كيف يؤثر ترتيب مغناطيسات Ndfeb في مولدات طاقة الرياح على كفاءة توليد الطاقة؟

1. تحسين المجال المغناطيسي من خلال الترتيب الدقيق

تولد مغناطيسات NdFeB مجالات مغناطيسية قوية ومستقرة بسبب بقاياها العالية (Br) وقوتها القسرية (Hc). يؤثر ترتيب هذه المغناطيسات داخل دوار المولد بشكل مباشر على اتساق وقوة المجال المغناطيسي المتفاعل مع ملفات الجزء الثابت:

• تكوين مصفوفة هالباخ :يضع هذا الترتيب المتقدم المغناطيسات بحيث يتركز المجال المغناطيسي على جانب واحد بينما يلغيه على الجانب الآخر. في مولدات الرياح، يعمل هذا التصميم على تعزيز كثافة التدفق في الفجوة الهوائية بين الدوار والجزء الثابت، مما يؤدي إلى زيادة عزم الدوران الناتج لكل وحدة حجم. على سبيل المثال، يمكن لمجموعة هالباخ ​​تحسين قوة المجال المغناطيسي بنسبة تصل إلى 41% مقارنة بالترتيبات الشعاعية التقليدية، مما يترجم مباشرة إلى إنتاج طاقة أعلى.

• تصميمات التدفق الشعاعي أو المحوري :

  • في  مولدات التدفق الشعاعي يتم ترتيب المغناطيسات بشكل شعاعي حول الدوار، مما يؤدي إلى إنشاء مجال مغناطيسي عمودي على المحور الدوراني. هذا التصميم شائع في توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWTs) ويوازن بين البساطة والكفاءة.
  • مولدات التدفق المحوري  مغناطيسات مكدسة موازية للمحور الدوراني، مما يتيح دوارًا أنحف وأخف وزنًا. غالبًا ما يتم استخدام هذا التكوين في توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs) وأنظمة الدفع المباشر، حيث يكون الاكتناز أمرًا بالغ الأهمية.

يستفيد كلا التصميمين من مغناطيسات NdFeB’ منتج عالي الطاقة ((BH)max)، مما يسمح للمغناطيسات الأصغر بتحقيق نفس التدفق المغناطيسي مثل المغناطيسات التقليدية الأكبر حجمًا، وبالتالي تقليل حجم المولد ووزنه.

2. أنظمة الدفع المباشر: التخلص من علب التروس لتحقيق كفاءة أعلى

تعتمد توربينات الرياح التقليدية على علب التروس لتحويل دوران الدوار منخفض السرعة إلى مدخلات مولد عالية السرعة. ومع ذلك، فإن علب التروس تسبب خسائر ميكانيكية (5–(انخفاض الكفاءة بنسبة 10%)، واحتياجات الصيانة، وقضايا الموثوقية. مغناطيسات NdFeB تمكن  مولدات الدفع المباشر حيث يتم توصيل الدوار مباشرة بشفرات التوربين، مما يلغي الحاجة إلى علبة التروس:

• التشغيل بسرعة منخفضة وعزم دوران عالي : مغناطيسات NdFeB’ تسمح المجالات المغناطيسية القوية للمولدات بإنتاج عزم دوران كافٍ عند سرعات دوران منخفضة (على سبيل المثال، 5–(20 دورة في الدقيقة للتوربينات الكبيرة). يتوافق هذا مع سرعة الدوران الطبيعية لشفرات توربينات الرياح، مما يتجنب الحاجة إلى مضاعفة السرعة.

• تقليل الخسائر الميكانيكية :تعمل أنظمة الدفع المباشر على تقليل خسائر الطاقة المرتبطة باحتكاك التروس والتزييت، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة الإجمالية من خلال 5–15%. بالنسبة لتوربين بقدرة 3 ميجاوات، فإن هذا يترجم إلى مكسب سنوي للطاقة قدره 1،300–3900 ميجاوات ساعة، اعتمادًا على ظروف الرياح.

• تعزيز الموثوقية :إن وجود عدد أقل من الأجزاء المتحركة يقلل من خطر الفشل الميكانيكي، مما يؤدي إلى خفض تكاليف الصيانة ووقت التوقف عن العمل. لقد أثبتت التوربينات ذات الدفع المباشر باستخدام مغناطيسات NdFeB 20–عمر افتراضي أطول بنسبة 30% مقارنة بالأنظمة المجهزة.

3. كثافة الطاقة واكتناز المولد

مغناطيسات NdFeB’ كثافة الطاقة الاستثنائية تمكن من تصميم مولدات أصغر وأخف وزنًا دون التضحية بإخراج الطاقة:

• نسبة قوة إلى وزن أعلى :يمكن لمولد الدفع المباشر باستخدام مغناطيسات NdFeB أن ينتج نفس الطاقة التي ينتجها المولد المسنن مع 30–50% وزن أقل. على سبيل المثال، يزن مولد الدفع المباشر بقوة 2 ميجاوات حوالي 50 طنًا، مقارنة بـ 75 طنًا لمولد مكافئ ذي تروس. يؤدي هذا إلى تقليل تكاليف البرج والأساس، والتي تمثل 20–25% من إجمالي تكاليف التوربينات.

• كفاءة المساحة :تتيح المولدات المدمجة إمكانية التركيب بشكل أكثر مرونة، بما في ذلك البيئات البحرية والحضرية حيث تكون المساحة محدودة. كما أن الحجم الصغير يسهل أيضًا عملية النقل والتجميع، مما يخفض التكاليف اللوجستية.

4. استقرار درجة الحرارة وثبات الأداء

تعمل توربينات الرياح في مناخات متنوعة، من برودة القطب الشمالي إلى حرارة الصحراء. مغناطيسات NdFeB’ يضمن استقرار درجة الحرارة الأداء المتسق:

• درجات الإكراه العالية :تتضمن سبائك NdFeB الحديثة (على سبيل المثال، N52H، N42SH) الديسبروسيوم أو التربيوم للحفاظ على القوة القسرية في درجات حرارة تصل إلى 150°C. ويمنع هذا إزالة المغناطيسية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، مما يضمن إنتاج طاقة مستقر.

• الإدارة الحرارية :غالبًا ما يتم دمج أنظمة التبريد المتقدمة، مثل التبريد السائل أو دوران الهواء القسري، في مولدات تعتمد على NdFeB لتبديد الحرارة المتولدة أثناء التشغيل. ويعمل هذا على تعزيز الموثوقية والكفاءة في الظروف القاسية.

5. دراسة حالة: توربينات الرياح بقدرة ميجاواط

توربينات الرياح واسعة النطاق (1.5–(10 ميجاوات) تستخدم بشكل متزايد مغناطيسات NdFeB في المولدات ذات الدفع المباشر. على سبيل المثال:

• A  توربين ذو دفع مباشر بقدرة 5 ميجاوات  توظف ما يقرب من 1–2 طن من مغناطيسات NdFeB لكل ميجاوات من القدرة. على الرغم من التكلفة المادية العالية، فإن النظام’مكاسب الكفاءة (10–(15% أكثر من التوربينات الموجهة) ومتطلبات الصيانة المنخفضة تؤدي إلى  التكلفة المتساوية للطاقة (LCOE)  تخفيض 8–12%.

• فيستاس’ توربين V164-9.5 ميجاوات ، أحد العالم’أكبرها، تستخدم مولدًا مباشرًا مع مغناطيسات NdFeB لتحقيق كفاءة ميكانيكية إلى كهربائية بنسبة 98%، متفوقة بشكل كبير على المنافسين المجهزين.

6. الاتجاهات والابتكارات المستقبلية

مع ارتفاع أهداف طاقة الرياح، تستمر ترتيبات مغناطيس NdFeB في التطور:

• أنظمة المغناطيس الهجينة :يمكن أن يؤدي الجمع بين مغناطيس NdFeB مع مغناطيس الفريت أو مغناطيس الساماريوم والكوبالت (SmCo) إلى تقليل الاعتماد على العناصر الأرضية النادرة مع الحفاظ على الأداء. على سبيل المثال، قد يستخدم الدوار الهجين مغناطيسات NdFeB في المناطق ذات الضغط العالي ومغناطيسات الفريت في أماكن أخرى.

• مغناطيسات مطبوعة ثلاثية الأبعاد :تمكن تقنيات التصنيع الإضافي من إنتاج أشكال مغناطيسية معقدة ومُحسّنة لتصاميم المولدات المحددة، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة وتقليل النفايات بشكل أكبر.

• إعادة التدوير والاستدامة :تكتسب الجهود المبذولة لاستعادة مغناطيسات NdFeB من التوربينات التي انتهى عمرها التشغيلي زخمًا متزايدًا، مما يعالج المخاوف المتعلقة بسلسلة التوريد ويقلل من التأثير البيئي.

خاتمة

يعد ترتيب مغناطيسات NdFeB في مولدات طاقة الرياح عاملاً حاسماً في تعزيز كفاءة توليد الطاقة. من خلال تحسين توزيع المجال المغناطيسي، وتمكين أنظمة الدفع المباشر، وتحسين كثافة الطاقة، تسمح هذه المغناطيسات بإنشاء مولدات أصغر وأخف وزناً وأكثر موثوقية. ويضمن استقرار درجة حرارتها أداءً متسقًا في مختلف المناخات، في حين تعد الابتكارات في الأنظمة الهجينة وإعادة التدوير بنمو مستدام طويل الأجل. مع ارتفاع الطلب العالمي على الطاقة المتجددة، ستظل مغناطيسات NdFeB ضرورية للغاية في تعزيز كفاءة وموثوقية أنظمة طاقة الرياح.