توربينات رياح دون شفرات تنتج أكبر قدر من الكهرباء.. كيف تعمل؟

توصّل فريق بحثي إلى تصميم جديد لتوربينات رياح دون شفرات (BWTs)، من شأنها أن تحقق توازنًا بين توليد الكهرباء والمتانة للوصول إلى إنتاج يتجاوز القدرات الحالية.

واستعمل مهندسون من جامعة غلاسكو محاكاة حاسوبية متطورة لتوربينات رياح دون شفرات، لتحديد كيفية بناء أجيال مستقبلية من هذه التقنية لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة، وذلك لأول مرة.

ووفق المعلومات لدى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، كشفت عمليات المحاكاة التي أجراها الفريق لآلاف التصميمات عن "نقطة مثالية" تُمكّنهم من تعظيم توليد الكهرباء دون المساس بمتانة الهيكل.

ونُشرت الورقة البحثية، بعنوان "تحليل الأداء والتحسين الهندسي لتوربينات رياح دون شفرات"، في مجلة رينيوبل إنرجي (Renewable Energy).

تطوير توربينات رياح دون شفرات

أشار الباحثون إلى أن هذه النتائج يُمكن أن تُساعد قطاع الطاقة المتجددة على تطوير توربينات رياح دون شفرات، التي لا تزال في مراحلها الأولى من البحث والتطوير، من تجارب ميدانية صغيرة النطاق إلى أشكال عملية لتوليد الكهرباء للشبكات الوطنية.

ووفق المعلومات لدى منصة الطاقة المتخصصة؛ فإن مزايا توربينات الرياح دون شفرات عديدة؛ فهي أكثر هدوءًا، وتشغل مساحة أقل، وعادةً ما تتطلب صيانة أقل بفضل تصميمها البسيط.

ومن المثير للاهتمام أن توربينات الرياح دون شفرات تُعد أكثر أمانًا للطيور بصفة خاصة.

بالنسبة للكائنات الطائرة، قد تبدو شفرات التوربينات القياسية سريعة الدوران مثل الضباب أو حتى تكون غير مرئية بسبب تأثير "تشويش الحركة"، وغالبًا ما يزيد هذا من خطر الاصطدامات.

وتُعد توربينات الرياح التقليدية الخيار الأمثل لتحويل الرياح إلى كهرباء؛ إذ تحوّل هذه التوربينات طاقة الرياح الحركية مباشرةً إلى حركة دورانية للشفرات، والتي بدورها تُشغّل مولدًا لإنتاج الكهرباء.

من ناحية أخرى، تعمل توربينات الرياح دون شفرات على مبدأ مختلف تمامًا يُسمى الاهتزاز الناجم عن الدوامة (VIV)؛ وبدلًا من الشفرات الدوارة، عادةً ما تكون توربينات الرياح دون شفرات هياكل أسطوانية طويلة ورفيعة، تتأرجح مع الرياح.

وتُولّد حركة الرياح دوامات هوائية متناوبة، تُحرّك بدورها الهيكل بأكمله؛ وعندما تتطابق حركة التأرجح هذه تمامًا مع تردد الاهتزاز الطبيعي للهيكل، تتضاعف الحركة بشكل كبير؛ ثم تُحوّل هذه الحركة المتزايدة مباشرةً إلى كهرباء، بحسب ما جاء في الورقة البحثية.

كيف يعمل التصميم الجديد لتوربينات الرياح؟

في الورقة البحثية الجديدة، أظهر المهندسون كيف استعملوا تقنيات النمذجة الحاسوبية لمحاكاة أداء آلاف الأنواع المختلفة من تصميم توربينات الرياح دون شفرات.

وقال الدكتور ويريك ماليك، من كلية جيمس واط للهندسة بجامعة غلاسكو، وهو أحد المؤلفين المُراسلين للورقة البحثية: "ما تُظهره هذه الدراسة لأول مرة هو أن الهيكل الأعلى كفاءةً في استخراج الطاقة، على عكس المتوقع، ليس هو الهيكل الذي يُقدم أعلى إنتاج للكهرباء".

وأضاف ماليك: "بدلًا من ذلك، حددنا نقطة الوسط المثالية بين متغيرات التصميم لتعظيم قدرة توربينات الرياح دون شفرات على توليد الكهرباء مع الحفاظ على قوتها الهيكلية".

وتُقدم نتائج الدراسة رؤى جديدة حول كيفية تأثير أبعاد الصاري (مثل ارتفاعه وعرضه) على كل من كمية الكهرباء المولدة والسلامة الهيكلية لتوربينات الرياح دون شفرات.

وتتمثل النتيجة الرئيسة التي توصلوا إليها في وجود تصميم مثالي لتوربينات الرياح يُنشئ "نقطة مثالية"؛ حيث يتم تعظيم توليد الكهرباء مقابل قوة الهيكل.

ووفق الأرقام التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة؛ فإن التصميم المثالي، الذي يوازن بدقة بين توليك الكهرباء والمتانة، هو صاري بطول 80 سنتيمترًا (31.4 بوصة) وقطر 65 سنتيمترًا (25.4 بوصة).

ووجد الفريق أن هذا التصميم يُمكّن من إنتاج هائل يبلغ 460 واط، متجاوزًا بذلك النماذج الأولية الحالية التي تصل قدرتها القصوى إلى نحو 100 واط.

وتُعد هذه النتائج بالغة الأهمية لضمان السلامة الهيكلية في ظل رياح تتراوح سرعتها بين 20 و70 ميلًا في الساعة.

ويعتقد الباحثون أن منهجيتهم يُمكن أن تُمكّن من توسيع نطاق توربينات الرياح دون شفرات لإنتاج 1000 واط (كيلوواط واحد) أو أكثر.

دور توربينات الرياح دون شفرات

قال الدكتور ويريك ماليك: "في المستقبل، يمكن أن تؤدي توربينات الرياح دون شفرات دورًا بالغ الأهمية في توليد طاقة الرياح في البيئات الحضرية؛ حيث تكون توربينات الرياح التقليدية أقل فائدة".

وتابع: "توربينات الرياح دون شفرات أكثر هدوءًا من توربينات الرياح، وتشغل مساحةً أقل، وتُشكل تهديدًا أقل للحياة البرية، وتحتوي على أجزاء متحركة أقل؛ لذا من المتوقع أن تتطلب صيانة دورية أقل".

وقال المؤلف المُراسل، الأستاذ سونديبون أديكاري، من كلية جيمس واط للهندسة: "نأمل في أن يُساعد هذا البحث في تحفيز الصناعة على تطوير نماذج أولية جديدة لتصاميم توربينات الرياح دون شفرات من خلال عرض واضح للتصميم الأكثر كفاءة".

وأضاف: "إن إزالة بعض التخمينات المتعلقة بتحسين النماذج الأولية قد تُسهم في جعل توربينات الرياح دون شفرات جزءًا أكثر فائدة من الأدوات العالمية لتحقيق الحياد الكربوني من خلال مصادر الطاقة المتجددة".

كما قال: "نخطط لمواصلة تحسين فهمنا لتصميم توربينات الرياح دون شفرات وكيفية توسيع نطاق هذه التقنية لتوفير الكهرباء عبر مجموعة واسعة من التطبيقات".

"كما نتطلع إلى استكشاف كيف يُمكن للمواد الفائقة -وهي مواد مصممة خصيصًا ومُعدَّلة بدقة لإضفاء خصائص غير موجودة في الطبيعة- أن تعزز فاعلية توربينات الرياح دون شفرات في السنوات المقبلة".

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

المصادر:

1. تصميم جديد لتوربينات رياح دون شفرات من الموقع الرسمي لجامعة غلاسكو.
2. الورقة البحثية بشأن توربينات رياح دون شفرات من مجلة "رينيوبل إنرجي".