حقيقة... إن العالم يتغير بس رعة! وأن أنظمة الطاقة ليس ت ببعيدة عن رياح هذا التغيير.. وأن علينا أن نس تفيد ونس تغل هذه الرياح في منطقتنا العربية قدر املس تطاع.. وحني جاءت فكرة كتابة هذا الكتيب - والذي نش ر معظمه في سلسلة من املقاالت مبجلة امليكانيكا العربية على م دى عام ي 2010 و 2011 إخترت له عنوانا»الكهرباء من طاقة الري اح - رياح التغيير في أنظمة الطاقة العاملية«وحاولت قدر االستطاعة أن أقدم للزمالء األعزاء خالصة لبعض اخلبرات واألبحاث في مجال طاقة الرياح معروضة بلغة عربية م ي سرة ومدعومة بحقائق ومعلومات نظرية وعملية كثي رة حول طاقة الرياح وأهميتها.. وقد كان الوازع األول هو تقليل ما نلمس ه في حياتنا املهنية من نقص شديد في املادة العلمية العربية في هذا اجملال!! س نتناول هنا عددا من احلقائق توضح أهمية وفوائد اس تغالل طاقة الرياح عامليا وإقليميا.. ومدى وجوب إعطائها األولوية حني تتوافر العوامل واملواقع املناس بة نظرا ألبعادها االقتصادية والبيئية اإليجابية! وسنناقش كذلك كيفية حتويل طاقة الرياح املتغيرة إلى طاقة كهربية ثابتة ومستقرة.. وكذا البدائل التصميمية الشائعة لتربينات الرياح ومكوناتها الرئيسية ووظائف تلك املكونات. ثم س نعبر إلى اجملال األوس ع.. وهو احلديث عن مش روعات محطات الرياح إلنت اج الكهرباء أو ما نس ميه ب»مزارع الرياح«وعن أهم مكوناتها وتطور قدرات التربينات عبر العقود الثالثة األخيرة.. م ع منح ش يء من التفصيل ع ن أهم االعتب ارات الواجب االنتب اه إليها عند اختي ار التربينات ومواقعها للبدء في إنش اء مزارع الرياح كما س نتناول بالش رح طريقة توزيع وتوصيل التربينات وشبكة االتصاالت بينها في مزارع الرياح وكذا مهام أنظمة التحكم واملراقبة فضال عن التعرض لعدد من اجلوانب األخرى امل كملة التي أرى أن لها أهمية قصوى في معرض احلديث عن مزارع الرياح! وكلي رجاء أن تكون هذه املعلومات ذات نفع وفائدة للمهتمني بطاقة الرياح في عاملنا العربي.. وأن تدفعه م وتعينهم في أن يصقل وا وينقلوا بدورهم خبراتهم العلمية والعملية لآلخرين -كل في مجاله- إس هاما منا جميعا في بناء نهضة حقيقية متواصلة ألمتنا العربية.. ف ر ب م ب ل غ منقول إليه العلم أوعى من سامع! 7

10 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح من أين نبدأ لعل ه قد أصبح من بديهيات احلديث حاليا القول بأن نش ر طرق اس تغالل واس تخدام الطاقات املتج ددة يعد أح د أكثر احللول جاذبي ة لكثير من ال دول العربية ملواجهة مش كلة تغير املناخ وتوابعها.. أو حتى لالس تفادة منها في جذب املزيد من االس تثمارات احمللية واألجنبية وكذا تنمية الصناعات احمللية وحتقيق أمن استراتيجي مستدام في مجال الطاقة. ويبر ز في هذا السياق تساؤل هام!! وهو من أين نبدأ! وبأي نوع من أنواع الطاقات املتجددة! اإلجابة ببساطة.. إذا ما توافرت مصادر الطاقة املائية فهي األجدر بالتوسع. ولك ن م ا هو املوقف إذا ش حت تلك املصادر كما هو احل ال في العديد من ال دول العربية! أو إذا اس تنفذت القدرات املائية املتاحة في مش روعات عدة كما هو احلال ف ي بعض الدول ومنها مثال مصر وعادة ما جند اإلجابة جاهزة.. الطاقة الشمسية بالقطع!! فمنطقتنا العربية تقع في احلزام الشمس ي والش مس متوفرة طوال العام والصحاري شاس عة ومتاحة.. وهي وجهة نظر جديرة باالهتم ام -قطعا -.. ولكن واقع التطور العاملي احلديث في مختلف تكنولوجيات الطاقة املتجددة يقدم طرحا آخر!! ملاذا طاقة الرياح طبق ا لتقري ر الوض ع العامل ي للطاقة املتج ددة الص ادر ف ي يولي و 2011 عن شبكة سياسات الطاقة املتجددة للقرن REN21-21 وكم ا يوضح جدول رقم )1( - ف إن أجنح الطاقات املتجددة عقب طاقة املس اقط املائية هي طاقة الرياح!! ويعزى ذلك إل ى كونها حاليا األكث ر نضجا من الناحيتني الفنية واإلقتصادية. قدرات إنتاج الكهرباء فى نهاية 2010 تكنولوجيا الطاقة املتجددة 198 ألف ميجاوات محطات الرياح 62 ألف ميجاوات محطات الكتلة احليوية 40 ألف ميجاوات احملطات الشمسية الفوتوفلطية 11 ألف ميجاوات احملطات اجليوحرارية 1.1 ألف ميجاوات محطات املركزات الشمسية احلرارية 0.3 ألف ميجاوات طاقة األمواج واحمليطات 1010 ألف ميجاوات محطات الطاقة املائية جدول رقم )1( قدرات إنتاج الكهرباء من املصادر املتجددة نهاية 2010* * Source: REN21, Global status Report 2011, Energy Policy Network for the 21st Century 8

11 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة أم ا من الناحية البيئية.. فإن أح د تقارير الوكالة الدولية للطاقة حت ت عنوان»رؤى تكنولوجيات الطاق ة«الصادر في 2010 يقدم مقارنة للتأثي رات البيئية املرتبطة بتكنولوجيات محطات إنتاج الكهرباء بالطرق اخملتلفة بروئيتني مختلفتني.. األولى.. بتحليل»دورة احلياة«والتي تش مل تأثيرات جميع األنش طة السابقة والالحقة لتشغيل تلك احملطات!! ومنها مثال عمليات تصنيع املكونات وعمليات التخلص من اخمللفات وغيرها. والثاني ة.. بتحليل التأثيرات البيئي ة املرتبطة فقط بعملية إنتاج الكهرب اء في حد ذاتها. وكما يوضح اجلدول رقم )2(.. فإن محطات طاقة الرياح هي األقل في مستوى إنبعاثات غاز»ثاني أكسيد الكرب ون«-املس بب الرئيس ي لظاهرة»االحتب اس احلراري«- بع د احملطات النووي ة!! ثم احملطات الشمسية سواء احلرارية أو»الفوتوفلطية«ثم محطات الدورة املركبة العاملة بالغاز الطبيعي. إنبعاثات ثاني التكنولوجيا أكسيد الكربون )طن/ م. س.( الدورة البخارية فوق احلرجة العاملة بالفحم Ultra- 0,777 super critical plant محطات الدورة املركبة 0,403 بالغاز الطبيعي احملطات النووية محطات املركزات الشمسية احلرارية محطات اخلاليا الشمسية الفوتوفلطية محطات الرياح 0,005 0,017 0,009 0,002 تأثيرات دورة احلياة )قبل وبعد اإلنتاج( الهواء املياه األراضي الهواء تأثيرات إنتاج الكهرباء املياه التكنولوجيا املرجعية للمقارنة النسبية التالية متغير/ غير مؤكد متغير/ غير مؤكد جدول رقم )2( حتليل التأثيرات البيئية املرتبطة بعملية إنتاج الكهرباء* سلبي سلبي األراضي محدود محدود متغير/ غير مؤكد * Source: IEA,

12 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح ولكن ال يفوتنا أن نذكر هنا أثر محطات الرياح الس لبي على مس احات األراضي!! حيث أن طبيعة اس تغالل طاقة الرياح تستلزم ش غ ل مس احات واس عة من األراضي تبلغ حوالي كيلومتر مربع واح د لكل من 5 إلى 9 ميج اوات مركبة!! بينما يكون هذ األثر محدودا في حالة محطات الطاقة الشمس ية.. والتي تستلزم ش غ ل مساحات من األراضي تبلغ حوالي كيلومتر مربع واحد لكل من 40 إلى 50 ميجاوات مركبة!! ووفقا لذلك.. فإنه من حسن الطالع أن عاملنا العربي يزخر باملساحات الشاس عة من األراض ي الصحراوية غير املأهولة وغير املس تغلة.. وبالتالي يجوز لن ا أن نرى أثرا ا في إس تغالل تلك املس احات الشاسعة في مش روعات الطاقة املتجددة.. وخاصة طاقة الرياح. العوامل األساسية املؤثرة على طاقة الرياح تتناسب الطاقة الكامنة في الرياح مع ثالثة عوامل أساسية.. أول هذه العوامل هو س رعة الرياح.. وفي الواقع ال تتناس ب الطاقة الكامنة في الرياح طرديا مع س رعة الرياح فقط.. بل تتناس ب طرديا مع مكعب سرعة هذه الرياح!! وبحسبة بسيطة ميكننا بس هولة اس تنتاج أنه إذا ما كانت سرعة الرياح في موقع ما ضعف سرعتها في موقع آخر.. فإن الطاقة الكامنة احملتواة في رياح املوقع األول ستزيد ثمانية أضعاف عن تلك الكامنة في رياح املوقع الثان ى األبط أ. ومن هنا يتبني لنا أهمية الس عى للتعرف على املواقع األعلى في س رعات الرياح ورسم خرائط لها. ثان ي ه ذه العوامل هي كثافة الهواء.. وه ي عالقة طردية.. ويعني هذا ببس اطة أنه كلما كان املوقع أبرد في درجات احلرارة كلما زادت كثافة الهواء به وكلما زادت الطاقة احملتواة في الرياح املارة به.. والعكس صحيح. ثالث هذه العوامل هي املس احة الدائرية التي سيمر خاللها الهواء عبر التربينة.. أي مساحة دوران ريش تربينة الرياح نفس ها. وهذه املس احة الدائرية تتناس ب بالطبع مع مربع طول ريش ة التربينة -التي متثل نصف قطر املس احة الدائرية-.. وهذا يفس ر لنا س بب الس عي الدائم نحو تكبي ر احجام التربينات ونحو الس عي إلى زيادة أطوال ريش التربينات وبالتال ي زيادة أقطار دوران ريش التربينات. 10

13 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة الطاقة فى الرياح = )سرعة الرياح( x 3 مساحة دوران الريش x كثافة الهواء ½ x ρ A V 3 P/(RxT( = كثافة الهواء P - الضغط )Pa( R - الثابت النوعى للغازات )287J/kgK( T - درجة حرارة الهواء )K( = π r 2 املساحة السرعة اللحظية )وليست السرعة املتوسطة( kg/m 3 m 2 m/s معرفة سرعة الرياح ضرورية وحرجة لتقييم الطاقة املتاحة ما هو معامل السعة عادة ما يبحث املتخصصون في مجال طاقة الرياح عن مؤش ر هام لكل موقع يس مى ب»معامل السعة«أو ال Capacity Factor وللتبسيط ميكننا فهم مؤشر»معامل السعة«كنسبة الطاقة الكهربية الفعلية امل ن ت ج ة من محطة رياح ما.. مقارنة مبا كانت س وف تنتجه وهي تعمل بكامل طاقتها طوال العام. حيث أن سرعات وإجتاهات الرياح من املتغيرات دائما ألي موقع! تبسيطات مفيدة 11

14 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح ماذا تقول أهم الدراسات واألحباث يف جدوى استغالل طاقة الرياح لقد قام الباحثون بجامعة ستانفورد األمريكية بإجراء تقييم لسرعات الرياح على مستوى العالم وعل ى ارتفاع 80 مترا من س طح األرض.. واتض ح أن نحو 13% من مس طحات العالم متر عليها س رعات رياح أعلى من 6,9 م/ث!! وهو احلد الذي ي عتبر عادة أقل حد مناس ب لتوليد الكهرباء من الرياح على نحو اقتصادي! واتضح أيضا أنه باستغالل 20% فقط من هذه الطاقة سيتم سد أكثر من س بعة أضعاف احتياجات العالم الكهربية!! كما أشارت إحدى الدراسات الهامة التي أ جريت ف ي أملانيا عام 2003 أن اإلمكانيات الفني ة والتكنولوجية احلالية إلنتاج الكهرباء من طاقة الرياح عامليا برا وبحرا تس تطيع نظريا توليد نحو 278 ألف تير اوات س اعة س نويا.. وذلك بعد استبعاد األراض ي احلضرية والغابات واحملميات واملناطق الثلجية والكثب ان الرملية وغيرها من األراضي غير الصاحل ة.. وبافتراض االس تفادة فعليا من 10 إل ى 15% فقط من هذه الطاقة فس يمكن توليد نحو 39 ألف تير اوات س اعة س نويا! وهو ما يزيد على ضعف احتياجات العالم حاليا من الطاقة الكهربية!! وق د أطلقت ش ركة 3TIER األمريكي ة العاملة في مج ال تقنيات طاقة الري اح برنامج طموح لرسم خريطة توزيع كثافة طاقة الرياح عامليا..Mapping the World وهي التي تظهر في الشكل السفلي. وذلك بدعم من برنامج األمم املتحدة للبيئة الذي غطى 13 دولة نامية. 12

15 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة طاقة الرياح يف عاملنا العربي في عاملنا العربي تعد طاقة الرياح الفاعلة متركزة بش كل أو بآخ ر ف ي مناط ق بعينها.. وليس ت متوفرة في كل مكان وبالرغم من هذا فإن شبكات الكهرب اء القائمة وتوس عاتها اخملططة قد تتيح نقل ه ذه الطاقة من مواق ع توليدها إلى أماكن احتياجه ا. ويوجد لدى عدد م ن دول املنطقة إما أطلس للرياح أو خرائط توضح س رعات الرياح في املناط ق اخملتلفة واملثير في هذا أن الكثير من تلك املواقع تتميز بري اح ذات خصائص رائعة من حيث إمكانية استغاللها إلنتاج الكهرباء. الدولة اجلزائر البحرين مصر العراق األردن الكويت لبنان ليبيا معامل السعة )%( الدولة املغرب عمان قطر السعودية سوريا تونس اإلمارات اليمن معامل السعة )%( جدول )3( متوسطات معامل السعة بالدول العربية فدول مثل مصر واملغرب وعمان لديها مواقع بها متوسط سرعات رياح سنوي يتراوح ما بني 9 و 11 مترا في الثانية.. و»مبعامالت سعة«تتجاوز حاجز ال 30% سنويا وذلك مقارنة مبتوسط عاملي يتراوح ما بني 20 و 25%!! وكذلك توجد العديد من املواقع بها متوسط سرعات رياح سنوي يتراوح ما بني 7 و 8 مترا في الثانية.. وهي تصلح أيضا إلنتاج الكهرباء. ويوضح اجلدول رقم )3( املتوسط السنوي ل»معامالت السعة«بالدول العربية قمت بتقديرها إستنادا على دراسة منشورة من برنامج األمم املتحدة اإلمنائي حول وضع الطاقة املتجددة في منطقة الشرق األوسط وشمال إفريقيا. مناذج من اطلس الرياح واخلرائط املتوفرة ببعض الدول العربية 13

16 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح تطور تقنيات استغالل طاقة الرياح من املعروف أن تربينات الرياح احلديثة ت س ت خدم لتحويل طاقة الرياح احلركية إلى طاقة كهربية.. ويت م ذل ك من خالل ت س ب ب تدفق اله واء في تدوير مجموع ة من الري ش Blades ذات تصميم»إيروديناميك ي«إنس يابي يش به كل منها إلى حد كبي ر جناح الطائرة.. وه ذه الريش مرتبطة مع ا في»ص رة«Hub فيما يش به املروح ة.. والتي تدير بدورها عامود مح وري يغذي مولد كهربي Generator بالطاقة احلركية الالزمة لتوليد الكهرباء.. ويتم ذلك عبر وس ائل نقل حركة مناسبة متضمن ة أعمدة إدارة وصندوق تروس Gear box في معظ م األحوال.. وتكون هذه املكونات داخل حاوية»بدن«Nacelle مثبتة أعلى برج اس طواني معدني مثبت بدوره على قاعدة خرسانية. كما تض م احلاوية أيضا وس ائل للحماية والفرام ل Brakes وبعض معدات التحك م األخرى وكذلك 14

17 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة محول التيار الكهربي Transformer الالزم لنقل التيار املتولد وربطه بشبكة الكهرباء احمللية. كما أنها حت ول األحمال الهيكلية structural loads الت ي تق ع عليه ا من الري اح أو نتيج ة احل ركات امليكانيكي ة والع زوم التي حت دث في قلبه ا إلى البرج الذي تتصل به من أس فلها.. ويقع بينهما نظ ام لتوجيه احلاوي ة والري ش Yawing System إلى اجتاه الرياح لضمان االستفادة بأكبر ق در ممكن م ن طاقتها. وق د ي ثبت في أس فل ب رج التربينة نظ ام التحكم والتش غيل واملراقب ة ألداء التربينة. وميكن أن تختل ف ارتفاع ات األبراج لنف س ط ر ز التربين ة مما يؤدي إلى احلص ول على طاقة أكب ر.. حيث تزداد س رعة الري اح كلما زاد ارتفاع برج التربينة! ومن أحد أكبر تربينات الرياح التجاري ة في العالم حالي ا تربينة 126-E..Enercon وه ي تربينة أملانية تولد 6 ميج اوات م ن الطاقة وتعتزم ش ركة Enercon رفعها إل ى 7.5 ميجاوات. ويبلغ ارتفاع مركز دوران الصرة Hub اخلاصة بها 135 مت را.. ويبل غ قطر دوران ريش ها 126 مت را.. وأقص ى ارتفاع له ا متضمنا قمة الريش 198 مترا. إن جميع تربينات الرياح احلديثة التي مت وصفها واحلديث عنها تسمى تربينات الرياح»أفقية احملور«ويرم ز إليها ب HAWTs وهي اختصارا ل.Horizontal Axis Wind Turbines حيث أن محور دوران الصرة Hub التي حتمل الريش هو احملور األفقي املوازي لسطح األرض. وهي التربينات األكثر شيوعا ونضج ا تصميمي ا مقارنة بنوع آخ ر كان مجاال للبح ث والتطوير على نطاق واس ع في حقبة 15

18 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح الثمانينات من القرن املاضي.. وهو تربينات الرياح»رأسية احملور«VAWTs وهي اختصارا ل Vertical..Axis Wind Turbines حيث يكون محور دورانها عموديا على مس توى س طح األرض! ولم ت ث بت التربينات رأس ية احملور القدرة على املنافس ة جتاريا في املشروعات الكبرى وإن كانت لها تواجد في املش روعات والتطبيق ات الصغيرة... ويرج ع مت ي ز التربينات أفقية احملور إل ى كونها ذات معامالت حتويل طاقة أعلى.. كما أنها أكثر اس تقرارا من ناحية حتمل التعرض لألحمال واإلجهادات.. وميكن تطوير تربينات ذات قدرات كبيرة نسبيا منها. جدي ر بالذكر أنه م ن الناحية النظرية فإنه ال ميك ن ألي تربينة رياح االس تفادة بأكثر من حوالي 59% م ن الطاقة املتاحة بالرياح.. وتقل الطاقة املنتجة بالقطع عن ذلك إذا ما وضعنا في االعتبار كفاءة حتوي ل الطاقة عبر املكونات اخملتلفة للتربينات مثل الري ش وصندوق التروس واملولد واحملول الكهربي ني وغيرها. وتبدأ التربينات عادة في إنتاج الكهرباء عندما تصل س رعة الرياح إلى حوالي 4 متر في الثانية.. وتس مى هذه الس رعة آنذاك ب»س رعة الدخول«Cut-in Speed ومن ثم تزيد الطاقة امل و ل د ة مع زيادة سرعة الرياح حتى تتراوح سرعات الرياح ما بني 10 إلى 14 مترا في الثانية لإلنت اج التصميمي اإلس مى لها Rated Power -مثال تربينة 660 كيل ووات- ثم يظل اإلنتاج في حدود هذه القدرة مع زيادة السرعة.. حتى تصل سرعة الرياح إلى أقصى حد من املمكن أن تتحمله مكونات وأجزاء التربينة من حيث اإلجهادات امليكانيكية.. وهو حد ال 25 مترا في الثانية وتسمى هذه السرعة..Cut-out Speed وعندها يجب استخدام الفرامل وإيقاف التربينة عن العمل فورا!! 16

19 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة أنواع وتصميمات تربينات الرياح أفقية احملور ميكننا التمييز بني تربينات الرياح طبقا لقدراتها كوحدات صغيرة بني 20 وات و 100 ك.وات ووحدات كبيرة ذات قدرات أعلى من ذلك. تربينات الرياح الصغرية.. تصن ف الوحدات الصغيرة في ع دد من القدرات وهي التربينات امليكرو»20 حتى 500 وات«والتي تستخدم في تطبيقات متنوعة مثل شحن البطاريات للسيارات والقوارب الترفيهية ثم التربينات 10-1 ك.وات ميكن اس تخدامها في تطبيق ات مثل ضخ املياه وآخيرا التربينات املس تخدمة في التطبيق ات املنزلية تت راوح قدراتها بني 400 وات و 100 ك.وات لألحمال الكبيرة. ويوضح الش كل مكونات تربينة صغيرة. وللتبس يط على سبيل املثال فإن املنزل النمطي الغربي يستخدم حوالي 10 آالف ك.و.س سنويا )830 ك.و.س شهريا ( وطبقا لسرعة الرياح في املوقع ميكن استغالل توربينة 15-5 ك.و بينما املنزل املتوس ط املصري يس تهلك 300 ك.و.س ش هريا وبافتراض وجود س رعة رياح متوسطة سنويا حوالي 6.5 م/ث فإن توربينة 15 ك.وات ستفي باحتياجاته وميكن أن تكون تربينة الرياح ضم ن منظومة»هجينة«ق د تتضم ن أيضا مول د ديزل أو نظ ام خاليا وبطاري ات مبا يضمن إستمرارية التشغيل في املناطق املعزول ة أو ق د تك ون مرتبطة بالش بكة ف ي حال ة س ماح ش بكات الدولة برب ط مثل هذه الوح دات الصغيرة لإلس تهالك الذات ي أو للبيع لش ركات توزيع الكهرب اء بتعريفة متميزة كنوع من التحفيز للطاقات املتجددة. 17

20 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح تربينات الرياح الكبرية.. ت ص ن ف تصميمات تربينات الرياح التجارية الكبيرة ضمن ثالث فئات رئيسية.. الفئ ة األولى.. التربينات الكالس يكية ذات صندوق التروس متعدد املراح ل التقليدي وتظهر في يس ار الش كل.. وتس مى أيضا بذات»املفهوم الدمنارك ي«.Danish Concept ويق وم فيها عادة صندوق تروس ذو ثالث مراحل بنقل احلركة من عامود الس رعة الرئيسي البطيء -املتصل بالريش- إلى عامود إدارة املولد )األعلى سرعة( ومن ثم تبدأ عملية توليد الكهرباء. الفئة الثانية.. التربينات بدون صندوق للتروس وفيها يتصل عامود السرعة الرئيسي البطيء -المتصل بالريش- مباشرة بقلب مولد ذو حجم كبير متعدد األقطاب يستطيع توليد الكهرباء عند سرعات دوران بطيئة. الفئة األولى.. التربينات الكالسيكية ذات صندوق التروس متعدد المراحل التقليدي وتسمى أيضا بذات»المفهوم الدنماركي«. الفئة الثانية.. هي التربينات بدون صندوق للتروس Gearless Turbines وتظهر في ميني الش كل.. وفيها يتصل عامود الس رعة الرئيس ي البطيء -املتصل بالريش- مباش رة بقلب مولد ذو حجم كبي ر متعدد األقطاب يس تطيع توليد الكهرباء عند س رعات دوران بطيئ ة.. وهي من نفس نوع التربينة األملانية 126-E Enercon أكبر تربينة رياح في العالم اآلن. الفئة الثالثة.. فهي هجني بني التصميمني الس ابقني بحيث تسمح مبولد أصغر وكذلك صندوق تروس أصغر يتكون عادة من مرحلة واحدة. 18

21 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة إن التربينات الكالس يكية ذات التصميم الدمناركي -الفئة األولى- ال ميكن فيها تغيير زاوية حركة ريش التربينة مع تغير سرعات واجتاهات الرياح! وهي تعتمد فقط على التصميم ال»إيروديناميكي«للريش ة الذي يؤدي إلى انفصال الهواء عن سطح الريش عند السرعات العالية غير املرغوب فيها للرياح.. ولذلك تسمى بال.Stall Controlled Turbines ولكن معظم التربينات احلديثة اآلن تعتمد على وجود أنظمة حتكم ميكانيكية وكهربية في الصرة Hub تتيح حتريك زوايا ريش التربينة مبا يس مح بتغيير زاوية استقبال الريشة للهواء املندفع إليها لتعظيم االس تفادة من الطاقة في حالة الس رعات املنخفضة للرياح.. وتخفيضها عند سرعات الرياح القصوى التي ال تتحملها التربينة.. ولذلك تس مى بال.Pitch Controlled Turbines فضال ع ن ذلك فإن التربينات احلديثة ذات تصميمات مولدات متنوعة س واء احلثي ة أو التزامنية منها.. األمر الذي أتاح دورا أكبر لإللكترونيات Power electronic واالرتقاء بجودة وكفاءة الطاقة الكهربية امل ن ت ج ة والثبات النسبي خلصائصها بالرغم من التغيرات الطبيعية في سرعات واجتاهات الرياح. وكم ا ذكرن ا من قبل فإنه يوجد في أس فل ب رج كل تربينة عادة وحدة التحك م Controller في التربين ة والتي هي عبارة ع ن كمبيوتر به أكثر من م ع ال ج دقي ق..Microprocessor كل منها له مجموعة من الوظائف تتضمن برامج ملراقبة األداء لتأمني احلماية الكاملة للتربينة أثناء التشغيل وبرامج جلمع ومعاجلة العديد من القياسات من جهد وتيار وتردد وغيرها من حسابات الطاقة. كما أن هناك برامج لتش غيل دوائ ر الهيدروليك ومراقبة الضغوط وقياس درج ات احلرارة في األماكن الهامة بالتربينة مثل كراس ي التحميل Bearings العمالقة ف ي صندوق التروس واملولد وعمود السرعة البطيئة وملفات املولد وغيرها حلمايتها من التآكل واالنهيار.. وكذلك هناك برامج لقياس س رعة واجتاه الري اح والتحكم في زاويا الريش عن طريق دوائ ر هيدروليكية لتنظيم عملية إنتاج الطاقة.Power regulation ويتم قياس أيضا سرعة دوران عمود السرعة البطيئة والسريعة كما تت م مراقب ة أداء التربينة عن طريق مجموعة من إش ارات التغذية العكس ية وبذلك تعمل كل تربينة كوحدة مس تقلة. وكما يحوي نظام التحكم والتش غيل مجموع ة متطورة من الكروت الذكية الت ي تؤمن فصل وتوصيل التربينة بش بكة الكهرباء احمللية حلماي ة الكابالت واملكونات الكهربي ة مثل الكونتاكتورات والفيوزات بخالف كروت الذاكرة الالزمة لتخزين البيانات والقراءات املتراكمة لكل املتغيرات الفنية. 19

22 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح أي تربينات الرياح خنتار إن املكون الرئيسي حملطات أو ملزارع الرياح هو التربينات.. والبد لنا هنا من التأكيد أن صناعة تربينات الرياح قد رفعت على نحو متسارع من قدرات وأقطار التربينات على مدى السنوات املاضية مما رفع بدوره من اقتصاديات مشروعات استغالل طاقة الرياح كما يظهر في الشكل. وغالبا ما حتصل تلك التربينات الضخمة على شهادات تفيد بقدرتها على العمل عند االرتفاعات والظروف اخملتلفة مبا يتوافق وظروف املواقع التي ست ر كب بها. حيث تعد تربينات الرياح أفقية احملور حاليا هي أكبر اآلالت الدوارة في العالم!! فاملسافة بني طرفي جناحي أكبر طائرة ركاب في العالم وهي ال Airbus A380 حوالي 80 مترا.. في حني أن التربينة التي قدرتها 6 ميجاوات يبلغ قطر دوران ري ش ها 126 مترا.. ويرتفع برجها إلى نحو 138 مترا.. أي أن أقصى ارتفاع لطرف الريش ة يصل إلى إرتفاع كلي يبلغ حوالي 200 متر من قاعدة البرج!! تطور قدرات التربينات وأقطارها 20

23 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة مقارنة بين تربينة الرياح والسيارة في موقع جيد من حيث س رعات الرياح ستنتج تربينة مثل التي أشرنا إليها منذ قليل حوالي 12 مليون كيلووات س اعة من الطاقة الكهربائية س نويا.. وهو ما يكفي لتوفير احتياجات أكثر من ألفي منزل مبس تويات املعيش ة األوروبية من الطاقة! مع العلم بأن التربينات تصمم ليصل عمر تش غيلها إلى عشرين عاما! أي أن زمن تش غيلها الفعلي سيربو على مائة وعشرين ألف ساعة تقريبا!! وعند املقارنة بالس يارة مثال س نجدها تقطع في عمرها التش غيلي االفتراضي حوالي 300 ألف كيلومترا.. ومبتوس ط سرعة يبلغ حوالي 60 كيلومترا في الساعة.. أي أنها ستعمل في النهاية ملدة حوالي خمس ة آالف س اعة فقط!! وبهذا ميكننا تصور مستوى الدقة والتكنولوجيا املطلوب لتصميم وتصنيع تربينات الرياح مقارنة بالسيارات مثال. ولكن السوق العاملي يزخر حاليا بالعشرات من مصنعي تربينات الرياح.. ولذلك من الضروري احلذر واحليطة عند البدء في اختيار التربينات إلنشاء مزارع الرياح.. حيث أن سوء التقدير في هذا الشأن س يترتب عليه مخاطر جمة منها انخفاض إنتاجي ة وكفاءة التربينة أو حتى توقفها عن العمل! وبالتال ي عدم إنتاجها الطاقة الكهربية املتوقعة منها وإنخفاض العائد االقتصادي املرجو منها.. فضال ع ن اجملهود والوقت والتكالي ف امل ت ك ب دين في عمليات الصيان ة واإلصالح غير اخملطط لها وأيضا الغرامات واجلزاءات املترتبة على عدم الوفاء بااللتزامات التعاقدية وغير ذلك مما قد يسهل أو يصع ب تصوره. ولذلك أرى ضرورة مراعاة بع ض االعتبارات الهامة عند البدء في اختيار التربينات لبناء مزارع الرياح.. وهي اعتبارات استخلصتها من مشاركتي العملية في العديد من املشروعات الكبرى.. وميكن إيجاز أهمها فيما يلي: االعتبارات اهلامة الواجب مراعاتها عند البدء يف اختيار تربينات الرياح! )1( س رعات الري اح.. حيث تصنف التربين ات لفئات Classes طبقا لس رعات الري اح التي من املفترض أن متر عليها حيث يتم حتديد فئات الرياح - طبقا ملواصفات للجنة الدولية الكهروتقنية IEC طبقا لثالث عوامل أساس ية هي متوس ط س رعة الرياح باملوقع V ave وسرعة أقصى V 50 ونس بة االضط راب»االنحراف املعياري«في تغير س رعة الهواء عاصف ة على مدى 50 عاما I 15 وتقاس كل السرعات عند مستوى إرتفاع محور دوران الريش منسوبة لسرعة قياسية 15 م/ث 21

24 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح hub height وتصن ف التربينات طبقا للس رعات في خمس فئات يرمز له ا باألرقام الالتينية من واحد I وحتى خمسة IV بينما ينسب مستوى االضطراب لفئتني هما A و B ومن البديهي احلاجة إلى أن تكون التربينة»أقوى«ميكانيكيا وكهربيا كلما زادت السرعات املتوسطة والقصوى ولكن البد أيضا من مالحظة أن مستوى االضطراب يلعب دورا هاما في تصميم التربينات حيث كلما زاد مستوى االضطراب كلما كانت األحمال واإلجهادات التصميمية أكبر ولهذا البد من حتديد مستوى االضط راب باملوقع )طبقا لتغيرات الس رعة احلقيقية( وبالتالي حتديد نوع التربينة املناس ب لها ويوضح اجلدول ملخصا للسرعات املتوسطة والقصوى ونسب االضطراب املعمول بها. ونالحظ أن التربينات املصممة لفئات سرعات متوسطة ومنخفضة II( وما دون ذلك( وفئات إضطراب B تكون متعرضة ألحمال أقل لذا ميكن تصميمها بأقطار وارتفاعات أكبر متكنها من اقتناص أكبر قدر من الطاقة عند مستويات السرعات املتوسطة واملنخفضة. WTG Class I II III IV V ave average wind speed at hub-height (m/s) V 50 extreme 50-year gust (m/s) I 15 characteristic turbulence Class A 18% I 15 characteristic turbulence Class B 16% وتتميز بعض املواقع في املنطقة العربية بتوافر س رعات رياح عالية يصل متوس طها الس نوي في بعض املناطق إلى ما يزيد عن 10 م/ث األمر الذي يس تلزم أن تكون التربينات مصممة للعمل في ظروف الس رعات العالية وتتحمل اإلجهادات الناش ئة عن ذلك وهي بذلك تتعدى مواصفات تربينات الفئة األولى IEC Classs I قد يستلزم األمر فضال عن كون التربينات حاصلة على شهادة من جهة دولية كتربينة من الفئة األولى أن يتم احلصول على شهادة للعمل في ظروف املوقع Site.Specific Certification )2( خصائص املوقع.. هناك العديد من العوامل املؤثرة في إختيار املواقع أهمها كما أوردنا سرعات الرياح ونس ب اإلضطراب في س رعات الرياح باملوقع وكذلك طبيعة طبوغرافيا وتضاريس املوقع والتي تؤثر في توزيع التربينات وكلما كان املوقع ذو طبيعة منبسطة وابرد مناخا كلما كان أنسب ملش روعات الرياح وتعد طبيعة املناطق احمليطة مبوقع املش روع ذات أثر بالغ في إرتفاع أو انخفاض سرعات الرياح باملوقع إذ أن زيادة السرعة مع اإلرتفاع )التوزيع الرأسي للرياح( تقل مع زيادة خشونة الس طح ويعد أفضل األسطح على اإلطالق األس طح املائية حيث اخلشونة منعدمة تقريبا ثم 22

25 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة املواقع املفتوحة التي ليس ت بها غابات أو جتمعات س كنية قريبة!! وال يخفي على أحد أن مناخ أهم املواقع املناس بة إلقامة مش روعات الرياح في الدول العربية تس ود به درجات حرارة عالية مما يس تلزم ق درة التربينة على العمل بكف اءة عند 45 درجة مئوية أو أعل ى! وليس 40 درجة مئوية كحد أقصى كما هو معتاد في املواصفات العاملية!! لذا عادة ما تقوم الش ركات الكبرى املصنعة لتربينات الرياح بإنتاج طراز معدل خصيصا ليتناس ب مع املناطق الصحراوية احلارة Hot Climate.Version حيث أن طبيعة املواقع الصحراوية تفرض على املصممني أن تكون التربينات املركبة بها معزول ة ضد الرمال ومصمم ة حلماية مكوناتها الداخلية من الرم ال واألتربة التي من املتوقع أن حتملهما الرياح إلى أعلى وبكثافة في مثل هذه املواقع الصحراوية ذات البيئة القاسية. ومن اإلعتبارات األخرى التي يجب االلتفات إليها تلك اخلاصة بوقوع بعض مواقع الرياح في مسارات هجرات الطيور املوسمية والسنوية!! األمر الذي يفرض على املصممني حتديد إرتفاع معني ال يجب أن تتج اوزه التربين ات حتى ال تصطدم بها أس راب الطي ور.. وأيضا أخذ تدابي ر إحترازية إضافية لضمان عدم جذب مثل تلك الطيور املهاجرة إلى مواقع الرياح منها مثال إزالة املسطحات اخلضراء ذات الثمار أو احلبوب أو املسطحات املائية احمليطة مبزرعة الرياح. )3( س ابقة خب رة التربينات.. حيث أنه من األفض ل احلرص على أن تك ون التربينات املرغوب في تركيبها قد مت تشغيلها وجتريبها بنجاح على نطاق جتاري.. وذلك من خالل تقدمي معلومات معتمدة من جهات رس مية تثبت أن نفس نوعية التربينة املقترحة للمش روع قد عملت بنجاح لعدد من السنوات تتراوح بني عام و 3 سنوات في مشروعات جتارية بإتاحية ال تقل عن 95%. )4( البنية التحتية األساس ية الالزمة.. مثل توافر وانتش ار شبكات توزيع الكهرباء في نطاقات معقول ة. وأيضا مالئم ة الطرق احمليط ة واملؤدية للمزرع ة لعمليات نقل املكون ات ذات األقطار واألط وال واألوزان الكبيرة للتربين ات. وكذلك ضرورة توافر األوناش الضخم ة اخلاصة والتقليدية إلجن از أعمال التركيب ات والصيانة.. حيث يس تلزم تركيب التربينات ذات الق درات العالية أوناش ضخمة وخاصة وخبرات تش غيل معينة لتل ك األوناش قد تكون غير متوف رة بالعديد من الدول العربي ة!! وأيض ا ما يرتبط بتلك األوناش م ن عمليات نقل وتركيب وصيان ة وأطقم عمل مدربة للعمل عليها.. مع العلم بأن مسئولية إتاحة مسألة األوناش بتفاصيلها تقع على الشركة التي تتولى إقامة وتشغيل املشروع. 23

26 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح مزارع الرياح.. نظرة متفحصة إن تعبي ر مزرع ة الرياح أو محط ة إنتاج الكهرباء من الري اح ي طلق عندما تتواف ر مجموعة من تربين ات الرياح في مكان واحد.. ويتم توصيل هذه التربينات س ويا لتول د الطاقة الكهربية التي تنق ل عبر خطوط النق ل والتوزيع للمس تهلكني. هذا ويت م حتديد مواقع التربين ات على أرض املش روع بناء على دراسات تتم باستخدام برامج كمبيوتر خاصة تعتمد في قرارها على خصائص املوقع الطبوغرافية والعوائق وطبيعة األرض وس رعات واجتاهات الرياح ومدى تغيرها بحيث تكون املزرعة ككل قادرة على توليد أكبر قدر سنوي ممكن من الطاقة الكهربية. طريقة توزيع وربط الرتبينات يف مزارع الرياح ت وض ع التربين ات متراص ة ف ي صفوف تواجه وتكون عمودية على إجتاه الرياح الس ائد معظم أوقات العام على أن يفصل بني كل تربينة والتربينة التي تليها مس افة تبلغ ما بني ثالثة إلى خمسة أمثال قطر التربينة! وكذلك يفصل بينها وبني نظيرتها ف ي الصف التالي املوازي مس افة تبلغ عادة ما بني س بعة إل ى عش رة أمثال القط ر. ويرجع الس بب في ت رك تلك املس احات حول التربينات إلى إعطاء الفرصة للري اح لتعوي ض االنخف اض في س رعاتها نتيج ة اصطدامه ا بالتربين ات ولتقلي ل االضطرابات الدوامية الناجتة عن ذلك أيضا. 24

27 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة كل تربين ة ت و ص ل عن طري ق احملول رافع اجله د اخلاص بها -ال ذي إما أن يكون بجان ب أو بداخل برجه ا- وذلك لربطها بالش بكة الكهربية ومن الش ائع في مصر مث ال أن يكون جهد هذا احملول الراف ع للجه د 690 فول ت/ 22 كيلو فولت ويتم رب ط محوالت كل مجموعة م ن التربينات من جه ة جهد ال 22 كيلو فولت مع بعضها البعض.. ثم يتم جتميعه م على محول م ج م ع ومنه إل ى خاليا الربط مبغذي ات محطة احملوالت. وعادة يجب أن يراعى أال تزيد قدرة التربينات اجملمعة عن 15 ميجاوات على املغذي الواحد.. وذلك للتقيد بس عة خالي ا الربط مبحطة احملوالت وكذلك قطر كاب الت تغذية الش بكة الكهربية. وال يوج د فارق جوهري في مواصفات احمل ول اجمل م ع عن محول التربين ات أو مح ول نهاي ة اخلط إال في عدد س كاكني الربط.. كما أن احمل والت اجمل م عة يكون بها حماي ات أخرى مثل احلماية م ن التيار الزائد.Over Current ويتم توصي ل التربينات بنظام حتكم ومراقب ة CMS مركزي يضم عددا من أجهزة احلاس بات واحملتوي ة على برامج خاصة موضوعة في غرفة حتكم Control Room وترتبط احلاس بات بوحدات جتميع بيانات سرعات واجتاهات الرياح من محطات األرصاد باملوقع كما ترتبط احلاسبات بوحدات التحكم في التربينات -السابق وصفها- واحملوالت عن طريق كابالت ألياف ضوئية Fiber Optics أو كابالت نحاسية.. وكل مجموعة من التربينات متصلة معا يتم توصيلها بكابل بيانات Data Cable واحد بحيث تكون متصلة معا كدائرة بيانات واحدة. جدير ويتم من خالل النظام احلصول على بيانات الطاقة الكهربية املرس لة واملس تهلكة وميكن إخراج مختلف أنواع التقارير مثل تقارير اإلنتاج واألعطال س واء لتوربينة أو ملشروع حيث يتم جمع البيانات املتوسطة والعظمى والصغرى في خالل فترات معينة )غالبا كل عشر دقائق( وتخزينها بقاعدة بيانات لعمل التقارير اليومية والش هرية والس نوية وخالل فترة زمنية مختارة واعتمادا على تلك التقارير يتم استخراج أهم املؤشرات الفنية لألداء. ويوضح الشكل التالى شبكة اإلتصاالت والربط ألحد املشروعات مبدينة الزعفرانة املصرية. 25

28 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح وميك ن عبر نظام التحكم واملراقبة املرك زي اختيار تربينة وفصلها أو تش غيلها عن بعد وإظهار مختل ف البيان ات عنها مثل فول ت وتيار وتردد ومعام ل القدرة والقدرة املولدة ويتم اس تعراض البيانات التراكمية للتشغيل والتي مت تخزينها في وحدة التحكم اخلاصة بها مثل الطاقة املولدة واملس تهلكة ذاتيا عند بدء تشغيل التربينة وعدد ساعات التشغيل وكذلك درجات احلرارة وغيرها من املتغيرات. مثال لبيانات إنتاج حلظية ودرجات حرارة األجزاء الهامة و بيانات حالة شهرية بنظام التحكم واملراقبة كم ا ميك ن عادة من خالل نظام CMS إظهار اخملطط العام ملزرع ة الرياح ككل أو لصفوف محددة وحالة التربينات س واء كانت تعمل او متوقفة نتيجة خطأ أو متوقفة صيانات أو طوارىء أو هناك فقد في التوصيل مع غرفة التحكم ويكون غالبا تغير لون التربينة على الشاشة موضحا حلالتها كم ا ميكن إظهار حالة احملوالت من حيث الفصل او التوصيل ومعرفة مكان العطل في الش بكة الكهربي ة واختي ار توربينة أو مجموعة توربينات متصلة مبغذي معني وفصلها أو تش غيلها عن بعد. صيانة مزارع الرياح ي ت و قع من مش روعات مزارع الرياح عمر تش غيلي في حدود 20 عام ا! ولن يتحقق ذلك إال بالقيام بأعمال التشغيل والصيانة على الوجه األكمل.. وطبقا ملرجعيات رئيسية هي تعليمات وإرشادات اجلهات املصنعة ملكونات املزرعة.. وذلك إلى جانب اخلبرات الهندس ية التشغيلية في ضوء ظروف املوقع اخلاصة أو املتغيرة إن و جدت! وعادة ما ت صنف أنواع الصيانات اخملتلفة إلى ثالث فئات رئيسية ميكن إيجازها فيما يلي: 26

29 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة الصيانة الوقائية :Preventive Maintenance وهي بناءا على برامج مخططة Time based طبقا لتعليمات الش ركات املصنعة محدد فيها أنواع وتوقيتات أعمال الصيانة اخملتلفة )ربع س نوية - نصف سنوية - سنوية - كل خمس سنوات( مع مراعاة إجراءها في فترات انخفاض سرعات الرياح والتنسيق مع شركة نقل الكهرباء وتتضمن صيانات األكشاك واحملوالت )نظافة - اختبارات أجهزة قياس ووقاية - وحدات التكييف -...( وصيانات لوحات حتكم التربينة )كش ف على الس كاكني - املفاتيح - الكونتاكتورات - خطوط Bus bar مكثفات -...( وصيانة حاوية املكونات Nacelle )تعزمي رباطات - صيانات دوائر الزيت لصندوق التروس ونظام الهيدروليك واملراكم - كراس ي التحميل...( وغسيل الريش. الصيان ة التصحيحي ة :Corrective Maintenance وهي تعتمد عل ى إصالح األعطال املفاجئة Problem solving based حي ث يت م م ن خ الل النظام حتري أي ة أعطال فجائي ة أو قراءات غير طبيعية في التربينات أو اخلطوط - األكشاك - احملوالت ومتابعة تطورها واتخاذ اإلجراء املناسب. الصيانة التنبؤية :Predictive Maintenance من خالل القياس واملراقبة Monitoring based حيث يتم تطبيق نظام للصيانة التنبؤية من خالل قياس ات االهتزازات واالتزان وحالة كراسي التحميل وقي اس درج ات حرارة مختلف املكونات عن بعد باس تخدام أحدث األجه زة املتخصصة وبصفة دورية مبا ميكن من الكش ف املبكر عن األعطال وحتديد أسبابها وتالفي تكرارها وتوفير االحتياجات من قطع غيار ومعدات وأجهزة وعمالة في األوقات املناسبة. وميك ن نظ ام التحك م واملراقبة أيض ا من التع رف على حالة التوق ف نتيجة عطل م ا وإعادة التش غيل ع ن بعد Reset لبعض ألعطال م ن داخل غرفة التحكم وميكن إظهار س جل بتاريخ أعطال التوربينة وكذلك سجل بحاالت التشغيل والتوقف ملحوظة هامة على غير ما هو ش ائع ومتوقع.. ال يس تلزم عند حدوث كل عطل إيقاف التربينة أو صف التربينات املرتبطة معا وإيفاد طواقم الصيانة عبر املس احات الشاس عة إلصالحها! -حيث تقع مثال مزارع رياح الزعفرانة في مصر على مس احة 156 كيلو مترا مربعا!!- ويبرز هنا دور خبرة التش غيل التي تكلمن ا عنها وك ذا دور نظام التحكم واملراقب ة املركزي في التعرف بدقة على مدى س وء حالة 27

30 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح التربينة وعلى س بب توقفه ا نتيجة عطل ما.. ويتم بعدها كيفية إعادة تش غيلها عن بعد -إن أمك ن- بعمل Reset لبع ض األعطال من داخل غرف ة التحكم.. كما يتم إظهار س جل بتاريخ أعط ال ه ذه التربينة وكذلك س جل بفترات تش غيلها وتوقفها! ويوضح اجل دول التالي أمثلة لبعض أنواع تلك األعطال. نوع العطل أعطال يتم إعادة التشغيل فيها أتوماتيكيا عن طريق النظام أعطال يقوم املشغل بإعادة التشغيل فيها من غرفة التحكم بعد التأكد من أمان التشغيل من طاقم اإلصالح عند التربينة أعطال ال يجوز إعادة تشغيل التربينة عن بعد للخطورة أمثلة أعطال تذبذبات الشبكة )اجلهد - التردد - التيار( - حيث يعاد التشغيل تلقائي إذا ما استقرت الشبكة أعطال درجات حرارة لوحات التحكم والزيوت )نتيجة استمرار سرعات الرياح عالية لفترات أيام متصلة والتحميل لفترت طويلة( - حيث يستعاد التشغيل تلقائيا عند برودة األجزاء اإليقاف اليدوي نتيجة الصيانات أعطال فقد االتصال بغرفة التحكم بسبب ارتفاع درجة حرارة وحدة تغذية اجلهد بدوائر األلياف الضوئية أعطال وحدة التحكم اخلاصة بالتربينة مثل انعدام االستجابة لبعض األوامر وأخطاء احلسابات. درجات حرارة الكراسي وامللفات ضغوط الزيت في دوائر الهيدروليك وانسداد الفالتر األعطال امليكانيكية اجلسيمة. 28 األراضي وقدرات مزارع الرياح بوجه عام هناك منوذجني رئيس يني من مشروعات طاقة الرياح املتصلة بش بكات الكهرباء في جمي ع أنحاء العالم النموذج األول ه و إقامة مزارع الرياح الكب رى large scale والتي تضم قدرات كبيرة )عش رات أو مئات امليج اوات( أما النموذج الثاني فه و املش اريع الصغي رة التي تت راوح قدرتها ب ني 1 حتى 50 ميجاوات. وف ي معظم أنحاء أوروبا حتى اآلن فإن املش روعات املقامة عادة من النموذج الثاني. على سبيل املثال في الدمنارك يطل ق تعبير مزرعة الرياح على أي مش روع ب ه أكثر من ثالث تربين ات الرياح. هذا الش كل من إقامة املش روعات والس ائد في أوروب ا يعود في جزء منه إلى هي كل ملكية األراضي حيث معظ م املواقع األوروبية البرية هي ذات كثافة س كانية عالية الري اح ومج زأة من حي ث امللكي ة وتوجه املواطن ني وصغار

31 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة املس تثمرين نحو اإلس تفادة من دعم الطاقة املتجددة الذي تقدمه احلكومات مبا أدى إلى نش أة العديد من املش روعات الصغيرة التعاونية وتركيب مجموع ات التربينات من قبل املزارعني وحفز هذا االس تثمار مجموعة من السياس ات والقوان ني التي أتاحت ملنتجي الكهرب اء من الطاقات املتجددة احلصول على أس عار مميزة لتلك الطاقة. هذا ال يعني أن املش اريع الكبرى الرياح ليس ت موجودة في أوروبا ولكنها ليست الغالبة فهناك عدد على املشاريع الكبرى في بلدان مثل اململكة املتحدة واسبانيا والبرتغال ورومانيا. ويغلب منوذج املشروعات الكبرى في أمريكا الشمالية والصني وهي عادة من ميجاوات وتوجد أضخم مزرعة رياح بالعالم في والية تكساس األمريكية وتشتمل على 421 تربينه بقدرة مركبة 735,5 ميجاوات وتهدف الوالية اآلن إلى استثمار نحو 4,9 مليار دوالر إلنش اء خطوط نقل كهرباء ضخمة تتس ع للطاقة املولدة من محطات رياح حتى 18 أل ف ميجاوات وهي طاقة تكفي أكثر من 4 ملي ون منزل بالواليات املتحدة. بينما تخطط الصني إلقامة ستة مناطق كبرى لطاقة الرياح تسع كل منها حتى 10 أالف ميجاوات. وبالنسبة للعالم العرب ي فيغلب منوذج احملطات الكبرى أيضا حيث مثال توج د في منطقة الزعفرانة املصرية أكبر مزرعة رياح في إفريقيا والش رق األوس ط بقدرة 545 ميجاوات وكذلك هناك عدد من املشروعات الكبرى املقامة في املغرب وتونس واخملططة في عدد أخر من الدول العربية. تكامل دمج طاقة الرياح مع شبكات الطاقة الكهربائية بالطبع يعتمد إنتاج طاقة الرياح على التغيرات املناخية.. لذلك فإن دراسة ومعرفة هذه التغيرات والتنبؤ بها يعد ش يئا ضروريا من أجل دمج الطاقة الكهربية امل نت ج ة من طاقة الرياح مع شبكة الكهرباء املدنية بدقة وكفاءة! إن تدفق ات الكهرب اء في الش بكات هي باألصل متغي رة.. وتتأثر هذه الش بكات بعدد كبير من العوامل سواء اخملططة أو غير اخملططة! ولكنها ص م م ت لكي تتعامل مع هذه التغيرات من خالل أنظم ة وجتهي زات مراكز التحكم والتوزي ع واالحمال! ونتيجة لوجود املئ ات أو اآلالف من تربينات الري اح املدمجة مع الش بكة الكهربائية.. ف إن طاقة مزارع الرياح ال ت خ ر ج من ش بكات التغذية الكهربائي ة فجائيا مثلما يحدث مع محطات التوليد الكبيرة بس بب ح دوث عطل ما.. ولكنها حت دث تغيرات متدرجة صعودا وهبوطا وفق حالة الرياح! 29

32 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح تطور تقنيات التنبؤ بالرياح نتيجة للتكنولوجيا احلديثة واألقمار الصناعية ووسائل االستشعار عن ب عد أصبح التنبؤ بأماكن الرياح وس رعاتها واجتاهاتها على درجة عالية من الدقة بالنس بة للمزارع املوزعة على مساحات كبي رة! وأيضا باالعتم اد على حتليالت األرصاد اجلوي ة ومناذج رياضية وحتلي الت إحصائية صار من املمكن التنبؤ بالرياح بدءا من خمس دقائق وحتى 72 ساعة مقدما بدقة عالية!! فقد أصبحت نسبة اخلطأ في التنبؤ بإنتاج مزارع الرياح املنفردة تتراوح من 10% إلى 20% ملدى تنبؤ يبلغ 36 ساعة!! أما بالنسبة للمزارع امل و ز عة على مستوى إقليمي فقد أصبحت نسبة اخلطأ 10% ملدى تنبؤ يبلغ 24 ساعة.. وأقل من 5% ألربع ساعات مقبلة! ويوضح الشكل التالي نظام التنبؤ الذي تقدمه إحدى الشركات العاملية! ولألسف لم يتم استخدام أيا من أنظمة الرصد والتنبؤ بتغيرات سرعات واجتاهات الرياح وتوقعات الطاقة الكهربية امل نتجة منها في أي من الدول العربية حتى اآلن!! لق د أثبتت اخلبرات العاملي ة في مجال طاقة الري اح أن أنظمة وطرق التحك م املتاحة والعاملة بالفعل في محطات الرياح املتطورة واحلديثة اآلن هي أنظمة مالئمة للغاية من أجل دقة التكيف والتعامل مع مس تويات م س اه مة لطاقة الرياح في ش بكات التوزيع الكهربائية تصل إلى 20% 30

33 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة طبقا لطبيعة النظام! كما أن األنظمة املرنة والتي حتتوي على نس ب م ش ار كة عالية من الطاقة املائي ة والتوليد الغازي ميكن أن ت د م ج معها أيضا مس تويات عالية م ن طاقة رياح دون إحداث أي تغيرات جوهرية بها وبأجزائها! طاقة الرياح واعتماديتها في أوروبا جند أن دولة مثل الدمنارك تفي بالفعل بحوالي ربع احتياجها )24%( من الكهرباء من طاقة الرياح! وأسبانيا )16%(.. والبرتغال )15%(.. وأيرلندا )10,5%(.. وأملانيا )9,4%(. أما إقليميا.. فترتفع هذه النسب في بعض املناطق.. فتصل في النصف الغربي من»الدمنارك«على س بيل املثال أحيانا إلى 100%!! كما أن الش بكة الكهربائية في العدي د من الدول األوروبية مثل أس بانيا والبرتغال حتتوي على مراكز حتكم مركزية مبقدورها التحكم في التربينات التي تش تمل عليها مزارع الرياح وإدارتها بكفاءة وفاعلية!! ويوضح الشكل وضع محطات الكهرباء في أسبانيا والتي حتتوي على مزارع رياح تولد ما ميثل 21% من كافة قدرات محطات التوليد وتسهم في الوفاء بحوالي 16% من الطلب على الكهرباء! 31

34 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح طبيعة الرياح املتغرية.. واحلل عل ى الرغم من التس ليم ب أن طبيعة الري اح املتغيرة تستلزم وجود قدرات حملطات إحتياطية من تكنولوجيات أخرى مس تقرة.. أو وجود ما يس مى بق درات التوازن أو الدعم.. أو تس تلزم اللجوء إلى أنظم ة تخزين للطاقة مثل احملطات املائية للضخ والتخزين Pumped Storage Plants فعلى س بيل املثال فإن ش ركة ايب ردروال وهي اح دى كبريات ش ركات اإلنتاج األس بانية تقيم حاليا املرحلة الثانية من محطة الضخ والتخزين La Muela 2 بقدرة 852 ميجاوات للمساعدة في مواجهة التوسع الكبير في مشروعات طاقة الرياح بأسبانيا!! إال أن الدراس ات واألبح اث أظهرت تواضع مثل هذا االحتياج لق درات التوازن والدعم.. وبالذات مع ترابط شبكات الكهرباء بني الدول فيما يعرف ب»الربط الكهربائي اإلقليمي«! حيث ميكن مواجهة نس ب مش اركة حتى 20% من طاق ة الرياح أو أي خل ل غير متوقع من خالل ق درات احتياطيات محطات توليد الكهرباء املوجودة فعليا في النظام. وتش ير الدراس ات أن التكلفة اإلضافية لبناء وتش غيل قدرات جديدة حملطات التوليد التقليدية ملواجه ة تغي رات الرياح تصل حتى 3 ي ورو/ ميجاوات س اعة منتجة من محط ات الرياح )مثال أس بانيا حيث متوس ط تكلفة التوازن 1.4 يورو/ م.و.س(. وبوجه عام متثل نسبة تكاليف القدرات اإلضافية لنسب املشاركة العالية للرياح نسبة أقل من 10% من تكلفة إنتاج الكهرباء من الرياح وميكن تالفي تأثير ذلك على املستهلك النهائي في ضوء مرونة النظام وباستخدام التنبوء الدقيق واإلدارة اجليدة ألس واق الكهرباء. وكخالصة فإنه لنس ب املش اركة حت ى 20% لقدرات محطات الرياح مقارنة بإجمالي قدرات الشبكة فإن استخدام تكنولوجيات تخزين الطاقة غير ضروري وغير إقتص ادي ملواجهة التغيرات وميكن اس تخدام قدرات احملطات العادية املوجودة بالفعل بالش بكة ملواجهة تلك التغيرات ويعد توزيع محطات الرياح على مس احات جغرافية كبيرة أفضل وس يلة للحصول على مساهمة مستقرة من طاقة الرياح. 32

35 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة السوق العاملي والعربي لطاقة الرياح ش هد الس وق العاملي للطاقات املتجددة عامة ولطاقة الرياح خاصة تطورا كبيرا خالل السنوات األخي رة! فطبقا ألح دث تقارير الوض ع العاملي للطاقة املتجددة الصادر عن ش بكة سياس ات الطاقة املتجددة للقرن احلادي والعش رين الدولي ة Renewable Energy Policy Network for the 21st Century أو REN21 ف ي يوليو 2011 ش هد عام 2010 إضافة حوالي 39 جيجاوات من طاقة الرياح على مس توى العالم! لتصل بهذا الق درات اإلجمالية من طاقة الرياح في العالم إلى 198 جيجاوات في نهاية عام 2010 ومبعدل منو بلغ حوالي 25% مقارنة بالعام السابق! ويوضح الش كل التالي الذي تضمن ه التقرير تطور القدرات امل ر ك بة من طاق ة الرياح في العالم على مدى أكثر من 15 عاما! وقد تنافس ت كل من أملاني ا والواليات املتحدة األمريكية على الريادة ف ي هذا اجمل ال في األعوام األخي رة! ولكن الصني قفزت للري ادة في 2010!! حي ث أضافت مؤخرا ق درات م ن محطات الرياح تقارب 19 أل ف ميجاوات ليصبح إجمالي ق درات محطات الرياح بها 44.7 أل ف ميجاوات احتل ت بها املركز األول عامليا.. ثم أمريكا حوالي 40 ألف ميجاوات.. وأملانيا 27 أل ف ميجاوات.. وأس بانيا 21 ألف ميجاوات.. ثم الهند 13 أل ف ميجاوات كأعلى خمس دول على الترتيب! تطور قدرات الرياح عامليا

36 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح وطبق ا للتقارير والدراس ات األخي رة فإن قدرات التربينات املس يطرة على الس وق العاملي حاليا للمش روعات البرية Onshore wind farms تتراوح ما بني 1,5 و 3 ميجاوات للتربينة.. والتي مت إنتاج آالف الوحدات منها على مستوى اإلنتاج التجاري النمطي. أما التربينات ذات القدرات األعلى والتي ظهرت خالل الس نوات الثالث األخيرة فهي تستهدف بصفة أساسية مشروعات محطات الرياح في البحار واحمليطات Offshore wind farms ويتركز أكبر املصنعني للتربينات في الدامنارك.. أملانيا.. أس بانيا.. الواليات املتح دة.. الصني والهند. ومن أهم الش ركات املصنع ة Vestas الدامناركية.. Suzlon ة.. األمريكي General Electric ني.. األملانيت Nordex و Enercon بانية.. األس Gamesa الهندية.. و Goldwind الصينية وغيرها. أما عن الوضع في العالم العربي.. فت ع د مصر هي الدولة األولى عربيا وإفريقيا في مجال محطات الري اح! وقد احتلت املركز الثاني والعش رين ب ني دول العالم في نهاية 2010 بق درات بلغت 550 ميجاوات! وتلي مصر اململكة املغربية بقدرات 286 ميجاوات ثم تونس بقدرات 114 ميجاوات. التصنيع احمللي ملكونات مزارع الرياح.. ومستقبل واعد تتي ح مش روعات م زارع الرياح فرصا هام ة للصناعة احمللي ة! حيث وصلت نس بة املكون احمللي في بعض املش روعات في مص ر مثال ما بني 20% إلى 30%!! وهي تتضم ن األبراج املعدنية وبعض املهمات امليكانيكية والكهربائية كاحملوالت ولوحات التوزيع والكابالت واألعمال املدنية واإلنشائية والتركيبات. ومن املأمول أن التوس ع في مشروعات الرياح س يزيد من مشاركة الصناعة العربية عام ة في تصني ع مهمات مزارع الرياح.. مبا س وف ينعكس ا على التكلف ة.. ويفتح فرصا مس تقبلية لتصدير هذه املهمات وقد بدأت بوادر هذا في الظهور فعال من خالل اس تحواذ إحدى الش ركات املصرية على نس بة أسهم كبيرة في إحدى الش ركات املصنعة االسبانية وإنشائها خط وط إنتاج لبعض مكونات التربينات في مصر مع إنش ائها لش ركة مصرية متخصصة في إقامة مشروعات الرياح بدأت بالفعل تنفيذ أحد املشروعات في دولة ليبيا الشقيقة ومن املنتظر أيض ا أن تتيح مثل تلك املش روعات -وعند التوس ع فيها- إقامة ش ركات متخصصة تعمل في تقدمي اخلدمات اخلاصة مثل أعمال االستشارات الهندسية والفنية وأعمال التصميمات والتشغيل والصيانة.. وكذا خدمات اإلعاشة والترفيه باملواقع النائية -أسوة بشركات خدمات البترول-. 34

37 المركز اإلقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة خامتة لق د أثبتت طاقة الري اح أن الطاقة املتجددة قد خرجت من معامل الباحثني لتش ارك بش كل فع ال في الوف اء مبتطلب ات الطاقة وحتدياتها! وأن نس بة مس اهمتها في مزي ج الطاقة التي نحتاجه ا تنم و يوما بعد ي وم! ولكني أحب أن أؤك د هنا أن الطاقات املتجددة ليس ت دوما ذلك الوافد اجلديد الذي يحمل في جعبته حال سحريا ملشاكل الطاقة احلالية!! فالدعوة إلى استخدام ونش ر تطبيقات الطاقات املتجددة والبديلة ال تعني أبدا إلغاء أو االستغناء عن املصادر التقليدية للطاقة -في الوقت الراهن!!- ولكنها دعوة جادة لزيادة مشاركة الطاقة البديلة في مزيج الطاقة بشكل تدريجي وفعال.. بحيث يصبح االعتماد عليها مستقبال سبيال لتحقيق أمن واستدامة الطاقة! وكم ا أوضحت س ابقا يبدو املس ار ذو األولوية إلنت اج الكهرباء من مصادر متج ددة للطاقة هو اإلستفادة من طاقة الرياح املنافسة اقتصاديا واألنضج فنيا على املستوى العاملي. وهو ما يتطلب العمل املش ترك من احلكومة والقطاع اخل اص جنبا إلى جنب وأخذا بع ني االعتبار وجود اجتاهات عاملية نحو تعظيم دور القطاع اخلاص باعتباره أحد الركائز األساس ية للتطوير املستقبلي لن ظم الطاق ة املتجددة بصفة عامة وطاقة الرياح بصفة خاصة. وهو ما ظهر في صورة إصدار القوانني والتش ريعات التي تعمل على تشجيع االس تثمارات في مجال الطاقة املتجددة في مختلف دول العالم. وتع د العديد من الدول العربي ة مناطق جذب واعدة في مجال مش روعات طاقة الرياح ملا تتمتع به من مميزات مثل توافر اخلبرات البش رية والقدرات الصناعية ووجود خطط طموحة طويلة املدى للطاق ة املتجددة وبالطب ع مواقع رياح متمي زة.. فضال عن وجود ش بكات كهربائية ممتدة ميكن حتديثها لت سهم في خلق سوق عاملي لبيع الطاقة النظيفة إلى أوروبا عبر شبكات الربط االقليمي! ولعل أحد اخلطوات في االجتاه الصحيح قيام دولة مثل مصر باإلعالن عن هدف الوصول مبس اهمة الطاق ة املتجددة إلى نس بة 20% من إنتاج الكهرباء فيها بحل ول عام 2020!! متضمنة 12% من طاقة الرياح وحدها.. أي مبا يعادل حوالي 7200 ميجاوات يتولى إنشاء ثلثيها تقريبا القطاع اخلاص! وقد متت دعوة املستثمرين بالفعل ألول مناقصة بقدرة 250 ميجاوات! 35

38 رياح التغيير في أنظمة الطاقة العالمية والعربية الكهرباء من الرياح كما أعلنت املغرب أيضا اس تهداف الوصول إلى 2000 ميجاوات بحلول عام 2020! وللجزائر أيضا ه دف طموح يق ارب 3700 ميجاوات بحل ول 2030 وكلها خط وات فاعلة ي رجى منها تش جيع باق ي ال دول العربية ذات اإلمكان ات على اتخاذ خطوات مش ابهة. ومن ناحية أخ رى فإن حتقيق مث ل هذه اإلس تراتيجيات الطموحة يتطلب تفعيل حزمة من السياس ات املتكاملة خللق مناخ جاذب لالس تثمارات.. مبا مي كن من حتس ني اقتصاديات مشروعات الطاقة املتجددة وتعظيم نسبة املكون احمللي فيها تدريجيا.. ولهذا املوضوع حديث آخر نتناول فيه أهم السياسات واحلوافز العاملية لتشجيع استثمارات ومشروعات الطاقات املتجددة! 36

39

40