Wind Turbine Performance Enhancement by Geometrically Bio-Inspired Blade Design Based on Flying Seeds

الرياح مورد متقلب. ففي الريف المفتوح، تهب بإيقاع ثابت يمكن التنبؤ به، ولكن في المدينة، هي قوة فوضوية؛ حيث تلتف حول ناطحات السحاب، وتندفع عبر الشوارع الضيقة، وتغير اتجاهها وسرعتها في طرفة عين. هذا الاضطراب يجعل من الصعب التقاط الطاقة باستخدام توربينات الرياح التقليدية، المصممة للنسيم الهادئ والمستقر. غالبًا ما تعاني هذه الآلات في البيئة الحضرية، حيث نادرًا ما تكون الرياح هادئة. ولحل هذه المشكلة، يتطلع المهندسون إلى الطبيعة بحثًا عن إجابات. فمنذ ملايين السوات، تطورت الكائنات الحية للتعامل مع التيارات الهوائية المعقدة. فبعض البذور، على سبيل المثال، لا تسقط ببساطة على الأرض، بل تدور وتنزلق وتطير مع الريح لتقطع مسافات شاسعة. ومن خلال دراسة كيفية حركة هذه البذور في الهواء، يأمل الباحثون في تصميم توربينات رياح يمكنها الازدهار في هواء المدن الفوضوي وغير المتوقع.

لقد أخذ فريق من الباحثين من البرازيل والبرتغال هذه الفكرة وحولوها إلى آلة عاملة. فقد شرعوا في بناء توربين رياح صغير قادر على توليد الكهرباء في البيئات الحضرية، وتحديدًا على طول الممرات المزدحمة التي تسلكها الحافلات العامة. وتشتهر هذه المناطق بوجود تيارات هوائية يمكن أن تصل سرعتها إلى 6 أمتار في الدقيقة، وهي سرعة غالبًا ما تكون منخفضة جدًا أو غير منتظمة بحيث يصعب على المعدات القياسية التعامل معها بفعالية. وبدلاً من الاعتماد على المعادلات الهندسية المعتادة، استلهم الفريق من غابات البرازيل؛ حيث اختاروا نوعًا محددًا من البذور الطائرة من شجرة "باجيو" (Pajeú)، وهي نوع موطنه الأصلي المنطقة. فعندما تسقط هذه البذور من الشجرة، لا تهبط عموديًا للأسفل، بل تمتلك شكلًا فريدًا بأجنحة مائلة قليًا تجعلها تدور وتدور حول نفسها (autorotate) أثناء هبوطها، تمامًا مثل مروحية صغيرة. وتسمح هذه الآلية الطبيعية للبذرة بالبقاء محلقة لفترة أطول والتحرك لمسافة أبعد، حتى في النسيم الخفيف.

قرر الباحثون تقليد هذه الحركة الدورانية لإنشاء نوع جديد من شفرات توربينات الرياح. فقد صمموا توربينًا ذو محور رأسي، يدور حول عمود مركزي بدلاً من المحور الأفقي مثل المروحة التقليدية. وهذا التصميم الرأسي يعد أكثر ملاءمة للمدن لأنه يمكنه التقاط الرياح القادمة من أي اتجاه دون الحاجة إلى الالتفاف لمواجهة النسيم. وباستخدام شكل بذرة "باجيو" كدليل، صنعوا شفرة ذات منحنى حلزوني. وكان الهدف من هذا الشكل هو محاكاة الطريقة التي تتفاعل بها البذرة مع الهواء، مما يخلق دورانًا أكثر كفاءة حتى عندما تكون الرياح ضعيفة أو متغيرة. ولإخراج هذا التصميم إلى حيز التنفيذ، استخدم الفريق الطابعة ثلاثية الأبعاد لبناء النموذج الأولي؛ وقد سمحت هذه الطريقة للفريق بإنشاء الهندسة المنحنية والمعقدة لشفرة مستوحاة من البذرة بدقة، باستخدام مواد بلاستيكية خفيفة الوزن وقوية بما يكفي لتحمل قوى الرياح.

ولمعرفة ما إذا كان هذا التصميم المستوحى من الطبيعة يعمل بالفعل، أخضعه الفريق للاختبار في نفق هوائي محكوم. وقاموا بمقارنة توربينهم الجديد المستوحى من البذرة مقابل نوعين آخرين شائعين: توربين رأسي قياسي ذي شفرات مستقيمة، وتوربين أفقي متاح تجاريًا، وهو النوع الذي يشبه مروحة ضخمة. واختبروا الآلات الثلاث عند سرعات رياح تتراوح من 4 أمتار في الثانية إلى 7 أمتار في الثانية. وأظهرت النتائج فرقًا واضحًا في الأداء؛ حيث تفوق التوربين القائم على تصميم البذلة الطائرة على النوعين الآخرين، مولدًا كمية أكبر بكثير من الكهرباء. فعند سرعة رياح تبلغ 7 أمتار في الثانية، حقق النموذج المستوحى من الطبيعة معامل قدرة قدره 0.305، وهو مقياس لمدى كفاءته في تحويل الرياح إلى طاقة. وفي المقابل، تمكن التوربين الرأسي القياسي من تحقيق 0.214 فقط، بينما تأخر التوربين الأفقي عند 0.13. وأشارت البيانات إلى أن الشكل المستوحى من البذرة كان قادرًا على تسخير طاقة الرياح بشكل أكثر فعالية، حيث ذكر ملخص الدراسة أن التطوير أظهر قدرة على توليد الطاقة تصل إلى 100% أعلى من الأشكال الهندسية التقليدية.

كما أجرى الباحثون محاكاة حاسوبية لفهم سبب نجاح التصميم الجديد. وكشفت هذه المحاكاة أن الشكل الحلزوني للشفرة أدى إلى خلق المزيد من التيارات الهوائية الدوامية، المعروفة باسم الدوامات (vortices)، حول التوربين. وبينما يعتبر الاضطراب الزائد سيئًا عادةً للآلات، إلا أنه في هذه الحالة المحددة، ساعدت زيادة الدوامية في دفع الشفرات بقوة أكبر، مما خلق عزم دوران أكبر وسمح للتوربين بالدوران بقوة أكبر. وتترجم هذه القوة الإضافية مباشرة إلى مزيد من الكهرباء. ومع ذلك، أشار الفريق إلى أن التصميم ليس مثاليًا؛ فقد كان لزامًا جعل الشفرات أكثر سمكًا قليلاً للحفاظ على شكلها أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما أضاف بعض الوزن. وهذه الكتلة الإضافية تعني أن التوربين لم يبدأ في الدوران بسرعة كبيرة عند سرعات الرياح المنخفضة جدًا كما كان من الممكن لو كان أخف وزنًا. وبالرغم من هذا القصور الطفيف، فإن الأداء العام يمثل تحسنًا كبيرًا.

تشير الدراسة إلى أن النظر إلى العالم الطبيعي يمكن أن يؤدي إلى حلول عملية لمشكلات الطاقة الحديثة. فمن خلال مراقبة كيفية تنقل بذرة بسيطة في الهواء، طور الباحثون توربين رياح صغيرًا يعد أكثر ملاءمة للرياح الفوضوية في المدينة. ويمكن لهذا النوع من الابتكار أن يسمح بوضع مولدات طاقة صغيرة في أماكن كانت تُعتبر سابقًا غير مفيدة، مثل مسارات الحافلات أو بالقرب من المباني العالية. إن القدرة على توليد طاقة نظيفة في هذه المواقع الحضرية المحددة يمكن أن تساعد في تشغيل الأجهزة المحلية، مثل محطات شحن الهواتف المحمولة، مما يقلل من الاعتماد على شبكة الكهرباء الرئيسية. وبينما لا تزال هذه التكنولوجيا في مراحلها الأولى، فإن التجربة تثبت أن تصميمًا مستوحى من بذرة متساقطة يمكنه التقاط طاقة من الرياح أكثر من التصاميم التقليدية، مما يقدم مسارًا واعدًا نحو طاقة متجددة أكثر كفاءة ولا مركزية.