تحسين تجريبي للمولدات من نوع القرص لاستخراج الطاقة الهيدروكينية منخفضة السرعة

تحويل التيارات الهادئة إلى طاقة مفيدة

المحيطات والأنهار مليئة بالمياه بطيئة الحركة التي تتدفق ليلاً ونهاراً، لكن معظم التوربينات اليوم تحتاج إلى تيارات أسرع لتوليد الكهرباء بكفاءة. تستكشف هذه الدراسة طريقة مختلفة للاستفادة من تلك الطاقة الهادئة والثابتة: بدل تدوير شفرات كبيرة، تتيح لجسم صغير في الجريان "الرقص" ذهاباً وإياباً وتستخدم تلك الحركة لتشغيل مولدات مدمجة على شكل أقراص. توضح العمل كيف يمكن ضبط هذه الأجهزة بحيث تنتج الكهرباء بشكل موثوق حتى من التيارات المتواضعة لأجهزة استشعار بحرية أو أضواء ملاحة أو احتياجات منخفضة الطاقة أخرى.

جعل الماء يدفع بدلاً من أن يدور

تعتمد التوربينات المائية التقليدية على الدوران المستمر، الذي يصبح غير فعال وحجمي عندما تكون حركة الماء بطيئة. يتبع النظام المختبر هنا مساراً مختلفاً. تم تثبيت موشور معدني مثلثي على نوابض في قناة مخبرية كبيرة وسمح له بالحركة الجانبية بينما يتدفق الماء حوله. الماء المتحرك يولد دوامات وقوى غير مستقرة على الموشور، مما يجعله يهتز أو حتى "يجرال" (gallop) بتأرجحات كبيرة. تُحول تلك الحركات الجانبية إلى دوران عبر رابط ميكانيكي بسيط يُشغّل مولد قرصي مستوٍ موضوع بأمان فوق الماء. وبما أن مولدات الأقراص مدمجة وتنتج عزم دوران عالٍ عند سرعات منخفضة ويمكن مزامنتها مع الحركة الاهتزازية، فهي واعدة لاستخراج الطاقة من التيارات البطيئة.

لماذا يهم شكل الموشور و"رقصته"

اختار الباحثون موشوراً مثلثياً متساوي الأضلاع لأن دراسات سابقة أظهرت أن هذا الشكل يمكن أن يتفادى السلوكيات التي تحد من الذات ويحافظ على اهتزاز قوي حتى عند سرعات جريان منخفضة. مع زيادة سرعة التيار، تمر حركة الموشور بعدة أنماط. أولاً يظهر الاهتزاز الناجم عن الدوامات، حيث تظهر تذبذبات صغيرة ومنتظمة نسبياً بسبب دوامات تُفقد من الموشور. عند سرعات أعلى، تنتقل الحركة إلى حالة الجالوبينغ، حيث يؤدي تغذية راجعة بين الجريان والحركة إلى تأرجحات أكبر وأكثر طاقة. في حالة الجالوبينغ هذه، يرسم الموشور أقواساً واسعة بإيقاع ثابت جداً، وهو مثالي لتشغيل مولد. قاس الفريق بعناية تواريخ الإزاحة وطيف الترددات لتعقب كيف تتغير أنماط الحركة هذه مع تغيّر سرعة الماء والمقاومة الكهربائية المتصلة بالمولد.

ضبط الحمولة الكهربائية لتتلاءم مع الحركة

أحد الأفكار الأساسية في العمل هو أن الجانب الكهربائي من النظام يعمل كنوع من المكابح المضافة على الحركة. عندما يُوصل المولد بمقاومة، تُنتَج طاقة كهربائية، لكن هذه العملية تُفرض أيضاً تخميداً كهرومغناطيسياً يمكن أن يساعد أو يعيق الاهتزاز. تخميد قليل جداً يهدر الطاقة المحتملة؛ كثير جداً يخنق الحركة. عبر تغيير مقاومة الحمل بشكل منتظم، أظهر المؤلفون أن لكل مولد "نقطة مثالية" خاصة به حيث تتوافق الحركة الميكانيكية والاستخلاص الكهربائي بأفضل شكل. في هذا النطاق، لا يزال الموشور يتحرك بقوة—خصوصاً في نظام الجالوبينغ—بينما يسحب المولد جزءاً كبيراً من طاقة الجريان كقدرة مفيدة.

إيجاد أفضل حجم للمولد

قارن الفريق عدة مولدات قرصية بدون قلب وبتدفق محوري مصنفة عند 50 و100 و200 و300 واط، كلها مُشغَّلة بنفس الموشور المثلثي في تيارات بين حوالي 0.56 و1.21 متر في الثانية. وجدوا أن الوحدة الأصغر لم توفر تخميداً كافياً للحصاد الفعال، بينما دفعت الأكبر النظام بقوة نحو حالة الجالوبينغ لكنها لم تحوّل تلك الحركة إلى طاقة بفعالية كما كان مأمولاً. ظهر مولد بقوة 200 واط كأفضل حل وسط: عند تحميل كهربائي محسن أنتج ذروة خرج تقارب 21 واط في الظروف المختبرة وبلغ كفاءة تحويل قصوى تزيد قليلاً عن 12 بالمئة من طاقة الموائع النظرية المتاحة للجهاز.

ما معنى هذا لمستقبل طاقة المحيط

لغير المختصين، الرسالة الرئيسية هي أن هناك أكثر من طريقة لتوليد الكهرباء من الماء، وأن تدوير التوربينات الشبيهة بالمروحة ليس دائماً الخيار الأفضل. عبر السماح لجسم بسيط بالتأرجح والانقلاب في التيار وربط تلك الحركة بمولد قرصي مضبوط بعناية، يمكن سحب طاقة مفيدة من التيارات اللطيفة الشائعة في السواحل والأنهار. تظهر التجارب أنه مع هندسة موشور مناسبة وحجم مولد وحمل كهربائي ملائمين، يمكن لهذه الأنظمة أن تعمل بثبات في حركة جالوبينغ ذات سعات كبيرة وتحقق كفاءات واعدة. هذا يجعلها مرشحة جذابة لتغذية أجهزة بحرية موزعة حيث تكون الموثوقية والاتساق والحجم الصغير والتشغيل في التيارات منخفضة السرعة أهم من إنتاج قدرة عالية جداً.

الاستشهاد: Wang, H., He, M., Li, G. et al. Experimental optimization of disc-type generators for low-velocity hydrokinetic energy harvesting. Sci Rep 16, 7692 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37988-9

الكلمات المفتاحية: الطاقة الهيدروكينية, الاهتزاز الناجم عن الجريان, محصل طاقة بالجالوبينغ, مولد من نوع القرص, طاقة تيار المحيط