ملخص
في كل يوم، تحيطنا كميات هائلة من الطاقة التي تشغّل هواتفنا وألعاب الفيديو المفضلة لدينا، بل وحتى سياراتنا. ولكن من أين تأتي هذه الطاقة؟ هل تعلم أنه يمكن توليدها من الأمواج؟ هذا صحيح، فكل الأمواج التي تراها وأنت في الشاطئ تحمل كمية ضخمة من الطاقة النظيفة التي يمكننا تحويلها إلى كهرباء نستفيد منها في حياتنا اليومية. ويتم ذلك من خلال استخدام أجهزة اسمها محولات الطاقة الموجية. تمامًا مثل توليد الكهرباء من الطاحونة الهوائية من خلال الرياح التي تهبّ، تنتج محولات الطاقة الموجية الكهرباء من خلال استغلال الطاقة الواردة من الأمواج القادمة. هل لديك فضول لمعرفة كيف تسير هذه العملية؟ اقرأ هذا المقال بالتفصيل واكتشف عالم الطاقة الموجية الساحر.
توفير الطاقة اللازمة ليومك من الأمواج
هل ستصدقنا لو أخبرناك أنه بإمكانك شحن هاتفك أو تشغيل الكمبيوتر لديك أو تشغيل سيارتك (إذا كانت كهربائية) باستخدام نفس الأمواج التي تراها عند الشاطئ؟
تحمل الأمواج الكثير من الطاقة النظيفة، وقد تكون لاحظت تلك الطاقة بنفسك. فإذا استعملت لوح بودي بورد من قبل لركوب موجة (أو حتى لوح تزلج على الأمواج إن كنت أكثر خبرة)، فقد استخدمت مباشرةً الطاقة المتاحة في الأمواج لدفع نفسك في البحر. عندما تقف ببساطة في البحر وتقترب موجة، يمكنك أن تشعر بقوة تدفعك، وتكون قوية أحيانًا لدرجة أنها تجعلك تسقط. كما سيتبين لك عبر قراءة هذه المقالة، يمكن استغلال الطاقة الموجية لتوفير الطاقة اللازمة لحياتك اليومية. وهذه هي الفكرة التي يستند إليها عالم تحويل الطاقة الموجية [1].
ما مقدار الطاقة المتاحة في الأمواج؟
يوجد الكثير من الطاقة في الأمواج [2]. دعنا نجري تقديرًا سريعًا معًا: يمكن استخدام موجة واحدة (تقريبًا مثل تلك التي تركبها باستخدام لوح البودي بورد) لتشغيل هاتفك أكثر من 4,500 مرة في اليوم (يستند التقدير إلى الطاقة المتاحة في الأمواج بارتفاع موجة مؤثر مقداره متر واحد وفترة زمنية بين الأمواج تبلغ 6 ثوانٍ لكل متر من السطح المُعرّض للأمواج، كما يعتمد التقدير على سعة البطارية من الهواتف الذكية العادية).
وإذا أخذنا في الاعتبار كل أمواج البحر أو المحيط، يكون هذا مقدارًا هائلاً من الطاقة. ولكن من أين تأتي كل هذه الطاقة النظيفة في الواقع؟
تنتج الأمواج من مزيج مصدري طاقة آخرين تعرفهما جيدًا وتشعر بهما كل يوم تقريبًا، وهما الشمس والرياح. والشمس هي المسؤولة فعليًا عن الرياح، فضوء الشمس يرفع حرارة الأرض بشكل غير متساوٍ، مما يسبب ارتفاع الهواء الدافئ ودخول الهواء البارد مكانه، فتهبّ الرياح، ويحدث هذا الهبوب فوق سطح البحر، مثل يد مخفية ”تدفع” المياه للأمام. في البداية تتحرك المياه قليلاً، فتنشأ تموجات ضئيلة الحجم وكأنها أمواج صغيرة. ولكن إذا استمر هبوب الرياح، تبدأ هذه التموجات في الامتزاج والاتحاد معًا، وتصبح أكبر فأكبر، لتتكون الأمواج التي تراها تتجه نحو الشاطئ وتصطدم بالصخور. تخيّل النفخ في كوب ماء ورؤية تموجات وفقاقيع تتكون على السطح. عندما تنفخ في الكوب، يحمل نفَسك الطاقة التي تجعل المياه تتحرك، ويشبه ذلك كثيرًا ما تفعله الرياح في سطح البحر (الشكل 1).
- شكل 1 - عملية تشكّل الأمواج: تولّد الشمس الرياح من خلال التسبب في صعود الهواء الدافئ وتدفق الهواء البارد مكانه.
- وتشكّل الرياح أمواج المحيطات والبحار بالهبوب فوق سطحها ودفع المياه.
تحويل الطاقة الموجية إلى كهرباء
حتى الآن، أثبتنا أن الأمواج يمكن أن تكون قوية جدًا، ولكن كيف يمكن تحويل هذه الطاقة القوية إلى كهرباء؟ وهل يمكننا القيام بذلك بكفاءة؟ هناك أجهزة تقوم بعملية تحويل الطاقة هذه، ونسميها محولات الطاقة الموجية (WEC) [3]. وتتكون من جزأين رئيسيين: هيكل كبير قادر على التحرك مع الأمواج ومولّد (الشكل 2). سنناقش هذين العنصرين في الفقرات التالية. ولكن إذا صدمت أمواج كبيرة محول طاقة موجية عائمًا، فكيف يبقى في مكانه بدون الانحراف بعيدًا؟ كلمة السر هنا هي نظام المرسى الثابت.
- شكل 2 - المفهومان الرئيسيان لتحويل الطاقة الموجية: (A) يتحرك محول WEC ذو نقطة الامتصاص (الكروي في هذه الحالة) للأعلى والأسفل بفعل حركة الأمواج.
- (B) يتكون محول WEC المدمّر من هيكل يشبه الزعنفة، ويتحرك بشكل جانبي بفعل حركة الأمواج. ويتصل كلا النوعين بمولدات يمكنها تحويل الحركة إلى كهرباء قابلة للاستخدام. ويمكن قياس الطاقة التي نجح محول WEC في تحويلها بحساب الفرق بين قوة الموجة (كبيرة) مباشرةً قبل دخولها المحول وبعد خروجها منه (صغيرة). ويقوم الباحثون بجهود مستمرة لتصميم محولات WEC لا تضر بالأسماك والكائنات الحية البحرية الأخرى.
ويستخدم هذا النظام السلاسل والأحبال القوية، تمامًا مثل تلك المُستخدمة لإبقاء السفن مربوطة بالأرصفة. والهدف من هذه السلاسل والأحبال ضمان عدم انحراف WEC بعيدًا، حتى عندما تكون الأمواج قوية جدًا.
يتحرك هيكل WEC للأعلى والأسفل (الشكل 2A)، أو من جانب إلى جانب (الشكل 2B)، بسبب تأثير الأمواج، مما ينشئ قوة فوق سطح الهيكل. وتُشغّل هذه الحركة مولّدًا يمكنه تحويل الحركة إلى كهرباء. وبعد ذلك، يتم نقل الكهرباء إلى منزلك من خلال كابل كهربائي طويل. لا تتوفر محولات WEC بشكل واسع، ولكن بعض النماذج الأولية يتم استخدامها بالفعل حول العالم، على سبيل المثال بطول سواحل إيطاليا واسكتلندا. وفي النهاية، قد نرى ”مزارع” كبيرة من محولات أنظمة WEC، تتكون من عدة وحدات قريبة من بعضها لتحسين التقاط الطاقة من الأمواج.
كيف يمكننا تعزيز تحويل الطاقة الموجية؟
كما يظهر في الشكل 2، يمكن أن تعتمد محولات WEC على مبادئ مختلفة. ولكن أي محوّل منها يمتص مقدارًا أكبر من الطاقة؟ الإجابة ليست بسيطة كما تتخيل. يعتمد مفهوم ”أفضل” WEC على طبيعة الأمواج نفسها: فعلى الرغم من أن الأمواج قد تبدو متشابهة عند النظر إليها من الشاطئ، يتميز كل مكان على كوكب الأرض بخصائص مختلفة لتشكيل الأمواج. وبعض الأماكن بها أمواج أكبر أو أطول، وبالتالي تتطلب تكنولوجيات مختلفة لتنفيذ عملية التحويل بكفاءة. ومع ذلك، فهناك أداة ”عامة” يمكننا استخدامها لتحسين كفاءة أي محول WEC، بغض النظر عن طريقة تحويل الطاقة. وتُسمّى هذه الآلية جهاز التحكم.
يشبه جهاز التحكم برنامج كمبيوتر ذكيًا (تخيّله وكأنه أحد التطبيقات على هاتفك) يخبر المولّد بالإجراء المطلوب لتحسين تحويل الطاقة من الأمواج [4]. ويساعد جهاز التحكم محول WEC في اللحظة المناسبة تمامًا. إذا لاحظت الشكل 2 بعناية، فسترى أن الأمواج التي تقترب من محولات WEC أطول من الأمواج التي تخرج منها. وهذا الفرق يبين مدى كفاءة محول WEC في تحويل الطاقة الموجية إلى نوع الطاقة الذي يمكننا استخدامه، والهدف المُحدّد لجهاز التحكم هو تحسين تلك العملية.
شرحنا سابقًا كيف يحوّل المولّد حركة WEC الناتجة عن الأمواج إلى طاقة قابلة للاستخدام في شكل كهرباء. وكلما زادت الحركة، زادت الكهرباء المُولّدة. مع وضع هذا في الاعتبار، يقوم جهاز التحكم في WEC بشيء مشابه كثيرًا لما يحدث عندما تركب أرجوحة وتريد أن ترتفع للأعلى: فهو مثل الشخص الذي يدفعك في اللحظة المناسبة تمامًا لمساعدتك على التأرجح إلى أعلى ارتفاع ممكن. يحدّد جهاز التحكم للمولّد متى يجب إعطاء دفعة لـ WEC، وهذا لزيادة الحركة وبالتالي تعظيم الطاقة التي يتم تحويلها (الشكل 3).
- شكل 3 - بفضل أجهزة التحكم، يمكن لمحولات WEC تحويل الطاقة بكفاءة أكبر وهذا من خلال إعطاء دفعة لتلك المحولات في اللحظة المناسبة.
- يمكنك تخيّل جهاز التحكم وكأنه شخص يدفعك قليلاً عندما تكون على أرجوحة وتريد الارتفاع لأعلى. (A) إذا كنت تتأرجح وحدك، فستكون حركتك أقل دائمًا مما لو كان هناك (B) شخص يدفعك في اللحظة المناسبة تمامًا، وهذا لأنه يساعدك في التأرجح إلى أعلى ارتفاع ممكن. ويقوم جهاز التحكم في WEC في الأساس بالأمر نفسه، من خلال إعطاء دفعة بسيطة إلى هيكل WEC في اللحظة المناسبة لمضاعفة الحركة.
ماذا تعلمنا في هذا المقال؟
تعرف الآن أن الطاقة في أمواج البحار والمحيطات لا حدود لها تقريبًا ويمكن استخدامها لتوفير الطاقة اللازمة لحياتك اليومية. ويمكن تحويل الطاقة الموجية إلى كهرباء قابلة للاستخدام عبر آلات اسمها محولات الطاقة الموجية (WEC)، وهي مصممة لتحويل الحركة من أعلى إلى أسفل (أو الحركة الجانبية) لهيكل في البحر والناتجة عن الأمواج إلى كهرباء من خلال مولّد. وبما أن الأمواج يمكن أن تختلف كثيرًا في أنحاء العالم، وأننا نريد تحويل طاقة البحار والمحيطات في كل مكان، فقد تم تطوير أنواع مختلفة من محولات WEC. ولتحويل الطاقة بأعلى قدر ممكن من الكفاءة، يأتي دور أجهزة التحكم، إذ تضاعف كمية الكهرباء التي يحوّلها WEC من الأمواج. راقب بيئتك المحيطة دائمًا لتتمكن من رصد هذه الأجهزة الرائعة، فقد ترى واحدًا يطفو بالقرب من شاطئك المفضل قريبًا جدًا.
مسرد للمصطلحات
الطاقة النظيفة (Clean Energy): ↑ طاقة ناتجة من مصادر لا تتسبب في التلوث أو تضر بالبيئة، مثل ضوء الشمس والرياح والمياه.
تحويل الطاقة (Energy Conversion): ↑ عملية تغيير الطاقة من نوع إلى آخر.
محول الطاقة الموجية (WEC) (Wave Energy Converter (WEC)): ↑ جهاز يلتقط حركة الأمواج لتوليد الطاقة.
المولّد (Generator): ↑ آلة تحول الطاقة من نوع إلى آخر. وفي حالتنا، يتم تحويل طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية.
المرسى الثابت (Mooring): ↑ جهاز أو نظام، مثل مرساة أو عوامة أو كابل يثبت المراكب أو الأشياء العائمة في مكانها.
النموذج الأولي (Prototype): ↑ نموذج مبكر لجهاز تم تصميمه لاختبار آلية عمله ولإجراء تحسينات قبل إنتاج الإصدار النهائي.
جهاز التحكّم (Controller): ↑ برنامج يوجّه أفعال الآلات أو الأنظمة الأخرى لتحقيق هدف. وفي حالتنا، يهدف جهاز التحكّم إلى تعظيم الطاقة التي يتم تحويلها عبر WEC.
إقرار تضارب المصالح
يعلن المؤلفون أن البحث قد أُجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.
إفصاح أدوات الذكاء الاصطناعي
تم إنشاء النص البديل (alt text) المرفق بالأشكال في هذه المقالة بواسطة ”فرونتيرز” (Frontiers) وبدعم من الذكاء الاصطناعي، مع بذل جهود معقولة لضمان دقته، بما يشمل مراجعته من قبل المؤلفين حيثما كان ذلك ممكناً. في حال تحديدكم لأي خطأ، نرجو منكم التواصل معنا.
المراجع
[1] ↑ Falnes, J., and Kurniawan, A. 2020. Ocean Waves and Oscillating Systems, Vol. 8. Cambridge: Cambridge University Press.
[2] ↑ Reguero, B., Losada, I., and Méndez, F. 2015. A global wave power resource and its seasonal, interannual and long-term variability. Appl. Energy 148:366–80. doi: 10.1016/j.apenergy.2015.03.114
[3] ↑ Guo, B., and Ringwood, J. V. 2021. A review of wave energy technology from a research and commercial perspective. IET Renew. Power Gener. 15:3065–90. doi: 10.1049/rpg2.12302
[4] ↑ Ringwood, J. V., Zhan, S., and Faedo, N. 2023. Empowering wave energy with control technology: possibilities and pitfalls. Annu. Rev. Control. 55:18–44. doi: 10.1016/j.arcontrol.2023.04.004