تطور التكنولوجيا: دليل شامل لأنواع مولدات توربينات الرياح

تمثل توربينات الرياح الحديثة أعجوبة هندسية، حيث تحول النسيم البسيط إلى طاقة كهربائية نظيفة. لكن قلب هذا النظام المعقد – المولد – شهد تطوراً ملحوظاً على مر السنين. من النماذج الثابتة البسيطة إلى أنظمة التحكم المتغيرة عالية الكفاءة، يسير تطور مولدات توربينات الرياح جنباً إلى جنب مع تقدم صناعة الطاقة المتجددة ككل.

لنستعرض معاً الأنواع الأربعة الرئيسية لمولدات توربينات الرياح، ونبحر في ميزاتها وتقنياتها وتطبيقاتها العملية.

1. النوع الأول (Type I): المولد الحثي ذو القفص السنجابي (SCIG)

المبدأ: البساطة والقوة.

• المولد المستخدم: مولد حثي ذو قفص سنجابي (SCIG).
• التحكم في السرعة: سرعة ثابتة (أو شبه ثابتة). يدور التوربين بسرعة محددة مسبقاً تتوافق مع تردد الشبكة الكهربائية.
• المكونات الرئيسية: علبة تروس (لمطابقة سرعة الدوار مع سرعة المولد)، مولد (SCIG)، مكثفات لتحسين معامل القدرة (PFC)، محول.
• الميزات والعيوب:
  • الميزات: تصميم بسيط ومتين، تكلفة منخفضة نسبياً.
  • العيوب: كفاءة ضعيفة عند سرعات الرياح المتغيرة، لا يمكنه التحكم في القدرة غير الفعالة (Reactive Power)، ويستهلك تياراً عالياً عند البدء.
• التطبيقات: كان شائعاً في التوربينات القديمة والصغيرة، وأصبح نادر الاستخدام في التطبيقات الجديدة.

2. النوع الثاني (Type II): المولد الحثي ذو العضو الدوار الملفوف (WRIG)

المبدأ: خطوة نحو المرونة.

• المولد المستخدم: مولد حثي ذو عضو دوار ملفوف (WRIG).
• التحكم في السرعة: سرعة متغيرة محدودة. يتم تحقيق ذلك عن طريق توصيل مقاومة متغيرة بدوار المولد، مما يسمح بتعديل سرعته ضمن نطاق ضيق.
• المكونات الرئيسية: علبة تروس، مولد (WRIG)، مقاومة متغيرة للدوار، محول.
• الميزات والعيوب:
  • الميزات: تحكم أفضل في عزم الدوران، أداء محسن قليلاً عند سرعات الرياح المتغيرة مقارنة بالنوع الأول.
  • العيوب: فقدان الطاقة في المقاومة المتغيرة يقلل من الكفاءة الإجمالية.
• التطبيقات: يعتبر هذا النظام تقنية وسيطة وشبه منقرضة في الوقت الحالي.

3. النوع الثالث (Type III): المولد الحثي ذو التغذية المزدوجة (DFIG)

المبدأ: المعيار الذهبي للطاقة البرية.

• المولد المستخدم: مولد حثي ذو تغذية مزدوجة (DFIG). هنا، يتم توصيل كل من العضو الساكن والدوار بالشبكة، ولكن دوار المولد يتم توصيله عبر محول طاقة جزئي.
• التحكم في السرعة: سرعة متغيرة (نطاق يصل إلى حوالي ±30% حول السرعة التزامنية).
• المكونات الرئيسية: علبة تروس، مولد (DFIG)، محول طاقة جزئي (عادةً بقدرة 30% من قدرة التوربين)، دائرة حماية (Crowbar) لحماية المحول من تيارات الشبكة العالية، محول.
• الميزات والعيوب:
  • الميزات: كفاءة عالية، تحكم فعال في كل من القدرة الفعالة (Active Power) وغير الفعالة (Reactive Power)، مما يساعد على استقرار الشبكة. يعتبر حلاً اقتصادياً للتوربينات الكبيرة.
  • العيوب: الحساسية تجاه اضطرابات الشبكة (مثل انخفاض الجهد)، مما يتطلب وجود دائرة “كراوبار” للحماية.
• التطبيقات: الأكثر شيوعاً واستخداماً في مزارع الرياح البرية (Onshore) الكبيرة حول العالم.

4. النوع الرابع (Type IV): المولد التزامني مع المحول الكامل (PMSG/EESG)

المبدأ: القمة التكنولوجية للأداء والموثوقية.

• المولد المستخدم: مولد تزامني إما بمغناطيس دائم (PMSG) أو متحمس كهربائياً (EESG).
• التحكم في السرعة: سرعة متغيرة كاملة (على نطاق واسع). هنا، يتم فصل المولد تماماً عن الشبكة الكهربائية.
• المكونات الرئيسية: قد يستخدم نظام ناقل حركة مباشر (Direct Drive) أو علبة تروس تقليدية، محول طاقة كامل (100% من قدرة التوربين)، محول.
• الميزات والعيوب:
  • الميزات: أعلى أداء وكفاءة، تحكم ممتاز في الطاقة، عزل كامل بين التوربين والشبكة (مما يجعله أكثر استقراراً أمام الاضطرابات)، إمكانية الاستغناء عن علبة التروس في أنظمة الدفع المباشر مما يقلل الصيانة.
  • العيوب: التكلفة الأعلى بسبب استخدام محول طاقة كامل ومغناطيس دائم.
• التطبيقات: النموذج المفضل لتوربينات الجيل الجديد، خاصة في المشاريع الضخمة والبريّة (Offshore) حيث تعتبر الموثوقية والأداء العالي عاملين حاسمين.

خلاصة: مسار التطور

يمثل مسار التطور من النوع الأول إلى النوع الرابع رحلة من البساطة والثبات إلى المرونة والسيطرة الكاملة. بينما تتراجع الأنواع القديمة (I و II)، تبرز الأنواع III و IV كأقطاب الصناعة حالياً ومستقبلاً. يظل النوع الثالث (DFIG) الخيار الاقتصادي الأمثل للعديد من المشاريع البرية، بينما يسيطر النوع الرابع (PMSG) على مستقبل التوربينات العملاقة والبريّة، حيث تكون الكفاءة والموثوقية هما الأهم.

يستمر البحث والتطوير في دفع هذه التكنولوجيا إلى الأمام، مما يعد بمستقبل أكثر إشراقاً للطاقة النظيفة.