تقييم تأثير أنظمة هجينة جديدة من كسارات أمواج عائمة ومحطات طاقة موجية على الأداء الهيدروديناميكي ومخرجات الطاقة المستدامة

تحويل حواجز الموانئ إلى محطات طاقة نظيفة

تُنفق المدن الساحلية مبالغ كبيرة لبناء جدران تهدئ الأمواج حتى يتسنى للسفن الرسو بأمان ولا تتآكل السواحل. تطرح هذه الدراسة سؤالاً بسيطاً لكنه جوهري: ماذا لو أمكن لتلك الحواجز الوقائية أن تعمل أيضاً كمحطات طاقة هادئة تولّد كهرباء نظيفة من نفس الأمواج التي تهدئها؟ من خلال إعادة تشكيل كاسر أمواج عائم وإضافة توربين هوائي مدمج، يوضّح الباحثون كيف يمكن دمج الحماية الساحلية مع الطاقة المتجددة في هيكل عائم واحد.

لماذا تُعد الأمواج كنز طاقة غير مستغل

تحمل أمواج المحيط طاقة كثيفة ومتوقعة، ومع ذلك تعتمد معظم السواحل على الوقود الأحفوري. اقترحت العديد من الأجهزة لاستخراج طاقة الموج، لكنها قد تكون معقدة أو مكلفة أو صعبة الصيانة في البحر. أحد أبسط المفاهيم هو عمود الماء المتأرجح: صندوق أجوف مغمور جزئياً في الماء، مفتوح من الأسفل بحيث تدفع الأمواج سطح الماء الداخلي صعوداً وهبوطاً. تضغط هذه الحركة وتحرر وسادة هوائية محتبسة، فتدفعها ذهاباً وإياباً عبر توربين متصل بمولد. الفائدة أن التوربين الهوائي هو وحده الجزء المتحرك، بينما الباقي قشرة متينة يمكن أن تعمل أيضاً ككاسر أمواج.

بناء واختبار درع أمواج عائم

لاستكشاف هذه الفكرة، بنى الفريق نماذج مقياسية لكاسر أمواج عائم معلق مزود بعمود ماء متأرجح واختبرها في قناة أمواج بطول 13 متراً. تدفقت أمواج منتظمة بأطوال وارتفاعات مختلفة نحو أربع نسخ من الهيئة، كل منها بجدار خلفي مختلف لشُعبة العمود. سمحت الجدران الشفافة للباحثين بمراقبة سطح الماء أثناء ارتفاعه وهبوطه، في حين قاست مقاييس الأمواج مقدار كل موجة واردة تم عكسها أو نقلها أو ضياعها في الاضطراب. تتبّع حساس ضغط مدى انضغاط الهواء المحتبس، وحوّل توربين ويلز الصغير—الذي صُمِّمت شفراته لتدور في نفس الاتجاه مهما انعكس اتجاه تدفق الهواء—حركة الهواء إلى طاقة كهربائية تُراقب بواسطة مقاييس الفولت والأمبير.

كيف يتحكم الشكل في تهدئة الأمواج ومخرجات الطاقة

السؤال التصميمي المركزي كان كيفية تأثير هندسة الجدار الخلفي وعمق الفتحة الأمامية على الأداء. قارن الفريق طوف صندوقي بسيط مع ثلاث نسخ متقدمة، بما في ذلك واحدة ذات جدار خلفي مائل طويل (النموذج د). وجدوا أن نسبة عرض الجهاز إلى طول الموجة والغاطس، أو عمق الجدار الأمامي المغمور، أثّرتا تأثيراً كبيراً على السلوك. مع زيادة العرض النسبي، انخفضت انعكاسات الموجات في البداية—مما يعني أن طاقة أقل ارتدت إلى البحر—ثم عادت للارتفاع مجدداً. عند إعدادات معينة، وخصوصاً للنموذج د، أصبحت الانعكاسات منخفضة جداً بينما ارتفع فقدان الطاقة داخل البنية بشكل كبير، مما أظهر أن الأمواج لم تُهدأ بالردّ ولكن بتحويلها إلى حركة هوائية واضطراب داخل الحجرة.

التصميم المميز: ميل لطيف وآثار قوية

من بين الأشكال الأربعة، برز النموذج د—بجدرانه الخلفية المائلة الطويلة وفتحة أمامية معتدلة العمق—كالأكثر فعالية. عند مستوى مُمثل لمياه أعمق، جمع بين انعكاس منخفض وتبدد عالٍ للطاقة الموجية وتقلبات ضغط هوائي قوية داخل الحجرة. عملياً، يعني ذلك أن أمواجاً أصغر وأكثر هدوءاً تمر خلف الهيكل بينما تُحوَّل حصة كبيرة من الطاقة الواردة إلى طاقة هوائية ثم إلى كهرباء. يقدّر الباحثون أن نسخة بالحجم الحقيقي تعمل في بحار شبيهة بالمتوسط قد توفر عدة كيلووات بشكل مستمر، ما يكفي لتشغيل أضواء الملاحة ومستشعرات بيئية أو وحدات تحلية صغيرة على طول الميناء إلى جانب تقليل تأثير الأمواج على السفن والأرصفة.

ما يعنيه هذا للسواحل المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة واضحة: من خلال تشكيل كاسر أمواج عائم بعناية وإضافة توربين هوائي بسيط، من الممكن بناء هياكل تحمي السواحل وتولد طاقة متجددة بصمت. التصميم المحسّن بجدار مائل المختبر هنا يعمل جيداً عبر نطاق واسع من حالات البحر، مما يشير إلى إمكانية تكييفه مع العديد من السواحل شبه المحمية ومداخل الموانئ. وبينما لا تزال هناك حاجة لاختبارات إضافية في خزانات أكبر ومع أمواج غير منتظمة وعاصفة، تشير هذه الدراسة إلى مستقبل قد تقوم فيه الدفاعات الساحلية بوظيفتين—حماية المجتمعات والمساهمة في تزويدها بالطاقة من الصعود والهبوط اللامتناهي للبحر.

الاستشهاد: Hamed, B., Elkiki, M., Abdellah, S. et al. Assessing the impact of novel hybrid floating breakwater-WEC systems on hydrodynamic performance and sustainable energy outputs. Sci Rep 16, 7189 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37290-8

الكلمات المفتاحية: طاقة الموج, كاسر أمواج عائم, عمود ماء متأرجح, حماية ساحلية, طاقة متجددة