تعزيز التقاط الطاقة: أجهزة عمود ماء متأرجح بغرفة واحدة وغرفتين تحت أمواج متقاربة

تحويل الأمواج إلى طاقة موثوقة

تحمل أمواج المحيط كميات هائلة من الطاقة، لكن التقاط هذه الطاقة بكفاءة ثبت أنه أمر صعب ومكلف. تستكشف هذه الدراسة كيفية دمج جدران ساحلية خاصة مع نوع بسيط من آلات الأمواج، يُسمى عمود الماء المتأرجح (OWC)، لزيادة إنتاج الكهرباء من كل موجة عابرة بشكل كبير. بالنسبة للمجتمعات الساحلية التي تبحث عن طاقة نظيفة ومتوقعة، قد تجعل هذه التصاميم الأذكى طاقة الأمواج خيارًا عمليًا أكثر.

تركيز قوة المحيط

بدلاً من وضع الأجهزة عشوائياً في البحر، تبحث الدراسة في تشكيل الساحل نفسه ليستفيد من عمله. يعمل جدار مقوس على شكل قطع مكافئ كمرآة عملاقة للأمواج: فعندما تتقدم الأمواج، ينحني الجدار ويعيد توجيهها نحو منطقة تركيز واحدة تتراكم فيها الارتفاعات ومستويات الطاقة. يضع المؤلفون جهاز OWC مباشرة في هذه النقطة الساخنة. الـ OWC هو في الأساس حجرة مجوفة مفتوحة إلى البحر من الأسفل، مع هواء محبوس فوق الماء وتوربين مركب في الأعلى. عندما يرتفع ويهبط مستوى المياه داخل الحجرة بسبب الأمواج، يُدفع الهواء ذهابًا وإيابًا عبر التوربين لإنتاج الطاقة. من خلال دمج هذا الجهاز البسيط مع ساحل مشكل بعناية، يهدف الفريق إلى مضاعفة الطاقة المتاحة دون إضافة أجزاء متحركة في الماء.

ضبط غرفة واحدة لتحقيق أقصى تأثير

يسأل الجزء الأول من العمل سؤالاً أساسياً: ما حجم الغرفة الأمثل لمواءمة أفضل مع الأمواج المركزة؟ باستخدام نموذج حاسوبي مفصّل، تم التحقق منه مقابل تجارب مخبرية، يغيّر الباحثون نصف القطر والعمق لغرفة أسطوانية واحدة عند نقطة التركيز. يجدون أن نظام الجدار-الجهاز يدعم بشكل طبيعي فترتين رنانتين رئيسيتين حيث يستجيب الجهاز بقوة خاصة. عند هذه النقاط المثلى، يمكن لغرفة ذات حجم أمثل أن تمتص ما يصل إلى 17 ضعف الطاقة مقارنة بنفس الجهاز الموضوع وحده في مياه مفتوحة. ومع ذلك، فإن جعل الغرفة كبيرة جداً يضر بالأداء. فالبنية الكبيرة تعكس الكثير من الأمواج المركزة بدلاً من السماح لها بتحريك الماء داخل الحجرة، مما يقلص الأداء بشدة بالنسبة للأمواج الأقصر والأكثر تكرارًا.

السماح للأمواج بالدخول من الخلف

بعد ذلك، يفكر المؤلفون فيما يحدث خلف الجهاز مباشرة. لأن نقطة التركيز الحقيقية للأمواج المتقاربة يمكن أن تتحرك قليلاً، غالبًا ما تتشكل منطقة ذات طاقة موجية عالية على الجانب الريحي، أسفل مجرى الجهاز الرئيسي. لاستغلال هذا المورد المغمور، يقدمون ثقبًا خلفيًا—نوعًا من الفتحة في مؤخرة الـ OWC بحيث يمكن لمزيد من الأمواج المركزة الدخول. عن طريق تقليل عمق هذا الجزء الخلفي تحت الماء وتوسيع الفتحة، يصبح الجهاز أكثر شفافية تجاه الأمواج عالية التردد، التي يمكنها بعد ذلك الدخول إلى الحجرة بسهولة أكبر. في تصميمهم المحسّن، يقفز معامل عرض الالتقاط—مقاييس معيارية لمقدار طاقة الأمواج التي يمكن للجهاز حصادها—إلى حوالي 25 ضعفًا مقارنةً بـ OWC معزول، مما يُظهر كيف يمكن لتعديلات هندسية بسيطة إطلاق مكاسب كبيرة.

إضافة غرفة ثانية لمدى أوسع

حتى مع الضبط والفتحات، لا يمكن لمجرة واحدة أن تكون مضبوطة تمامًا إلا لطيف ضيق من فترات الأمواج. لتوسيع النطاق المفيد، تقترح الدراسة إضافة غرفة نصف دائرية ثانية على الجانب الخلفي، مكونة جهازًا ذو غرفتين. لكل غرفة فترة موجية مفضلة خاصة بها، لذا تعملان معًا كزوج من مستقبلات متداخلة. تكشف النماذج أن الغرفة الثانية لا تلتقط فقط منطقة الطاقة العالية خلف الجهاز الأول، بل تسد أيضًا الفجوات حيث يؤدّي الجهاز الأمامي أداءً ضعيفًا. ونتيجة لذلك، ترتفع القمتان الرئيسيتان للطاقة للنظام المدمج بنحو 41% و22%، ويحافظ الجهاز على أداء قوي عبر نطاق أوسع من ظروف الأمواج. كما تُحسّن الاختيارات الدقيقة لعمق ونصف قطر الحجرة هذا التأثير، مع مجموعات أحجام معينة تعظّم كلًا من إجمالي الطاقة الملتقطة والنطاق التشغيلي المفيد.

من سواحل المختبر إلى الشواطئ الحقيقية

بالنسبة لغير المتخصص، الخلاصة هي أن تشكيل كل من خط الساحل وجهاز الموج بعناية يمكن أن يحوّل طاقة الأمواج من تقنية متخصصة إلى مصدر طاقة متجدد أكثر كفاءة ومرونة. من خلال استخدام جدار مكافئ لتركيز الأمواج وتفصيل أجهزة OWC ذات الغرفة الواحدة والغرفتين لالتقاط تلك الطاقة المركزة، يُظهر الباحثون أنه من الممكن مضاعفة التقاط الطاقة مرات عديدة دون إضافة تعقيد ميكانيكي في البحر. ومع أن العمل الحالي يركّز على ظروف أمواج مُثالية، فإنه يضع قواعد تصميم عملية يمكن للمهندسين تكييفها مع السواحل الحقيقية، مجيبة بذلك إمكانية توفير طاقة مدفوعة بالأمواج موثوقة للمجتمعات الساحلية خطوة أقرب.

الاستشهاد: Zhou, Y., Wang, Z. & Geng, J. Enhancing energy capture: single- and dual-chamber oscillating water column devices under converging waves. Commun Eng 5, 29 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00584-w

الكلمات المفتاحية: طاقة الأمواج, عمود الماء المتأرجح, جدار ساحلي قطع مكافئ, طاقة متجددة, هندسة بحرية