التيارات المستحثة لتوربينات الرياح بواسطة الإمكانات الكهربائية

نحن نعيش في جو مكهرب كلياً، بحيث يوجد فرق جهد يبلغ حوالي (250) كيلو فولت بين الأرض والغلاف الجوي المتأين، كما يؤدي التدرج المحتمل الناتج إلى تحفيز الشحنات الكهربائية على الأجسام المغمورة في الغلاف الجوي، والتي تكون أكثر أهمية في الأجسام الطويلة، أيضاً حددت العديد من الأعمال التداخلات في أجهزة الاستشعار في ريش توربينات الرياح الدوارة التي تُعزى إلى الشحن الكهروستاتيكي للشفرات.

تحليل التيارات المستحثة لتوربينات الرياح ضمن الإمكانات الكهربائية

مع نمو قطاع طاقة الرياح كمصدر طاقة صديق للبيئة وموثوق؛ تُبذل جهود كبيرة لتحسين الأداء مع خفض التكاليف، ولتقليل تكاليف الصيانة؛ فإنه يتم تزويد توربينات الرياح بعدد لا يحصى من أجهزة الاستشعار التي تساعد في مراقبة حالتها، والتي يشار إليها باسم أنظمة مراقبة الحالة (CMSs)، ولسوء الحظ هذه المستشعرات معرضة للبيئة القاسية التي يجب أن تتحملها توربينات الرياح وتكون عرضة للأعطال بسهولة.

كما أن الأنواع الثلاثة الأكثر شيوعاً لأعطال المستشعرات هي الأعطال القصيرة أو طفرات العينة المفردة في قراءات أجهزة الاستشعار، أو أخطاء ثابتة تسمى أيضاً أخطاء التعطل وهي المرتبطة بإزاحة ثابتة شاذة في نطاقات زمنية أطول وقد تشير إلى عطل في الأجهزة، كما ويحدث خلل في الضوضاء عندما يكون مستوى الضوضاء مرتفعاً بشكل غير عادي.

بالإضافة إلى ذلك، وعندما تصبح توربينات الرياح أكبر؛ يزداد الحمل الكهربائي على الشفرات أيضاً، حيث تم التحقق من صحة أنظمة الرفرفة النشطة (AFS) على توربينات الرياح متعددة الميغاواط لتقليل تأثير الحمل على الشفرة والدوار ومن المتوقع أن يتم تركيبها في السنوات التالية، كما تستخدم هذه الأنظمة ردود فعل مستشعرات (CMS) للعمل، لذلك يبقى من الضروري تقليل أخطاء المستشعر إلى الحد الأدنى من أجل تشغيل (AFS) بشكل صحيح.

كما أن سبب خارجي متكرر لفشل أجهزة استشعار (CMS) هو التلف الناتج عن نبضات التيار العالي قصيرة المدى من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، واعتماداً على الظروف وتوصيل الطاقة بواسطة (ESD)، كما يمكن أن يكون الفشل عابراً أو مميتاً لجهاز الاستشعار، وفي حالة شفرات توربينات الرياح وفي كل من ظروف الطقس المعتدل والعواصف الرعدية.

ومع ذلك، يتم تشغيل (ESD) بشكل أساسي عن طريق كهربة الهيكل الموصل الطويل عند تعرضه للمجالات الكهربائية في الغلاف الجوي ولا يتطلب وجود الرياح، بالإضافة إلى مخاطر البيئة والتنمية المستدامة، كما أنه يمكن أن تؤدي هذه الكهرباء إلى تيارات مستحثة على الهياكل العالية يمكن أن تنتج تداخلات في أجهزة الاستشعار، مما يؤدي إلى زيادة مستوى الضوضاء أو التسبب في قراءات خاطئة.

الظروف التشغيلية لمستشعرات توربينات الرياح بالتيارات المستحثة

لفهم كيفية تأثر مستشعرات توربينات الرياح بالتيارات المستحثة؛ فإنه من الضروري فهم بيئتها التشغيلية في ظل الظروف الجوية المختلفة، وأثناء العواصف الرعدية يمكن أن تؤدي البيئة الكهرومغناطيسية إلى اضطرابات حساسة كبيرة بسبب الصواعق أو ببساطة من الحقول شبه الكهروستاتيكية العالية في وجود السحب الرعدية، ومع ذلك ونظراً لأن توربينات الرياح هي أبراج موصلة طويلة جداً؛ فإنه يمكن أن تتطور الحقول الكهربائية المكثفة عند أطراف الشفرات حتى في ظل ظروف الطقس المعتدل.

والسبب في ذلك أنه وفي ظل الطقس المعتدل؛ تزداد إمكانات الغلاف الجوي للأرض بسرعة تصل إلى بضع عشرات من الكيلو فولت تحت ارتفاع (200) متر، كما أنه تم قياسها بواسطة تجارب بالون هاي، والذي يحفز هذا الانخفاض المحتمل شحن الأجسام الطويلة المؤرضة عن طريق الحث الكهروستاتيكي، حيث توجد الشحنة القصوى المستحثة عند طرف الجسم المؤرض.

كذلك يمكن أن تصل توربينات الرياح الحديثة التي تزيد طاقتها عن (10) ميغاواط إلى ارتفاعات تزيد عن (200) متر ،كما يمكن أن يؤدي هذا إلى تضخيم المجال الكهربائي عند الحواف الحادة، مما يؤدي إلى تفريغ النقطة أو الإكليل، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن هناك تباين دوري في الشحنة الكهربائية المستحثة بسبب حركة الدوار، مما يحفز التيارات.

الإعداد التجريبية الخاصة بالتيارات المستحثة لتوربينات الرياح

من القاعدة إلى أطراف ريش الدوار؛ يمكن تشكيل توربين الرياح كسلك رفيع موصل كهربائياً، بحيث ينطبق هذا التقريب حتى عندما تكون بعض الأجزاء الموصلة مغطاة بمكونات عازلة ، مثل الموصلات السفلية المستضافة داخل الشفرات العازلة، حيث يضمن (LPS) وجود مسار موصل إلى الأرض.

وفي هذه الدراسة؛ فإنه يتم تقديم طريقة تجريبية جديدة تستخدم سلكاً موصلاً رقيقاً لتمثيل السلوك الكهربائي لهيكل توربينات الرياح والموصل السفلي في ظل ظروف الطقس المعتدل بحيث تم تصميم التجربة لقياس التيارات المستحثة على السلك أثناء نشره في الغلاف الجوي لمحاكاة آليات الكهربة التي تؤثر على توربينات الرياح ذات الشفرات الأرضية بشكل تجريبي.

كذلك يحتاج السلك إلى الحفاظ على اتجاه رأسي لتمثيل هندسة توربينات الرياح بشكل أفضل في ظل الظروف الديناميكية والثابتة، أيضاً يجب مراعاة ظروف السلك الثابتة وظروف الانتشار نظرًا لأن توربينات الرياح تتأثر بالكهرباء في الغلاف الجوي أثناء الحركة (دوران الشفرات) أو التوقف، بحيث يتم التحكم بدقة في موضع السلك والسرعة الرأسية باستخدام طائرة بدون طيار متعددة المحركات تنشر السلك لأعلى، كذلك يسمح التحكم الديناميكي في ارتفاع السلك بإعادة إنشاء الارتفاع المتغير لطرف شفرة توربينات الرياح الدوارة.

أيضاً يتكون الإعداد التجريبي من سلك موصل مخزن في بكرة بعمود يسمح للسلك بالتخلص من الضغط عندما تضغط عليه الطائرة بدون طيار، بحيث يتم عزل التخزين المؤقت كهربائياً عن الأرض باستخدام دعامة (PTFE)، كما ويتم تأريض أحد طرفي السلك من خلال مقياس بيكو (RBD 9103) بينما يتم توصيل الطرف الآخر بالطائرة بدون طيار حسب الشكل التالي (1) والشكل (2).

كما يضمن عزل بكرة السلك كهربائياً أن التيارات المستحثة المقاسة لا يمكن أن تأتي إلا من الطرف الأرضي، والذي يتم مراقبته وليس من مصادر اتصال أخرى غير معروفة، كذلك يتم ربط السلك المتصل بالطائرة باستخدام سلك (Kevlar) العازل كهربائياً بطول (10) أمتار، كما تم اختيار (10) أمتار من سلك كيفلر لتجنب تأثير الرياح على دوارات الطائرة بدون طيار.

وأخيراً؛ فإن السلك الموصل المستخدم لقياس التيارات المستحثة هو كبل متحد المحور (RG174)، حيث تمت إزالة الغلاف العازل الخارجي والجديل الأرضي تاركين الموصل النحاسي الداخلي وعازله الكهربائي، حيث أن الهدف من الاحتفاظ بالعازل هو التأكد من أنه في حالة حدوث تفريغ النقطة أو الإكليل؛ فإن هذا التفريغ سيكون موجوداً في الطرف، وليس بطول الموصل.

كذلك تبلغ المقاومة المقاسة للسلك (0.14 /Ω م)، ويتم تحديدها على أنها متوسط المقاومة لعشرة أقسام مختلفة بطول حوالي (1) متر من السلك، كما وتُقاس بمقياس رقمي متعدد (34401A)، بحيث تتوافق القيمة المقاسة مع القيمة التي قدمتها الشركة المصنعة (0.1426 / م).

وبطريقة مثالية، تحاكي هندسة طرف السلك حدة طرف شفرة توربينات الرياح ويمكن لدراسة التيارات المستحثة لأشكال هندسية مختلفة أن توضح كيف يمكن أن تؤثر على عملية الكهربة، ولهذا السبب نستخدم قطبين مختلفين عند طرف السلك الموصل بالطائرة بدون طيار، وهي إبرة حادة وطرف مستدير، بحيث تتكون الأقطاب الكهربائية من قضيب فولاذي مدور (3) مم وإبرة فولاذية (0.5) مم.