تم تصميم نظام توليد طاقة الرياح خارج الشبكة ليعمل بشكل مستقل عن الشبكة الكهربائية الرئيسية. وهو يستخدم طاقة الرياح لتوليد الكهرباء، وعادةً ما يستخدم في المناطق النائية التي لا يتوفر فيها الاتصال بالشبكة أو لا يمكن الاعتماد عليها. وإليك طريقة عمله:
1. توربينات الرياح
1- الوظيفة: توربينات الرياح هي المكون الأساسي. عندما تهب الرياح، تتسبب في دوران ريش التوربينات. ويتم تحويل الحركة الدورانية للشفرات إلى طاقة ميكانيكية.
2- سرعة الرياح: تعمل التوربينات بفعالية عند سرعات رياح معينة، تتراوح عادةً بين 3 و25 متراً في الثانية. وتحت هذه السرعة، قد لا تولد التوربينات الهوائية طاقة كافية، وفوق هذه السرعة، قد يكون النظام مصممًا لإيقاف التشغيل لأسباب تتعلق بالسلامة.
2. مولد كهربائي
3- الوظيفة: يتم توصيل الشفرات الدوارة للتوربينات الهوائية بمولد. ويحول المولد الطاقة الميكانيكية من دوران التوربين إلى طاقة كهربائية.
4- النوع: تستخدم معظم الأنظمة غير المتصلة بالشبكة إما مولد حثي أو مولد مغناطيسي دائم متزامن (PMSG).
3. وحدة التحكم بالشحن
5- الوظيفة: هذا مكون حاسم في نظام خارج الشبكة. فهو ينظم الجهد والتيار القادمين من توربينات الرياح لحماية بنك البطاريات. ويضمن جهاز التحكم شحن البطاريات على النحو الأمثل، وتجنب الشحن الزائد أو التفريغ العميق، مما قد يؤدي إلى تلف البطاريات.
6- الأنواع: يمكن أن يكون منظم جهد بسيط أو وحدة تحكم أكثر تطوراً لتتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، والتي تعمل على تحسين الطاقة المستخرجة من الرياح من خلال التكيف مع سرعات الرياح المتغيرة.
4. بنك البطاريات
7- الوظيفة: نظرًا لأن طاقة الرياح متقطعة (أي أن الرياح لا تهب باستمرار)، يقوم بنك البطاريات بتخزين الكهرباء المولدة خلال فترات هبوب الرياح. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الطاقة المخزنة عندما لا تهب الرياح أو عندما يتجاوز الطلب على الطاقة توليد الطاقة من الرياح الحالية.
8- نوع البطارية: عادةً ما يتم استخدام بطاريات حمض الرصاص ذات الدورة العميقة أو بطاريات الليثيوم أيون في أنظمة الرياح خارج الشبكة لأنها مصممة للشحن والتفريغ المنتظم.
5. العاكس
9- الوظيفة: تولد توربينات الرياح عادةً كهرباء تيار مستمر (تيار مباشر)، ولكن معظم الأجهزة المنزلية تستخدم كهرباء التيار المتردد (تيار متردد). ويتمثل دور العاكس في تحويل كهرباء التيار المستمر من بنك البطاريات إلى كهرباء تيار متردد، والتي يمكن استخدامها في المنزل أو المنشأة.
10- الموجة الجيبية النقية مقابل الموجة الجيبية المعدلة: قد تستخدم بعض الأنظمة عاكسات الموجات الجيبية النقية (أكثر كفاءة واستقرارًا)، بينما قد تستخدم أنظمة أخرى عاكسات الموجات الجيبية المعدلة (أقل تكلفة، ولكنها قد لا تتوافق مع جميع الأجهزة).
6. لوحة التوزيع
11- الوظيفة: تقوم لوحة التوزيع بتوجيه الكهرباء إلى أجزاء مختلفة من المنزل أو المنشأة. وهي تعمل كمحور مركزي، حيث تقوم بتوزيع الكهرباء لمختلف الاحتياجات، سواء للإنارة أو التدفئة أو تشغيل الأجهزة.
7. مراقبة النظام (اختياري)
12- الوظيفة: تتضمن بعض أنظمة طاقة الرياح خارج الشبكة أجهزة رصد تتعقب الأداء. ويمكن أن تساعد هذه الأنظمة المستخدمين على تحسين استخدام الطاقة وتتبع سرعة الرياح وقياس كفاءة توربينات الرياح ونظام البطاريات.
8. طاقة احتياطية (اختياري)
13- الوظيفة: في بعض الحالات، يتم دمج المولدات الاحتياطية (التي تعمل عادة بالديزل أو الغاز) في النظام. فإذا لم تولد الرياح طاقة كافية لفترة طويلة، يمكن للمولد الاحتياطي أن يعمل لتوفير طاقة كهربائية إضافية.
ملخص سير العمل:
14- يلتقط توربين الرياح طاقة الرياح ويحولها إلى طاقة ميكانيكية.
15- يقوم المولد بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
16- يتم تنظيم الكهرباء بواسطة وحدة التحكم في الشحن، والتي تقوم بتوجيهها إلى بنك البطاريات للتخزين.
17- عند الحاجة، يتم تحويل الكهرباء من تيار مستمر إلى تيار متردد بواسطة العاكس.
18- تقوم لوحة التوزيع بتوزيع طاقة التيار المتردد على المنزل أو المنشأة، مما يوفر مصدرًا موثوقًا للكهرباء، حتى بدون توصيلها بالشبكة.
فوائد أنظمة طاقة الرياح خارج الشبكة:
19- استقلالية الطاقة: توفر أنظمة طاقة الرياح خارج الشبكة الكهرباء في المناطق التي لا يمكن الوصول إلى الشبكة.
20- الاستدامة: هي مصادر طاقة متجددة تقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري.
21- فعالة من حيث التكلفة في المناطق النائية: بالنسبة للمواقع النائية التي يكون تركيب البنية التحتية لشبكة الكهرباء فيها مكلفاً، يمكن أن تكون طاقة الرياح بديلاً فعالاً من حيث التكلفة.
التحديات:
22- التقطع: لا تهب الرياح باستمرار، لذلك قد تكون هناك أوقات لا توجد فيها طاقة كافية.
23- التكلفة الأولية: يمكن أن يكون لإنشاء نظام رياح خارج الشبكة تكلفة أولية عالية، خاصة عند حساب التوربينات وتخزين البطاريات والعاكس.
24- متطلبات المساحة: يجب تركيب توربينات الرياح في مناطق ذات سرعات رياح كافية، والتي قد لا تكون متوفرة دائمًا.
ويوفر هذا النظام بديلاً مستداماً وموثوقاً لطاقة الشبكة، خاصة في المناطق النائية. ومع ذلك، فإنه يتطلب تخطيطاً دقيقاً لضمان التوازن الصحيح بين التوليد والتخزين والاستهلاك.
