تحسين أداء توربينات الرياح باستخدام حلول الاستشعار

تُعدّ توربينات الرياح عنصراً أساسياً في انتقال العالم إلى الحياد الكربوني. نستعرض هنا تقنية الاستشعار التي تضمن تشغيلها الآمن والفعّال.
يبلغ العمر الافتراضي لتوربينات الرياح 25 عامًا، وتلعب أجهزة الاستشعار دورًا محوريًا في ضمان تحقيقها لهذا العمر. فمن خلال قياس سرعة الرياح والاهتزازات ودرجة الحرارة وغيرها، تضمن هذه الأجهزة الدقيقة تشغيل توربينات الرياح بأمان وكفاءة.
يجب أن تكون توربينات الرياح مجدية اقتصاديًا أيضًا. وإلا، سيُعتبر استخدامها أقل جدوى من استخدام مصادر الطاقة النظيفة الأخرى أو حتى الطاقة الأحفورية. ويمكن لأجهزة الاستشعار توفير بيانات الأداء التي يستطيع مشغلو مزارع الرياح استخدامها لتحقيق ذروة إنتاج الطاقة.
تعتمد أبسط تقنيات الاستشعار المستخدمة في توربينات الرياح على رصد الرياح والاهتزازات والإزاحة ودرجة الحرارة والإجهاد الفيزيائي. وتساعد أجهزة الاستشعار التالية في تحديد الظروف الأساسية ورصد أي انحرافات كبيرة عنها.
تُعدّ القدرة على تحديد سرعة الرياح واتجاهها أمراً بالغ الأهمية لتقييم أداء مزارع الرياح والتوربينات الفردية. وتُعتبر معايير العمر التشغيلي والموثوقية والوظائف والمتانة المعايير الرئيسية عند تقييم مختلف أجهزة استشعار الرياح.
تعتمد معظم أجهزة استشعار الرياح الحديثة على تقنيات ميكانيكية أو فوق صوتية. تستخدم أجهزة قياس سرعة الرياح الميكانيكية كوبًا دوارًا وريشة لتحديد السرعة والاتجاه. أما أجهزة الاستشعار فوق الصوتية، فترسل نبضات فوق صوتية من جانب وحدة الاستشعار إلى جهاز استقبال على الجانب الآخر. ويتم تحديد سرعة الرياح واتجاهها عن طريق قياس الإشارة المستقبلة.
يفضل العديد من المشغلين استخدام أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية لأنها لا تتطلب إعادة معايرة، مما يسمح بوضعها في أماكن يصعب فيها الصيانة.
يُعدّ رصد الاهتزازات وأي حركة أمرًا بالغ الأهمية لمراقبة سلامة وأداء توربينات الرياح. تُستخدم مقاييس التسارع عادةً لرصد الاهتزازات داخل المحامل والمكونات الدوارة. كما تُستخدم مستشعرات الليدار غالبًا لرصد اهتزازات الأبراج وتتبع أي حركة بمرور الوقت.
في بعض البيئات، قد تُولّد المكونات النحاسية المستخدمة لنقل طاقة التوربينات كميات كبيرة من الحرارة، مما يُسبب حروقًا خطيرة. يمكن لأجهزة استشعار درجة الحرارة مراقبة المكونات الموصلة المعرضة لارتفاع درجة الحرارة ومنع تلفها من خلال إجراءات استكشاف الأعطال وإصلاحها التلقائية أو اليدوية.
تُصمَّم توربينات الرياح وتُصنَّع وتُشحَّم لمنع الاحتكاك. ومن أهم المناطق التي يجب منع الاحتكاك فيها هي المنطقة المحيطة بعمود الدوران، ويتحقق ذلك أساسًا من خلال الحفاظ على مسافة حرجة بين العمود والمحامل المرتبطة به.
تُستخدم مستشعرات التيار الدوامي غالبًا لمراقبة خلوص المحامل. فإذا انخفض هذا الخلوص، يقلّ التزييت، مما قد يؤدي إلى انخفاض الكفاءة وتلف التوربين. تحدد مستشعرات التيار الدوامي المسافة بين جسم ما ونقطة مرجعية. وهي قادرة على تحمل السوائل والضغط ودرجات الحرارة العالية، مما يجعلها مثالية لمراقبة خلوص المحامل في البيئات القاسية.
يُعدّ جمع البيانات وتحليلها أمراً بالغ الأهمية للعمليات اليومية والتخطيط طويل الأجل. يتيح ربط أجهزة الاستشعار ببنية تحتية سحابية حديثة الوصول إلى بيانات مزارع الرياح والتحكم بها على مستوى عالٍ. كما يمكن للتحليلات الحديثة دمج بيانات التشغيل الحديثة مع البيانات التاريخية لتوفير رؤى قيّمة وتوليد تنبيهات أداء تلقائية.
تُبشّر الابتكارات الحديثة في تكنولوجيا الاستشعار بتحسين الكفاءة، وخفض التكاليف، وتعزيز الاستدامة. وترتبط هذه التطورات بالذكاء الاصطناعي، وأتمتة العمليات، والتوائم الرقمية، والمراقبة الذكية.
على غرار العديد من العمليات الأخرى، ساهم الذكاء الاصطناعي بشكل كبير في تسريع معالجة بيانات المستشعرات لتوفير المزيد من المعلومات، وتحسين الكفاءة، وخفض التكاليف. وبحكم طبيعة الذكاء الاصطناعي، فإنه سيوفر المزيد من المعلومات مع مرور الوقت. تستخدم أتمتة العمليات بيانات المستشعرات، والمعالجة الآلية، ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة لضبط زاوية ميل الشفرات، وإنتاج الطاقة، وغير ذلك تلقائيًا. وتضيف العديد من الشركات الناشئة الحوسبة السحابية لأتمتة هذه العمليات، مما يجعل استخدام هذه التقنية أسهل. تتجاوز الاتجاهات الجديدة في بيانات مستشعرات توربينات الرياح المشكلات المتعلقة بالعمليات، حيث تُستخدم البيانات المُجمعة من توربينات الرياح حاليًا لإنشاء توائم رقمية للتوربينات ومكونات مزارع الرياح الأخرى. ويمكن استخدام التوائم الرقمية لإنشاء عمليات محاكاة والمساعدة في عملية صنع القرار. تُعد هذه التقنية ذات قيمة كبيرة في تخطيط مزارع الرياح، وتصميم التوربينات، والتحليل الجنائي، والاستدامة، وغير ذلك. وهذا مفيد بشكل خاص للباحثين، والمصنعين، وفنيي الصيانة.