الطاقة
توربينات الرياح بدون شفرات: مستقبل الطاقة النظيفة
الباحثون من جامعة غلاسكو يدرسون بنشاط طرقًا لزيادة طاقة توربينات الرياح بدون شفرات (BWTs). لهذا، يقدمون رؤى مستمدة من محاكاة الحاسوب1 لهذه التوربينات، محددين أكثر التصاميم كفاءة للنماذج المستقبلية.
The researchers said:
“يمكن للنتائج أن تساعد صناعة الطاقة المتجددة على نقل توربينات الرياح بدون شفرات، التي لا تزال في مرحلة مبكرة من البحث والتطوير، من تجارب ميدانية صغيرة النطاق إلى أشكال عملية لتوليد الطاقة لشبكات الكهرباء الوطنية.”
توربينات الرياح بدون شفرات هي طريقة ناشئة لتوليد طاقة الرياح يتم دراستها أساسًا من قبل الباحثين. ومع ذلك، فإنها تجذب الانتباه بسرعة، كما ينمو سوقها بسرعة مماثلة.
في عام 2022، قُدِّر حجم السوق العالمي لتوربينات الرياح بدون شفرات بحوالي $60.5 مليار ومن المتوقع أن يتجاوز 116 مليار دولار بحلول 2030، مدفوعًا بالطلب المتزايد على الطاقة المتجددة حول العالم.
على عكس توربينات الرياح التقليدية، فإن توربينات الرياح بدون شفرات (BWTs) أكثر هدوءًا وتستهلك مساحة أقل. كما أنها تتكيف أسرع مع تغيرات اتجاه الرياح، مما يجعلها مفيدة جدًا في البيئات الحضرية ذات الرياح المتقلبة.
ميزة كبيرة أخرى لتوربينات BWT هي أنها تقلل الأثر البيئي، خاصةً بالنسبة للحياة البرية. بالنسبة للطيور، تزيد الشفرات من خطر الاصطدام حيث يمكن أن تبدو كضباب أو تكون غير مرئية تمامًا. تتحرك التوربينات بدون شفرات أقل بكثير، مما يسمح للطيور بتجنبها بسهولة أكبر.
الوزن الخفيف ومركز الثقل المنخفض لتوربينات BWT، في الوقت نفسه، يقللان من الحاجة إلى الأساسات، مما يبسط عملية تركيب التوربينات بدون شفرات.
التصميم الأبسط لهذه التوربينات يتطلب صيانة أقل مقارنةً بالتوربينات العادية، مما يزيد من عمرها الافتراضي.
انقر هنا لتعرف ما إذا كانت طاقة الرياح يمكنها حقًا تزويد العالم بالطاقة.
ما هي توربينات الرياح بدون شفرات وكيف تعمل؟
مستمدة من الموارد الطبيعية التي تتجدد ذاتيًا، تُعد الطاقة المتجددة مفتاحًا للانتقال إلى أنظمة طاقة أقل كثافة كربونية وأكثر استدامة.
تشمل مصادر الطاقة المتجددة الرياح، ضوء الشمس، الأمطار، الأمواج، المد والجزر، الطاقة الحرارية، والكتلة الحيوية. هذه الموارد حاسمة ليس فقط لتقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري ولكن أيضًا للتخفيف من تغير المناخ.
من بين مصادر الطاقة المتجددة، تُعد طاقة الرياح مصدرًا سريع النمو. في عام 2024، وفرت الطاقة المتجددة والنووية معًا ما يقرب من 41٪ من توليد الكهرباء العالمي. بين المتجددة، كان للطاقة الشمسية أكبر مساهمة، تلتها طاقة الرياح التي ارتفعت إلى 8.1٪ من الكهرباء العالمية.
وفقًا للوكالة الدولية للطاقة (IEA)، من المتوقع أن تشكل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح 95٪ من جميع إضافات القدرة المتجددة حتى عام 2030.
لاستغلال طاقة الرياح، تُستخدم عادةً توربينات الرياح التي تحول الطاقة الميكانيكية للرياح إلى طاقة كهربائية. ومع ذلك، هناك طريقة بديلة لاستغلال طاقة الرياح من خلال تصاميم جمع الطاقة القائمة على الاهتزاز الهوائي للأجسام المرنة.
على مدار العقدين الماضيين، حظي جمع الطاقة الهوائية باهتمام كبير مع تركيز خاص على الاهتزاز الناجم عن الدوامة (VIV) للأجسام السطحية الأسطوانية. لقد جذب تقنية VIV اهتمامًا كبيرًا، مما أدى إلى نمذجة عددية وبحوث تجريبية متعددة.
الاهتزاز الناجم عن الدوامة يُدفع بتساقط الدوامات المتناوب من كل جانب من الجسم السطحي. يؤدي ذلك إلى قوى رفع وسحب منتظمة بالإضافة إلى اهتزازات كبيرة عبر التدفق في الهياكل.
عندما يتطابق تردد تساقط الدوامات مع التردد الطبيعي للهيكل، ينتج عن ذلك حركة غير مستقرة واهتزازات ذات سعة كبيرة. يُعرف هذا السلوك بظاهرة القفل (lock‑in).
مفهوم مبتكر لاستغلال طاقة الرياح هو الاستفادة من الاهتزازات عالية السعة في الهياكل في وجود VIV وظاهرة القفل، وهو ما يُعرف بتوربينات الرياح بدون شفرات (BWT).
تعمل توربينات BWT كجسم سطحي يُوضع في تدفق سائل يُحدث دوامات من خلال بدء فصل التدفق عن سطحه. بهذه الطريقة، تُظهر BWT إمكانات هائلة لإنتاج الطاقة ضمن نطاق معين من سرعات الرياح. وبالتالي، فإن تصميم توربينات بدون شفرات ذات سعة اهتزاز أكبر يمكن أن يعزز إنتاج الطاقة وكذلك نطاق سرعات الرياح التشغيلية في آن واحد.
نظرًا لإمكانات BWT في استخراج الطاقة المتجددة، تُجرى جهود لاستغلال VIV لتوليد الكهرباء على نطاقات صغيرة من 1 إلى 100 واط.
أُجريت أيضًا دراسات لتقييم العلاقة بين إنتاج الطاقة لتوربينات BWT والمتغيرات التصميمية مثل طول السارية، الوزن، وسرعة الرياح. علاوة على ذلك، يبحث البحث في نطاق سرعات الرياح التشغيلية لتوربينات BWT من خلال نظام ضبط. لكننا لم نحصل بعد على وضوح حول كفاءة توربينات الرياح بدون شفرات.
نظرًا لأن الرياح ليست موردًا محدودًا، من المهم تحديد ما إذا كان تحقيق أقصى كفاءة يؤدي إلى أقصى إنتاج للطاقة في توربينات BWT.
ومع ذلك، لا يزال غير معروف ما إذا كان يمكن تعزيز طاقة الخرج لثابت طاقة الرياح المدخلة. كما أن هناك نقصًا في نمذجة التفاعل بين السائل والهيكل لتوربينات الرياح بدون شفرات، والتي يمكن استخدامها بسهولة لاستكشاف معلمات هذه التوربينات والحصول على إجابات حول كفاءتها.
لذلك، يهدف أحدث دراسة للباحثين في جامعة غلاسكو إلى المساعدة في تسريع المبادرات الجارية لتوسيع نماذج BWT الحالية، التي لا تزال على نطاق صغير، لتطبيقات على نطاق أوسع في المواقع البحرية.
تتناول هذه الأبحاث أسئلة حول كفاءة توربينات الرياح بدون شفرات وإنتاجها للطاقة من خلال تطوير نموذج عددي بسيط لفحص الآلية الفيزيائية للـ VIVs الناتجة عن توربينات BWT. قدم الباحثون إطارًا تحليليًا شاملاً يتعامل مع التحدي الحاسم المتمثل في تحسين توربينات BWT لاستخراج أقصى طاقة مع الحفاظ على سلامة الهيكل.
هل يمكن لتوربينات الرياح بدون شفرات أن تنافس التقليدية؟
كانت توربينات الرياح التقليدية ذات الشفرات طريقة شائعة لتحويل الرياح إلى كهرباء منذ زمن طويل. تقوم هذه التوربينات بتحويل الطاقة الحركية للرياح مباشرةً إلى حركة دورانية للشفرات، والتي تُشغِّل مولدًا لإنتاج الكهرباء.
تعمل توربينات الرياح بدون شفرات (BWTs) على مبدأ مختلف عن توربينات الشفرات. المبدأ الأساسي هنا هو VIV، وبدلاً من الشفرات، تستخدم هذه التوربينات أعمدة أسطوانية طويلة ونحيفة تهتز أو تتمايل مع الرياح.
لبناء توربينات الرياح بدون شفرات (BWTs) بأقصى كفاءة، أجرى فريق الباحثين من جامعة غلاسكو محاكاة لتصاميم BWT بالآلاف.
سمح لهم ذلك بإيجاد النقطة المثلى التي تعظم توليد الطاقة دون التأثير سلبًا على قوة الهيكل. وفقًا للدكتور وريك مالك من كلية جيمس وات للهندسة:
“ما تُظهره هذه الدراسة للمرة الأولى هو أنه، على عكس ما قد يُظن، فإن الهيكل الأكثر كفاءة لاستخلاص الطاقة ليس هو الهيكل الذي ينتج أعلى طاقة. بدلاً من ذلك، حددنا النقطة المتوسطة المثالية بين متغيرات التصميم لتعظيم قدرة توربينات BWT على توليد الطاقة مع الحفاظ على قوتها الهيكلية.”
توفر نتائج الدراسة نظرة عميقة حول كيفية تأثير أبعاد السارية، بما في ذلك العرض والارتفاع، ليس فقط على كمية الطاقة المنتجة ولكن أيضًا على سلامة هيكل هذه التوربينات.
كشف ذلك عن مقايضة لم تكن معروفة من قبل، وهي أن زيادة قطر السارية يعزز كلًا من الكفاءة واستخلاص الطاقة، حيث يتم تحقيق كفاءة قصوى بنسبة 6٪ وطاقة قصوى قدرها 600 واط من خلال تكوينات هندسية متميزة.
ومع ذلك، فإن التكوينات التي تُحسَّن فقط لإنتاج الطاقة تميل إلى تجاوز حدود السلامة الهيكلية، بينما تلك التي تعظم الكفاءة توفر توليد طاقة دون المستوى الأمثل.
لذلك، فإن التصميم المثالي هو سارية بطول 31.4 بوصة أو 80 سنتيمترًا بقطر 25.4 بوصة أو 65 سنتيمترًا، وفقًا لنتائج الدراسة المنشورة في مجلة Renewable Energy.
يمكن لهذا التوازن المثالي بين القوة والطاقة أن يُوفر بأمان طاقة قدرها 460 واط، وهو أداء يتفوق على النماذج الأولية الحالية التي لا تتجاوز حوالي 100 واط.
“في المستقبل، قد تلعب توربينات BWT دورًا لا يقدر بثمن في توليد طاقة الرياح في البيئات الحضرية، حيث تكون توربينات الرياح التقليدية أقل فائدة.”
– د. مالك
يمكن أن تلعب نتائج الدراسة دورًا مهمًا في ضمان سلامة الهيكل في رياح تتراوح بين 20 إلى 70 ميلًا في الساعة (mph). وفقًا للباحثين، قد تمكن منهجيتهم من توسيع نطاق توربينات الرياح بدون شفرات لتوليد 1,000 واط (1 كيلوواط) أو أكثر.
من خلال هذا البحث، الهدف هو تشجيع الصناعة على تطوير نماذج أولية جديدة لتوربينات الرياح بدون شفرات (BWTs) من خلال إظهار التصميم الأكثر كفاءة لتوربينات BWT بوضوح.
“إزالة بعض التخمينات المتعلقة بصقل النماذج الأولية قد تساعد في تقريب توربينات BWT من أن تصبح جزءًا أكثر فائدة من صندوق أدوات العالم لتحقيق صافي الصفر عبر الطاقة المتجددة.”
– البروفيسور سونديفون أدهكارى، كلية جيمس وات للهندسة
وفقًا لأدهكارى، يخطط المهندسون لمواصلة صقل فهمهم لتصميم توربينات BWT وكيفية توسيع التكنولوجيا لتوفير الطاقة عبر مجموعة واسعة من التطبيقات.
كما أنهم “متحمسون” لاستكشاف مواد مصممة خصيصًا تُسمى المواد الميتامادية، والتي تُضبط بدقة لتمنحها خصائص غير موجودة في الطبيعة، فيما يتعلق بكيفية “تعزيز فعالية توربينات BWT في السنوات القادمة.”
تصاميم ومواد جديدة للجيل القادم من توربينات BWT
في دراسة2 أخرى، أجراها باحثون من جامعة الإسكندرية في وقت سابق من هذا العام، تم تقديم آليتين جديدتين لتصميم توربينات BWT لمعالجة القيود التشغيلية لتوربينات الرياح بدون شفرات، التي تُنشأ بسبب ظاهرة القفل، مما يحدّها إلى نطاق صغير قريب من التردد الطبيعي للهيكل.
كانت الآليات المقدمة هي آلية كتلة الضبط وآلية الضبط المرن، مما يتيح التشغيل عبر نطاق واسع من سرعات الرياح من 2 إلى 10 م/ث.
كما تكشف نتائج الدراسة أن الاستفادة من الكتلة المكافئة للوحدة السارية وعزم الكتلة القطبي عند الطرف الحر من العارضة المعلقة أمر مهم في تصميم التوربين وضمان توافقه مع ظروف القفل.
هدف الدراسة هو الحفاظ على الأداء المثالي من خلال التحكم في التردد الطبيعي للتوربين عبر تنفيذ الآليات.
تم أيضًا بناء نموذج رياضي لضبط التردد الطبيعي ليتطابق مع تردد التساقط عند سرعة الرياح المحددة. أظهر التحقق من صحة النموذج دقة عالية.
يمكن للآلية الأولى تحقيق زيادة بنسبة 99.2٪ في الكفاءة الميكانيكية عند 7 م/ث، ولكن للحصول على قيم أعلى للمرونة أو معامل الانحناء، يجب دمج الآلية الثانية لتقليل الحجم الكلي للتوربين. يعزز النهج الموحد الكفاءة بنسبة 55.7٪.
إلى جانب آليات الضبط، يُعد اختيار المواد المناسبة للمكونات المرنة للتوربين أمرًا حاسمًا، وفقًا للدراسة، لضمان القوة والأداء الكافيين، حيث تؤثر على صلابة الهيكل العامة. وبالتالي، فإنها تؤثر على التردد الطبيعي للهيكل، مما يؤثر بدوره على جميع أداءات BWT.
أفادت الدراسة أن ألياف الكربون والزجاج هي أفضل المواد لتصنيع المكونات الرئيسية لتوربينات BWT.
أشار الباحثون أيضًا إلى أن الخصائص الميكانيكية للمواد المركبة يمكن التحكم فيها عن طريق تغيير معلمات التصنيع، مثل عدد الطبقات واتجاهها، مما يسمح بتخصيص القوة والصلابة وغيرها من الخصائص لتلبية المتطلبات المحددة لتطبيقات مختلفة.
على الرغم من أنها لا تزال في مراحلها الأولى من التطوير ومحدودة إلى الإعدادات التجريبية والمختبرية، بدأت التقنية تُظهر إشارات لتطبيقات واقعية.
في أواخر العام الماضي، بدأت مجموعة BMW تجري تجارب للوحدة الطاقية للرياح بدون شفرات. قامت شركة السيارات الألمانية بتركيب وحدة طاقة الرياح بدون شفرات من Aeromine Technologies في مصنع MINI في أكسفورد.
سيعمل هذا المصنع كموقع اختبار للتقنية، بما يشمل تقييم إمكانات الوحدة في تحسين كفاءة الطاقة عبر مواقع الشركة حول العالم ومجمعات الأعمال في المملكة المتحدة.
وحدة طاقة الرياح من Aeromine مُثبتة على حافة مبنى، موجهة نحو الرياح. تُنشئ الأجنحة العمودية للوحدة، التي تشبه الأجنحة، تأثير فراغ، مستخرجة الهواء خلف مروحة داخلية لتوليد كهرباء نظيفة وخضراء.
“تقنيتنا للطاقة الريحية ‘الساكنة’ مصممة للعمل بسلاسة جنبًا إلى جنب مع أنظمة الطاقة الشمسية، لتعظيم إنتاج الطاقة المتجددة من الأسطح مع المساعدة في معالجة تحديات مثل الضوضاء والاهتزازات وتأثير الحياة البرية. نحن متحمسون لرؤية كيف يمكن لهذا التركيب الأولي أن يؤدي إلى تطبيقات أوسع عبر مرافق BMW العالمية.”
– كلوس لونسبرغ، المدير العام في Aeromine Technologies.
انقر هنا لتعرف المزيد عن طاقة الرياح “الساكنة”.
الاستثمار في طاقة الرياح
في قطاع طاقة الرياح، جنرال إلكتريك (GE ) هي واحدة من أكبر مصنعي توربينات الرياح من خلال subsidiary GE Vernova (GEV )، شركة طاقة عالمية تصمم وتصنع وتقدم تقنيات لإنشاء نظام طاقة كهربائية مستدام. تشمل قطاعاتها الطاقة، مع تركيز على المياه، الغاز، البخار، والنووية؛ الرياح، بما في ذلك توربينات الرياح البرية والبحرية والشفرات؛ والكهرباء، التي تغطي تحويل الطاقة، حلول الشبكة، الطاقة الشمسية، وحلول التخزين.
تمتلك الشركة حوالي 120 جيجاواط (GW) من الطاقة المثبتة عبر أسطولها المكوّن من 57,000 توربين رياح تعمل لأكثر من 4 مليارات ساعة حول العالم.
GE Vernova (GEV )
مع قيمة سوقية تبلغ 132.9 مليار دولار، يتم تداول أسهم GEV حاليًا عند 486 دولارًا، بارتفاع أكثر من 48٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 6.94 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) 70.18 بينما عائد الأرباح الموزع هو 0.21٪.
في أبريل، أبلغت الشركة عن نتائج الربع الأول من عام 2025، والتي أظهرت إيرادات قدرها 8 مليارات دولار، وصافي ربح 0.3 مليارات دولار، وتدفق نقدي من الأنشطة التشغيلية قدره 1.2 مليارات دولار. كما أبلغت GE Vernova عن زيادة بنسبة 8٪ في الطلبات لتصل إلى 10.2 مليارات دولار.
كان رصيد النقد في نهاية الربع 8.1 مليارات دولار. وفي الوقت نفسه، تم إرجاع 1.3 مليارات دولار إلى المساهمين.
(GEV )
“حققنا نتائج قوية في الربع الأول واستمرت أعمالنا في التنفيذ الجيد. نمّينا تراكم طلبات المعدات والخدمات، حسّنا الهوامش في كل قطاع، وعادنا بمبلغ كبير من رأس المال إلى المساهمين. أنا متحمس لما هو قادم لأننا لا نزال في بداية دورة استثمارية ضخمة في الكهرباء.”
– الرئيس التنفيذي سكوت سترازك
مع ذلك، أظهر قطاع الرياح في GE Vernova أداءً مختلطًا حيث يواجه تحديات في الرياح البحرية بينما سجل نشاط الرياح البرية نموًا.
نتيجة لذلك، زادت عمليات التسليم البرية، مدعومة بتحسين الأسعار، بينما شهدت عملياتها البحرية تراجعًا. ولكن على الرغم من أن قطاع الرياح ظل يحقق خسائر، إلا أنه يظهر علامات تحسن.
وصلت طلبات قطاع الرياح في GE Vernova إلى 0.6 مليارات دولار، بينما سجلت الإيرادات 1.8 مليارات دولار. استثمرت الشركة أيضًا أكثر من 100 مليون دولار خلال الفترة لتعزيز أداء أسطولها.
أعلنت GE Vernova الشهر الماضي أنها تستخدم الآن الروبوتات والذكاء الاصطناعي لتفتيش جودة كل شفره تصنعها، وكذلك جودة المواد الخام قبل النمذجة والتجميع. على المدى الطويل، من المتوقع أن تعزز القدرة على الجودة المدعومة بالذكاء الاصطناعي من عمر المكونات الحرجة وبالتالي من عمر التوربينات.
آخر أخبار وتطورات أسهم GE Vernova (GEV)
الخلاصة: هل توربينات الرياح بدون شفرات هي المستقبل؟
تُعد توربينات الرياح التقليدية أساسية لالتقاط طاقة الرياح بكفاءة، لكنها تحمل عيوبًا جوهرية، مثل التكاليف الأولية العالية، التلوث الضوضائي، الصيانة الدورية، التأثيرات البصرية والبيئية، قيود البناء في المناطق الحضرية، وتشغيلها الفعال فقط عند سرعات رياح عالية.
كل هذه العوامل دفعت إلى تطوير تقنيات بديلة، حيث تمثل توربينات الرياح بدون شفرات (BWTs) فصلًا ناشئًا ومثيرًا في تكنولوجيا الطاقة المتجددة.
في توربينات BWT، يولد حركة الرياح دوامات تجعل الهيكل بأكمله يهتز، وعندما يتطابق هذا الاهتزاز مع التردد الطبيعي للهيكل، يتضاعف الحركة بشكل كبير. يتم تحويل هذا الاهتزاز المعزز إلى كهرباء. على الرغم من قوتها، لا تزال التقنية في مراحلها الأولية.
مع تحسين الباحثين لتصاميم يمكنها تحقيق مخرجات أعلى وسلامة هيكلية أكبر، يمكن لتوربينات BWT أن تصبح إضافات قيمة إلى محافظ الطاقة.
مع استمرار الطلب على الطاقة النظيفة وتساعد الأبحاث الجارية على توسيع الابتكار إلى حلول تجارية قابلة للتطبيق، سنتمكن من تسريع رحلتنا نحو مستقبل صافي الصفر.
انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم طاقة الرياح.
الدراسات المرجعية:
1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Performance Analysis and Geometric Optimization of Bladeless Wind Turbines Using Wake Oscillator Model. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549
2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. A Novel Optimal Design Approach for Bladeless Wind Turbines Considering Mechanical Properties of Composite Materials Used. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9
