ناقل الحركة الكهروميكانيكي لتطوير طاقة الرياح البحرية

تعتبر موارد الرياح البحرية كبيرة جداً في العديد من المناطق الساحلية، حيث تمت دراسة أكثر من (80000) ميغاوات في المنطقة التي تمت دراستها هنا، ومع ذلك لا يمكن استخدام المورد ما لم يتم جمع توليد الرياح بعيداً عن الشاطئ بشكل فعال استناداً إلى البيانات الأوقيانوغرافية والبيئية والشحن الشاملة.

تحليل ناقل الحركة الكهروميكانيكي لتطوير طاقة الرياح البحرية

يتزايد الاهتمام بطاقة الرياح البحرية في جميع أنحاء العالم بسبب مخاوف تتعلق بالبيئة وأمن الطاقة والانخفاض السريع في الأسعار، حيث قامت المنطقة الرائدة في العالم وهي أوروبا ببناء حوالي (11.027) ميغاواط من خلال (84) محطة طاقة رياح بحرية بحلول عام (2015)م، ولقد ثبت أن الموارد في مياه الولايات المتحدة كبيرة جداً.

على سبيل المثال في المياه الضحلة للمحيط الأطلسي في الشمال الشرقي بالقرب من مراكز التحميل الكبيرة، بحيث يمكن أن توفر الرياح البحرية كل الكهرباء التي تستهلكها الآن جميع الولايات الساحلية الشمالية الشرقية ثلاث مرات، وعلى الرغم من أن محطة طاقة رياح بحرية تجارية واحدة بقدرة (30) ميغاواط في الولايات المتحدة قيد التشغيل.

الدراسات التي تُعنى بنقل الطاقة الكهربائية البحرية

في الماضي، كانت معظم مزارع الرياح البحرية موصولة بالشبكة البرية عبر كابلات (HVAC)، بينما تستمر محطات طاقة الرياح البحرية في الزيادة في الحجم وتقع بعيداً عن الشاطئ، كما من المحتمل أن تصبح التصاميم مع ناقل الحركة (HVDC) هي الأمثل بسبب تلك المسافات الطويلة ومستويات الطاقة الأعلى، ووفقاً لمراجعة (2014)م حول التحديات والفرص في تطوير طاقة الرياح البحرية.

كما تعد أنظمة نقل (HVDC) أكثر جاذبية وكفاءة مقارنة بنظام (HVAC)؛ خاصة عند نقل كمية كبيرة من الطاقة على مسافات تزيد عن (50 كم – 100 كم)، بحيث خلصت مراجعة أحدث إلى أن خط (HVDC) (ثنائي القطب أو ثلاثي الأقطاب)، كما يمكنه نقل طاقة أكبر من (1.80) إلى (2.24) مقارنة بخط التيار المتردد في كل حالة، بحيث تشير دراسة أخرى للربط الشبكي لمحطات طاقة الرياح البحرية إلى أن (HVDC) يقدم المزايا التالية للمسافات الطويلة (> 50 كم).

• يتم التحكم في تدفق الطاقة بالكامل.

• لا يتم نقل أعطال التكييف إلى باقي الشبكة الكهربائية.

• لا توجد مشكلات تتعلق بتيارات شحن الكابلات، والتي تقلل بالنسبة لكابلات التيار المتردد تصنيف الطاقة النشطة.

• تكون خسائر طاقة كابل التيار المستمر أقل.

المقارنة بين خطوط الجهد العالي وخطوط نفل طاقة الرياح البحرية

تم إجراء العديد من الدراسات لمقارنة أنظمة نقل (HVAC) و (HVDC) لمحطات طاقة الرياح البحرية الافتراضية مع استنتاجات مختلفة إلى حد ما، كما تمت مقارنة الوصلات البينية (HVAC) و (HVDC)، وذلك بناءً على محاكاة خطأ النقل في محطة طاقة الرياح البحرية بقدرة (184) ميغاوات، كذلك جميع الأنظمة تتعافى من خطأ (100) مللي ثانية، ومع ذلك خلال خطأ (625) مللي ثانية؛ لم يكن نظام (HVAC) قادراً على الاسترداد، مما يعطي ميزة لـ (HVDC).

كما تمت مقارنة محطات طاقة الرياح بقدرة (100) ميغاواط و (200) ميغاواط وحتى (500) ميغاواط مع ثلاثة أنظمة اتصال نقل، بما في ذلك (HVAC) و (HVDC)، كما وجدت هذه الدراسة أن (HVDC) أكثر اقتصاداً من التدفئة والتهوية وتكييف الهواء لمسافات تزيد عن (90) كم لمحطة طاقة الرياح بقدرة (100) ميغاوات، بحيث تجري دراسة أخرى مقارنة بين (HVAC) و (HVDC) مع قطع مسافة مختلفة.

وهذا يخلص هذا إلى أن “التدفئة والتهوية وتكييف الهواء” (HVAC) هي الخيار الأنسب لمحطات طاقة الرياح الأقل من (300) ميغاواط ما لم يتم النظر في مسافات طويلة جداً (> 200 كم)، وذلك لأكثر من (300) ميغاواط، كما وجدت هذه الدراسة أن حل (HVDC) أكثر جدوى مع مسافات حرجة تتراوح بين (40 كم – 60 كم)، وذلك حسب سعة مزرعة الرياح.

وبالمثل تمت مقارنة (HVAC ، HVDC) بحيث وخلصت إلى أنه بالنسبة لمحطة طاقة الرياح بقدرة (400) ميغاوات، كما يكون (HVDC) أقل تكلفة إذا كانت المسافة من الشاطئ أكثر من (52) كم، بحيث تحسب دراسة أخرى عتبة القرار الاقتصادي بين (HVDC-VSC) و (HVAC) لمزرعة الرياح البحرية (300) ميغاوات في سيناريوهين استثماريين مختلفين.

لذلك اذا كان المستثمر للبنية التحتية للإرسال وتوربينات الرياح طرفاً مختلفاً وهو السيناريو الأكثر شيوعاً، وذلك يفضل (HVAC) لأطوال الكابلات الكهربائية الأقصر من (80) كم و (HVDC-VSC) للكابلات الأطول، خاصةً إذا كان المستثمر للبنية التحتية للنقل وتوربينات الرياح هو الكيان نفسه، بحيث يتم اختيار (HVDC-VSC) لمسافة (35) كم وأطوال كابلات أعلى.

الخسائر الكهربائية في محطات نقل الرباح البحرية

فيما بعد تمت مقارنة خسائر نظام (HVAC) و (HVDC) باستخدام محطة طاقة الرياح بسعة (117) ميغاوات.، بحيث توصلت هذه الدراسة إلى أن خسارة نقل التدفئة والتهوية وتكييف الهواء تزيد بنسبة (12٪) عن المسافة إلى الشاطئ البالغة (150) كم، وهي عقوبة كبيرة في الخسائر الكهربائية، بحيث تحسب دراسة حديثة باستخدام تصميمات تطلعية خسائر محطات طاقة الرياح البحرية لثلاثة طوبولوجيا نقل مختلفة (HVAC) و (HVDC) مع محول تبديل الخط (HVDC-LCC) و (HVDC-VSC).

كما تبلغ مساحة مزرعة الرياح (500) ميغاواط و (1000) ميغاواط والمسافات من الشاطئ (50، 150، 200) كلم، بحيث تم حساب الخسائر لمختلف الكابلات البحرية وتقييمات محطة المحول، كذلك يمكن أن تصل الخسائر في مزرعة رياح (500) ميجاوات مع مسافة (200) كيلومتر إلى الشاطئ إلى (18٪) تقريباً لسيناريو (HVAC) (كابل 1 × 400 كيلو فولت) مقارنة بـ (6٪) فقط لسيناريو (HVDC-VSC) (محطة تحويل 500 ميجاوات).

وبالنسبة لمزرعة الرياح ذات الـ (1000) ميغاواط؛ تكون الخسائر القصوى أقل قليلاً، بحيث يمكن أن تصل إلى حوالي (15٪) لكابلات (HVAC) أي (2 × 400 كيلو فولت) و (5.5٪) لمحطات (HVDC-VSC) (محطات تحويل 2 × 500 ميجاوات)، لكن تتميز (HVDC-LCC) بخسائر أقل مقارنة بـ (HVDC-VSC)، وذلك مع خسارة أقل بكثير من (HVAC).

وأخيراً تُظهر دراسة أجريت عام (2015)م حول خسائر الإرسال لمزارع الرياح البحرية خسائر الإرسال في ظل حالة مستقرة لمزرعة رياح بحرية تبلغ (640)، وذلك ميجاوات لمسافات (50، 100،و 159) كيلومتراً لكابلات (HVAC) هي المساهم الرئيسي في إجمالي الخسائر في تكوين (HVAC) في تكوين (HVDC)، بحيث تمثل المحولات جميع الخسائر الإجمالية تقريباً.

كذلك يتم تصميم الإرسال مسبقاً لمجموعة من محطات طاقة الرياح، بحيث تشير الدراسات إلى أن (HVDC) قد يكون مفضلاً، أيضاً تم اقتراح حل لطوبولوجيا النقل المتكامل قد يكون هو الأمثل مقارنة بكل مشروع يتم تطويره بشكل منفصل وتدريجي بمرور الوقت، وعلاوة على ذلك تشير جميع الدراسات السابقة إلى المسافات الافتراضية وتخطيطات مزارع الرياح.

أيضاً في هذه الدراسة تم تحليل مساحة محيطية واقعية لتخطيط تركيب الرياح البحرية على نطاق واسع للغاية، وهو ما يقرب من ثمانين مرة أكبر من أي دراسات أو تصميمات سابقة، كما تم تصميم ثلاثة حلول للبنية التحتية الكهربائية لنقل الطاقة من محطة طاقة الرياح البحرية إلى الشاطئ، بحيث يتم حساب خسائر النقل لجميع مكونات النظام بما في ذلك المحطات الفرعية والمحولات والكابلات وعرضها في الطاقة الكهربائية، كما تتضمن الحسابات التركيب الكامل من توربينات الرياح إلى (POI)