تصميم توربينات الرياح بدون شفرات متأرجحة يولد 1000 واط من الكهرباء

كشفت عمليات محاكاة آلاف التصاميم، التي أجراها فريق بقيادة الدكتور ويريك ماليك من كلية جيمس وات للهندسة بجامعة غلاسكو، عن أفضل الحلول، مما يسمح بتعظيم توليد الطاقة دون المساس بقوة الهيكل. ونشروا تقريرهم في مجلة الطاقة المتجددة .

تتميز توربينات الرياح البيولوجية بمزايا عديدة، منها هدوء صوتها، وصغر حجمها، وقلة صيانتها بفضل تصميمها البسيط. وتُعدّ هذه التوربينات أكثر أمانًا للحيوانات، كالطيور مثلًا. فبالنسبة للحيوانات الطائرة، قد تبدو شفرات التوربينات العادية سريعة الدوران ضبابية أو حتى غير مرئية بسبب تأثير "ضبابية الحركة"، مما يزيد من خطر الاصطدام.

لفترة طويلة، كانت توربينات الرياح التقليدية هي الخيار الرئيسي لتحويل الرياح إلى كهرباء من خلال دوران الشفرات، والتي بدورها تعمل على تشغيل مولد لإنتاج الكهرباء.

على النقيض من ذلك، تعمل توربينات الماء المتحرك بمبدأ مختلف تمامًا يُسمى التذبذب المُستحث بالدوامة (VIV). فبدلًا من استخدام شفرات دوارة، تكون توربينات الماء المتحرك عادةً أعمدة طويلة ونحيلة تتأرجح كأعمدة الإنارة في مهب الريح.

تُولّد حركة الرياح دواماتٍ تُسبب اهتزاز الهيكل بأكمله. عندما تُطابق هذه الحركة التردد الطبيعي لاهتزاز الهيكل، تُضخّم الحركة بشكلٍ كبير. ثم تُحوّل هذه الحركة المُعزّزة مباشرةً إلى كهرباء.

في الدراسة الجديدة، استخدم المهندسون محاكاة حاسوبية لتحديد كيفية بناء الأجيال القادمة من توربينات المياه ذات الكتلة الحيوية لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة. وحدد ماليك وزملاؤه حلاً وسطًا مثاليًا بين اختلافات التصميم التي من شأنها تعظيم قدرة توربينات المياه ذات الكتلة الحيوية على توليد الكهرباء مع الحفاظ على متانة هيكلها.

تُقدم الدراسة رؤى جديدة حول تأثير أبعاد الأعمدة (مثل الارتفاع والعرض) على كلٍّ من إنتاج الطاقة والمتانة الهيكلية لأنابيب الوزن المتحرك. وقد وجد الفريق أن التصميم الأمثل هو عمود بارتفاع 80 سم وقطر 65 سم.

يمكن لهذا التوازن الأمثل بين القوة والمتانة أن يوفر طاقة هائلة تبلغ 460 واط، متفوقًا على النماذج الأولية العملية الحالية التي تصل فقط إلى حوالي 100 واط.

تُعد النتائج الجديدة بالغة الأهمية لضمان سلامة الهياكل في ظل رياح تتراوح سرعتها بين 32 و112 كم/ساعة. ووفقًا للفريق، فإن طريقتهم قد تسمح بتوسيع نطاق توربينات الرياح الحرارية لإنتاج 1000 واط (كيلوواط واحد) أو أكثر.