An Innovative Floating-Supported Cross-Flow Turbine for Hydropower Recovery from Low-Head Barrage Outflows

كل يوم، تفتح بوابات ضخمة على طول الأنهار وقنوات الري كميات هائلة من المياه للتحكم في الفيضانات أو لتغذية المحاصيل. ومع اندفاع هذه المياه، فإنها تحمل كمية هائلة من الطاقة الخفية، وهي قوة تتبدد عادة في الهواء عندما تتناثر المياه في النهر بالأسفل. لعقود من الزمن، كافح المهندسون لالتقاط هذه الطاقة الضائعة. تتطلب السدود الكهرومائية التقليدية بناء هياكل خرسانية ضخمة وإغراق الوديان، وهو أمر مكلف ومزعج. أما المحاولات الأخرى لحصاد الطاقة من المياه المتدفقة، فغالباً ما تعتمد على توربينات ثابتة لا يمكنها التعامل مع مستويات المياه المتغيرة الموجودة عند هذه البوابات. فعندما يرتفع النهر أو ينخفض، تفقد الآلة الثابتة هدفها، وتضيع الطاقة مرة أخرى. كان التحدي يكمن في إيجاد طريقة لالتقاط هذه القوة المتحركة دون بناء سد جديد أو تركيب إلكترونيات معقدة قد تتعطل في بيئة النهر القاسية.

قام باحث في المركز القومي لبحوث المياه في مصر بتطوير نهج جديد لحل هذه المشكلة. فقد ابتكر نظام توربين عائم مصمم خصيصاً لمصبات بوابات القناطر، وهي الهياكل المستخدمة للتحكم في مستويات المياه في شبكات الري. جوهر اختراعه هو جهاز ميكانيكي بسيط، يعمل بشكل بحت، يحافظ على التوربين في محاذاة مثالية مع نفاث المياه، بغض النظر عن ارتفاع أو انخفاض منسوب المياه. وبدلاً من استخدام أجهزة الكمبيوتر أو المستشعرات أو المحركات الكهربائية لضبط الآلة، قام ببناء منصة عائمة متصلة بريشة توجيه عبر ذراع (رافعة). ومع تغير مستوى الماء، تتحرك المنصة العائمة صعوداً أو هبوطاً. وتؤدي هذه الحركة تلقائياً إلى إمالة ريشة التوجيه، والتي بدورها تعيد توجيه تيار الماء بحيث يصطدم دائماً بشفرات التوربين بالزاوية المثالية. إنه نظام ذاتي التصحيح لا يتطلب أي كهرباء للتشغيل، ويعتمد كلياً على فيزياء الطفو والرافعة.

ولاختبار هذه الفكرة، صنع الباحث نموذجاً فيزيائياً للنظام بحجم واحد من تسعة من حجم البوابة الحقيقية، مستخدماً قناطر دمياط في مصر كمرجع له. ولم يتوقف عند تصميم واحد؛ بل مر بثلاث مراحل متميزة من التحسين لمعرفة ما هو الأفضل. كانت المحاولة الأولى عبارة عن توربين عائم أساسي بدون توجيه خاص. وبينما أثبتت أنه يمكن استخلاص الطاقة من المصب، إلا أن نفاث الماء كان مشتتاً للغاية، حيث يصيب نصف الشفرات فقط، كما أن المنصة العائمة كانت تتأرجح كثيراً مما جعلها غير فعالة. أما المرحلة الثانية، فقد أضافت ريشة توجيه قابلة للتعديل لتوجيه الماء بشكل أفضل، مما حسن التدفق، لكن النظام ظل يعاني عندما يتغير مستوى الماء بسرعة. أما التصميم النهائي الناجح، فقد جمع بين ذراع ميكانيكية جديدة وتوربين أعيد تصميمه. قامت هذه الذراع بتعديل زاوية الريشة تلقائياً مع ارتفاع وانخفاض الماء، مما حافظ على تركيز تيار الماء على التوربين. كما قاموا أيضاً بإعادة تشكيل شفرات التوربين، بجعلها منحنية وإضافة صفائح طرفية لمنع تسرب الماء حول الحواف، مما ساعد الآلة على الدوران بسلاسة أكبر.

أظهرت نتائج هذه الاختبارات أن التصميم النهائي عمل بشكل أفضل بكثير من النسخ السابقة. نجحت آلية الذراع التكيفية في الحفاظ على محاذاة التوربين مع نفاث الماء عبر نطاق واسع من مستويات المياه، مما ألغى الحاجة إلى أي أنظمة تحكم خارجية. وفي الاختبارات المعملية، حقق النظام كفاءة ذروة بلغت 26 بالمائة في ظروف تدفق منخفضة محددة، بينما أظهرت اختبارات أخرى أداءً مستقراً يصل إلى 15 بالمائة. ورغم أن هذه الأرقام أقل مما قد تحققه توربينات صناعية كاملة الحجم، إلا أن الباحث يوضح أن هذا متوقع لأن النموذج كان صغيراً وأن الماء يتحرك بشكل مختلف عند هذا المقياس. وعندما أسقطوا هذه النتائج على تركيب كامل الحجم عند بوابة قنطرة حقيقية، بدا أن النظام قادر على توليد ما بين 51 و91 ميجاوات ساعة من الكهرباء سنوياً لكل بوابة. وهذا القدر من الطاقة يمكن أن يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنحو 30 إلى 53 طناً سنوياً لكل بوابة مجهزة بهذا الجهاز.

تخلص الدراسة إلى أن هذا النظام العائم ذاتي الضبط يوفر طريقة عملية لتوليد الطاقة المتجددة من البنية التحتية المائية القائمة دون الحاجة إلى إنشاءات كبرى أو إلكترونيات باهظة الثمن. ولأن النظام يطفو ويتحرك مع الماء، يمكن تركيبه على البوابات الموجودة دون تغيير هيكل السد أو مجرى النهر. ويؤكد الباحث أنه بينما أثبت نموذجهم المعملي نجاح المفهوم، فإن الخطوة التالية هي اختبار نسخة كاملة الحجم في العالم الحقيقي لمعرفة مدى صمودها أمام عوامل التآكل والتقادم في بيئة النهر. وإذا نجح ذلك، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تحول آلاف بوابات الري والقناطر عبر مناطق مثل دلتا النيل إلى مصادر للكهرباء النظيفة، لتلتقط طاقة كانت تتدفق بعيداً دون استخدام لأجيال.