البحث الذي يُغيّر اللعبة يكشف عن إمكانيات جديدة لطاقة الرياح

• قام باحثو École Polytechnique Fédérale de Lausanne باستخدام خوارزمية تعلم وراثية لتحديد ملامح الدوران المثلى لشفرات أجنحة التوربينات الهوائية ذات المحور الرأسي.
• تعتبر التوربينات الهوائية ذات المحور الرأسي أكثر ودية للحياة البرية: نظرًا لأنها تدور جانبيًا، بدلاً من الدوران من الأعلى لأسفل، فإنها أسهل للطيور تجنبها.
• في حين أن سعة الطاقة الرياحية المثبتة في أوروبا تزداد بمقدار 19 جيجاوات سنويًا، فإن هذا الرقم يحتاج إلى أن يكون أقرب إلى 30 جيجاوات لتحقيق أهداف الأمم المتحدة لعام 2050 في انخفاض انبعاثات الكربون.

قام باحثو جامعة EPFL (المدرسة الفدرالية للتكنولوجيا في لوزان) باستخدام خوارزمية تعلم وراثية لتحديد ملامح الإمالة الأمثل لشفرات توربينات الرياح ذات المحور الرأسي. تتمتع توربينات الرياح ذات المحور الرأسي بإمكانية إنتاج طاقة عالية، ولكنها كانت حتى الآن عرضة لنبضات قوية من الرياح.

تم نشر الورقة التوضيحية مفتوحة المصدر في مجلة Nature Communications.

عندما تتخيل توربين الرياح الصناعي الحالي، ربما تتخيل تصميم المطحنة الهوائية، المعروف تقنيًا بتوربين الرياح ذو المحور الأفقي (HAWT). ولكن أول توربينات رياح تم تطويرها في الشرق الأوسط حوالي القرن الثامن لطحن الحبوب، كانت توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWT)، مما يعني أنها تدور عموديا على اتجاه الرياح بدلاً من أن تكون موازيةً.

بسبب سرعتها البطيئة في الدوران، تكون VAWTs أقل ضجيجًا من HAWTs وتحقق كثافة طاقة رياح أكبر، مما يعني أنها تحتاج إلى مساحة أقل للحصول على نفس الإنتاج سواء على البر أو في البحر. كما أن الشفرات أكثر ودية للحياة البرية: لأنها تدور جانبيًا بدلاً من الترسيخ من الأعلى، فإنها أسهل للطيور في تجنبها.

متعلق: يحذر المُنتجون الأستراليون من أزمة الغاز الطبيعي

مع هذه المزايا، لماذا تغيب تمامًا VAWTs عن سوق الطاقة الرياحية الحالية؟ كما يوضح سيباستيان لو فيوست، باحث في مختبر تشخيص التدفق الغير ثابت في كلية الهندسة (UNFOLD)، فإن الأمر يعود إلى مشكلة هندسية – التحكم في تدفق الهواء – والتي يعتقد أنه يمكن حلها بتقنية الاستشعار وتعلم الآلة. في الورقة المنشورة مؤخرًا في Nature Communications، وصف لو فيوست ورئيس UNFOLD كارين مولينرز ملامح الإمالة الأمثلتين لشفرات VAWT التي تحقق زيادة بنسبة 200% في كفاءة التوربين وتقليص بنسبة 77% في الاهتزازات التي تهدد الهيكل.

صورة شفرة VAWT التجريبية لـ EPFL Crédit d'image: © UNFOLD EPFL CC BY SA.

لاحظ لو فيوست، "تمثل دراستنا، بقدر معرفتنا، أول تطبيق تجريبي لخوارزمية تعلم وراثية لتحديد أفضل ميل لشفرة VAWT."

تحويل نقطة ضعف إلى ميزة

شرح لو فيوست أنه في حين تزداد سعة تركيب الطاقة الرياحية في أوروبا بمعدل 19 غيغاواط سنويًا، يجب أن يكون هذا الرقم أقرب إلى 30 غيغاواط لتحقيق أهداف الأمم المتحدة لعام 2050 بشأن الانبعاثات الكربونية.

“المعوقات التي تواجه تحقيق هذا الهدف ليست مالية، ولكن اجتماعية وتشريعية – فهناك قبول جمهوري منخفض جدًا لأنظمة التوربينات الهوائية بسبب حجمها وصخبها,” قال.

على الرغم من مزاياها في هذا الصدد، تعاني VAWTs من عيب جسيم: إذ أنها تعمل فقط بشكل جيد مع تدفق هواء معتدل ومستمر. يعني المحور الرأسي للدوران أن الشفرات متغيرة باستمرار في الاتجاه بالنسبة للرياح. الزيادة المتسارعة في الزاوية بين تيار الهواء والشفرة أثناء نبضة قوية تشكل دوامة في ظاهرة تسمى خلخلة ديناميكية. هذه الدوامات تخلق أحمال هيكلية عابرة للحظات لا تتحملها الشفرات.

لمواجهة هذا النقص في المقاومة للنبضات، زود الباحثون الشفرات بأجهزة استشعار على العمود الدوار لقياس القوى الهوائية التي تعمل عليها. من خلال ميل الشفرة للأمام والخلف بزوايا مختلفة وسرعات وأمواج، أنتجوا سلاسل من "ملامح الإمالة". ثم، استخدموا جهاز كمبيوتر لتشغيل خوارزمية وراثية، التي أجرت أكثر من 3500 تجربة تجريبية. مثل العملية التطورية، اختارت الخوارزمية الصفات الأكثر فعالية ومتانة من ملامح الإمالة، وأعادت تركيبها لإنتاج "ذرية" جديدة وأفضل.

سمح هذا النهج للباحثين ليس فقط بتحديد سلسلتين من ملامح الإمالة تسهمان في تحسين كبير لكفاءة التوربين وصلابته، ولكن أيضًا بتحويل أكبر نقطة ضعف لـ VAWTs إلى قوة.

“تشكل خلخلة ديناميكية – نفس الظاهرة التي تدمر توربينات الرياح – عند مقياس أصغر يمكن أن تدفع الشفرة إلى الأمام فعليا. هنا، نستخدم حقًا خلخلة ديناميكية في مصلحتنا من خلال إعادة توجيه ميل الشفرة إلى الأمام لإنتاج الطاقة,” أوضح لو فيوست. “معظم توربينات الرياح توجه القوة التي تنتجها الشفرات نحو الأعلى، وهذا لا يساعد على الدوران. تغيير تلك الزاوية لا يشكل فقط دوامة أصغر – بل أنه يدفعها بعيدًا في الوقت المناسب بدقة، مما يؤدي إلى إنتاج ثاني للطاقة في اتجاه الرياح.”

تمثل ورقة Nature Communications عمل الدكتوراه لـ لو فيوست في مختبر UNFOLD. الآن، تلقى منحة BRIDGE من مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (SNSF) وInnosuisse لبناء نموذج تجريبي لتوربين رياح VAWT. الهدف هو تثبيته في الهواء الطلق، حتى يمكن اختباره مع استجابته في الوقت الحقيقي للظروف العملية الفعلية.

“نأمل أن يجلب هذا الأسلوب للتحكم في تدفق الهواء تكنولوجيا VAWT الفعالة والموثوقة إلى نضوجها حتى يمكن أن تكون متوفرة تجاريًا أخيرًا,” قال لو فيوست.

يتمنى المرء حقًا أن يكون لدى المطورين القدرة على القول بأن التكنولوجيا يمكنها الوقوف اقتصاديًا بمفردها. لكن البيان الصحفي لا يتضمن تلك التعليقات. الواقع هو أن هذه الأنظمة يمكن أن تكون ملحقة فقط بقدر بسيط عندما يهب الرياح.

Brian Westenhaus عبر Newenergyandfuel.com

مزيد من القراءات المميزة من Oilprice.com:

• المستهلكون يقاضون شركات النفط في الولايات المتحدة بادعاء التواطؤ لرفع أسعار النفط
• أوروبا تحتاج إلى التعامل مع توليد الطاقة المتجددة المتقطعة
• الوكالة الدولية للطاقة تخفض توقعات نمو الطلب على النفط لعام 2024