توربينات رياح بأجنحة نسور.. تقنية حديثة تنتظر التطبيق

طوّر باحثون توربينات رياح جديدة قادرة على إنتاج كميات أكبر من الكهرباء النظيفة، عبر محاكاة الخصائص الطبيعية التي تتمتّع بها أجنحة نوع من الطيور الجارحة.

وتُسهِم تلك التقنية الجديدة في تسريع جهود التحوّل الأخضر والتحوط من الصدمات الخارجية المحتملة عبر تعزيز أمن الطاقة.

وسجّل الطلب على توربينات طاقة الرياح في العالم زيادةً بنحو 12%، خلال العام الماضي (2023)، مرتفعًا إلى أعلى مستوى سنوي على الإطلاق بقيادة الصين، وفق تقديرات تابعتها منصة الطاقة المتخصصة.

وقفزت طلبات الشراء المؤكدة لتوربينات طاقة الرياح عالميًا إلى 155 غيغاواط خلال 2023، صعودًا بواقع 16 غيغاواط قياسًا بالعام السابق (2022).

نسور كندور الأنديز

مثّلت أجنحة نسور كندور الأنديز التي تتسم بخاصية الديناميكا الهوائية التي تقلل السحب، مصدر إلهام للعلماء في إنشاء جُنيحات، والتي، عند إضافتها إلى شفرة توربينات الرياح، تعزز إنتاج الكهرباء بنسبة 10%، وفقًا لنتائج دراسة حديثة أجراها باحثون في جامعة ألبرتا الكندية، ونشرتها قاعدة البيانات ساينس دايركت (Science Direct) العلمية التابعة لدار النشر الهولندية إلزيفير (Elsevier).

والجنيح هو جهاز يُركَّب على طرف جناح الطائرة ويعمل -أساسًا- على تقليل السحب وتحسين كفاءة الوقود وزيادة قوة الرفع.

ويتراوح طول جناح نسر كندور الأنديز -نوع من طيور قارة أميركا الجنوبية ينتمي لفصيلة النسور- من 10 إلى 12 قدمًا (من 2 إلى 3.7 مترًا)، وهو يُعَد أكبر طائر لديه القدرة على الطيران في العالم.

ورغم وزنه الذي يبلغ 16 كيلوغرامًا؛ تعمل خاصية الديناميكا الهوائية التي تتسم بها أجنحة النسر على تقليل السحب المستحث؛ ما يتيح لتلك الطيور الجارحة التحليق لمسافات طويلة دون رفرفة بأجنحتها، لمسافة تصل إلى 150 ميلًا (241 كيلومترًا في اليوم).

والسحب المستحث (Induced Drag) هو مُنتَج ثانوي للرفع أو القوة السفلية، ويحدث الرفع أو القوة السفلية بسبب وجود فرق ضغط، وفق معلومات تتبّعتها منصة الطاقة المتخصصة.

واستكشف الباحثون في قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة ألبرتا إذا كانت إضافة جُنيح إلى شفرة توربين رياح يمكنها -كذلك- تقليل السحب وزيادة معدل الكهرباء المستدامة المولدة.

الديناميكا الهوائية

تستعمل شفرات توربينات الرياح خاصية الديناميكا الهوائية لتوليد الكهرباء من الرياح، غير أن ضمان توليد تلك التوربينات أكبر كمية من الكهرباء قدر المستطاع مهم جدًا إذا كان هناك اعتماد كلي على إنتاج الطاقة النظيفة المستدامة.

ويشير مصطلح الديناميكا الهوائية إلى ذلك العلم الذي يُعنَى بدراسة القُوى المؤثرة في جسم ما خلال حركته في الهواء.

وأشارت الدراسة إلى أن السحب الناتج عن الرفع هو ما يقلل -في العادة- كفاءة توربينات الرياح، موضحةً أنه بينما تمر شفرة التوربين عبر الهواء تتكوّن طبقة من الضغط الهوائي المنخفض على الجزء العلوي لها (الجانب المخصص للشفط).

ويحتاج الهواء ذو الضغط العالي الموجود أسفل الشفرة (جانب الضغط) إلى تحقيق التوازن مع منطقة الضغط المنخفض أعلاه؛ ما يؤدي إلى حصول دوامات طرفية، وهي هواء يتدفّق من أطراف الشفرة في شكل حلزوني.

وتشير الدوامات الطرفية (Wingtip vortices) إلى أنماط دائرية من دوران الهواء تُترك خلف الجناح في أثناء توليده قوة الرفع، وتعمل الدوامات على تحويل تدفق الهواء إلى الأسفل؛ ما يؤدي إلى حدوث سحب مستحث.

أجنحة الطائرات

بينما تقلل معظم الطائرات الحديثة السحب المستحث باستعمال الأجنحة بهدف خفض تأثير الدوامات الطرفية؛ فإن تطبيق ذلك على صناعة الرياح ما زال في مراحله الأولى.

ولاحظت الدراسات التي أجريت على توربينات رياح مزوّدة بأجنحة زيادة في إنتاج الكهرباء، لكن يأتي هذا في الغالب على حساب تمديد طرف الشفرة؛ ما يجعل من الصعب التحقق مما إذا كانت تلك الزيادة مرتبطة ارتباطًا مباشرًا بالجناح أو بزيادة في المنطقة الرطبة للشفرة، وهي المنطقة المتصلة بالتدفق الهوائي الخارجي.

ولتوضيح هذا الأمر لجأ الباحثون في جامعة ألبرتا إلى شركة بيوم رينيوابولز (Biome Renewables) الكندية المتخصصة في إنشاء التصميمات الصناعية والتي تنشط في تصنيع منتجات الطاقة النظيفة عبر محاكاة الطبيعة؛ حيث صممت أجنحة مُستلهَمة من أجنحة نسر كندور الأنديز وركّبتها في شفرات توربينات رياح.

واستعمل الباحثون عمليات المحاكاة الحاسوبية لتحديد التأثير الناجم عن إضافة الجناح بوساطة شركة بيوم إلى تلك التوربينات، في تعزيز كميات الكهرباء المولدة.

ووجد الباحثون أن إضافة الجناح قد زادت فرق الضغط بين سطح الشفط وسطح الضغط على طول امتداد الشفرة؛ ما قاد إلى رفع عزم دوران التوربين (قوة الدوران حول المحور)، وتعزيز توليد الكهرباء، وفق نتائج تابعتها منصة الطاقة المتخصصة.

ولامس متوسط تلك الزيادة 10%، وهو ما عزاه فريق البحث إلى التغيرات الديناميكية الهوائية الناتجة عن الجنيح المُركَب.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..