تعقيد تصميم مزرعة ويند ليوت

تصميم مزرعة رياح أكثر تعقيداً من مجرد وضع التوربينات في موقع رياحي التحدي الأساسي هو ترتيب التوربينات بحيث تلتقط الطاقة القصوى الممكنة من الرياح بينما تقلل من الآثار السلبية التي تصيب بعضها البعض عندما تتحول الرياح عبر توربينات، فإنها تخلق إيقاظاً مضطرباً مع سرعة الرياح المنخفضة

فبعد تدخل الريح، يجب أن يُستأثر مهندسو التصميم بالرياح المحلية - بتوزيع سرعة الرياح واتجاهاتها عبر الموقع - وقد يؤدي التوربينات إلى أقصى حد اتجاه رياحي واحد بشكل ضعيف عندما تتحول الرياح، وتضيف المنطقة طبقة أخرى من الصعوبة: التلال، والجداول، وقناة الوديان، وتسريع الرياح بطرق معقدة، بل إن القيود البيئية، مثل الحدود الضوضاء، وممرات هجرة الطيور، والقيود على الأثر البصري، يمكن أن تحد من ذلك.

وبالنسبة لمزرعة الرياح المتوسطة الحجم التي تضم ٥٠ توربينا، وعدداً ضئيلاً من الوظائف المرشحة، فإن عدد المخططات المحتملة هو زراع فلكي يتجاوز ما يمكن أن يكون معززاً، ويجب محاكاة كل عملية تخطيط باستخدام ديناميات السوائل المحوسبة أو برامج نموذجية إيقاظية، وهي في كثير من الأحيان تكون باهظة التكلفة، كما أن المقاييس المثلى التقليدية للحلول القائمة على الخواريجي، هي أفضل الوسائل المثلى الوراثية،

لماذا طرق التأقلم الفائقة

وتندرج النهج الكلاسيكية في مجال تخطيط المزارع الريحية على النحو الأمثل في فئتين: الأساليب القائمة على التدرج وخوارزميات البحث الوبائي، وتتطلب الأساليب القائمة على أساس التدرج وظيفة موضوعية سلسة ومميزة، ولكن مشكلة تصميم المزارع الريحية غير متجانسة ومتوقفة إلى حد بعيد، ويمكن أن تؤدي التغييرات الصغيرة في وضع التربين إلى تغييرات مفاجئة في التدخل في الموصول إلى حد كبير.

إن الأساليب الخفية مثل الخوارزميات الجينية والحياكة المحاكاة أكثر قوة بالنسبة للمشاكل غير المسببة للاختناق، فهي تستكشف حيز الحل بشكل أوسع عن طريق الحفاظ على عدد من السكان الذين يخططون للاختيار أو قبول حلول أسوأ من حين لآخر للهروب من الشراك المحلية، وحتى هذه الأساليب ضعيفة، فإن كل جيل أو تولد يتطلب تقييم كل مرشح من خلال محاكاة إيقاظية، مما قد يستغرق وقتاً مثالياً للمزارع.

كما أن هذه الصناعة تتحرك نحو تربينات أكبر ومزارع أكبر، فغالبا ما تتجاوز مزارع الرياح البحرية حاليا 100 توربينات، وتدفع نحو عدة مئات، وتزداد تعقيدات مشكلة التصميم شبه طبيعية أو أسوأ من حجم المزارع لأن كل توربين يتفاعل مع كل توربين آخر من خلال الايقاظات، وتصطدم الخوارزميات الكلاسيكية بجدار، ولا يمكن أن تجد ببساطة حلولا ذات جودة عالية.

How Quantum Computing Approaches Optimization differently

وقد برزت نماذج كمية من النماذج الرئيسية التي يمكن أن توجد في مواقع مشرفة على الولايات، مما يتيح لها تمثيل وتجهيز العديد من الحلول المرشحة في آن واحد، ومن أجل تحقيق الحد الأمثل، ظهرت مظلتان كميتانيتان هما: المقاييس الكمية والمقاييس المختلفة القائمة على البوابات، ويمكن لكلا النهجين استكشاف ملامح الحل الأكثر كفاءة من الأساليب التقليدية لبعض فئات المشاكل.

إن التكفير الكمي الذي تنفذه شركات مثل دي - وايف مصمم خصيصاً لتحقيق الاستخدام الأمثل، وهو يرسم المشكلة على نظام مادي يتطور بطبيعة الحال نحو تشكيلات منخفضة الطاقة، ويبدأ النظام في تحلل كل الولايات الممكنة، ويجعل ببطء "محتاجاً" إلى دولة تدمج أفضل حل، لأن النظام الكمي يمكن أن يحفر نفقاً من خلال حواجز الطاقة بدلاً من أن يتسلقها

كما أن الحواسيب الكميّة القائمة على أساس البوابات، مثل الحواسيب التي يجري تطويرها بواسطة IBM، و Google، وغيرها، توفر قدرا أكبر من الحوسبة العامة، ولكنها أكثر صعوبة في تطبيقها على الوجه الأمثل، وأكثر النهج شيوعا هو مقياس الكم المتغير الذي يُستخدم فيه نسق قياسي مختلط، وهو ما يستخدمه مقياسا كميا، ويُعدّ نظاماً قياسياً مُثلاً.

Quantum Annealing in Detail

وقد طُبِّق التنويم الكمي على عدد متزايد من مشاكل الاستخدام الأمثل في العالم الحقيقي، بما في ذلك تحسين الحافظة، وطرق المرور، واكتشاف المخدرات، وفيما يتعلق بتصميمات زراعة الريح، تُدرج المشكلة كمشكلة ثنائية غير مدربة، أو نموذج مُحدِّد، وكل موقع محتمل من مواقع التربين مُمثَّل بمتغير ثنائي يبين ما إذا كانت هناك عقوبة استبعادية غير مُقيدة.

وقد أظهر العمل المبكر للباحثين في المؤسسات الأكاديمية والدراسية في العاصمة أن التنويم الكمي يمكن أن يجد مخططات ذات قدرة أكبر من التماثل الكلاسيكي في مجال الطاقة بشأن مشاكل الاختبارات الصغيرة، فعلى سبيل المثال، فإن دراسة أجريت في عام 2021 من جامعة تورنتو مقارنة بين النسيج الكمي الذي يُستخدم في وضعيات التطهير الجيني لـ 16 من التركيب على شبكة مبسطة، وقد تبين باستمرار وجود حلول أفضل في مجال الفقد.

Variational Quantum Algorithms for Continuous Layout

وقد تكون أساليب التغيير القائمة على البوابات أكثر طبيعية، بدلا من المتغيرات الثنائية، يمكن أن تُدرج مواقع التربين كبارامترات مستمرة في دائرة كمية، وتصمم الدائرة بحيث يؤدي قياس مواقعها إلى مواقع مرشحة مستمدة من توزيع محتمل، وتُعدِّل الخسائر التقليدية في الناتج إلى مستويات أعلى من حيث القدرة على التقلب.

وقد استطلع الباحثون في كومانتوم وعدة جامعات هذا النهج، وقد أظهر مخطط عام 2023 وجود جهاز مرئي مصمم على أساس VQE لمزرعة تربينية من 10 مصانع، وقارنته بجهاز قياسي كلاسيكي للجرائم، حيث أن طريقة الكم تضاهي النتائج الكلاسيكية في عدة سيناريوهات للريح، ولاحظ أصحاب البلاغ أن الاختناقات الرئيسية هي عدد تقييمات الدائرة المطلوبة.

"أغوريتام" و "باترن" للبحث

تقنية كمية أخرى ذات صلة بزراعة الرياح هي خوارزمية غروفر التي توفر سرعة رباعية للبحث غير المنظم

المشاريع الحالية للبحث والقيادة

تطبيق الكم المحسوب على مخططات زراعة الريح لا يزال في مرحلة البحث، لكن العديد من المشاريع البارزة تنتج بالفعل نتائج ملموسة، في عام 2022، قام مختبر الطاقة المتجددة الوطني بشراكة مع شركة D-Wave لاستكشاف كمية الكم المتواضعة من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل للمزرعة الريحية البحرية، وقد وضعت دراستها الأولية نموذجاً لمزرعة تبلغ قيمتها 25 في المائة، ووجدت أن أعلى نسبة من حجم المزارع ينتج 5 في المائة.

وبصرف النظر عن ذلك، فإن برنامج الاتحاد الأوروبي للعلامات الكهرمائية قد مول مشروعاً يسمى " QOPT " يتضمن مجموعة عمل بشأن الاستخدام الأمثل للطاقة المتجددة، ويوحي الباحثون من الجامعة التقنية في الدانمرك وجامعة أوكسفورد بوضع مقاييس نصفية كمية للفصلية خصيصاً للتصميم الزراعي الريحي، ويستخدمون مذيباً كلاسيكياً للجوانب المتشابكة المستمرة للمشكلة (بما يشمل الترابين).

في القطاع الخاص، بدأت شركات مثل ويندلب وفيستاس استكشاف كمي من خلال شراكات مع شركات صناعة معدات الكمي، فيستا، أحد أكبر شركات تصنيع رياح في العالم، أعلن عن تعاون مع الإدارة الدولية للقذائف التسيارية في عام 2023 للتحقيق في الخوارزميات الكمية للزراعة الريحية وتصميم التربينات، في حين أن التفاصيل لا تزال قائمة على الكم، فإن الشركة أشارت إلى أن الجيل الزراعي الرئيسي

ألف - مزايا النهج الكمية والحدود التي تفرضها

والمزايا المحتملة للحساب الكمي للتصميم الزراعي للريح هي مزايا قاهرة، أولا، يمكن للخوارزميات الكمي أن تستكشف حيز الحل بشكل أكثر شمولا، مما يقلل من خطر تسوية المهام دون المستوى الأمثل، وثانيا، بالنسبة للمشاكل الكبيرة، قد تتطلب أساليب الكمي تقييمات أقل لحجم العمل، مما يترجم مباشرة إلى فترات زمنية أقصر من حيث التجنس وانخفاض التكاليف الحسابية.

لكن لا تزال هناك قيود كبيرة، المعدات الكمية الحالية لها عد محدود للمربى وتعاني من الضوضاء والارتباط، أحدث مُحَدّل لـ(دي-واف) قد يزيد قليلاً عن 000 5 كيلو متر، لكن هذه الأكواب ليست مُرتبطة بالكامل، بمعنى أن المشكلة يجب أن تُحدّ من ارتفاع معدلات التجارب (الخطأ في تشيميرا أو بيغاسوس).

وثمة قيد آخر هو صعوبة تكريس المتغيرات المستمرة، إذ أن مواقع التربين الحقيقي مستمرة وغير متفرقة، وفي حين أن الترميز الثنائي على شبكة ما ممكن، فإنه ينطوي على خطأ تقريبي، وتتطلب شبكات الحسن أكوام أكثر، ويتجاوز بسرعة القدرات الحالية على المعدات، ويتجنب التفريق المستمر المتغير هذه المسألة، ولكنه يتطلب تقييمات أكثر دوارة ويزداد حساسية للضوضاء.

  • Advantages:] Faster exploration of complex landscapes, better escape from local optima, potential for better scalability with farm size, natural fit for combinatorial and constrained problems.
  • Limitations:] Limited qubit count and connectivity, noise and decoherence in current equipment, difficulty encoding continuous variables, need for quantum expertise and specialized equipment access.

المستقبل الهجين: التكامل الكلاسيكي والكوي

ونظراً للحالة الراهنة للمعدات الكمية، فإن أكثر الطرق عملية إلى الأمام هي تحقيق التفسير الهجيني التقليدي في كمية الكيلومترات، وفي هذا الإطار، يعالج المراقب الكلاسيكي الأجزاء من المشكلة التي يسهل على الحواسيب الكلاسيكية - مثل النماذج الإيقاظية، وتجهيز البيانات الأرضية، ويقيّد عملية الإنفاذ - مع وقف العمل بأصعب خلط فرعي على نحو يُمكن من حلّ الثغرات القائمة والحلّها الكمي.

فالنهج الهجينة تستخدم بالفعل في مشاريع البيان العملي، فعلى سبيل المثال، يستخدم مشروع QOPT المذكور سابقا مذيبا كلاسيكيا لنموذج الايقاظ ومقياسا كميا لمشكلة اختيار التربين، وبكسر مشكلة التصميم العام إلى منتجات فرعية أصغر حجما وأكثر جاذبية، فإن النهج الهجين يبقي الاحتياجات من الموارد الكمية قابلة للتدبر بينما لا يزال يقدم حلولا أفضل من الأساليب التقليدية البحتة.

ومع تقدم المعدات الكمية، يمكن أن يتحول الرصيد إلى مشاركة كمية أكثر مباشرة، وعندما تصبح الكميات المصوبة من الأخطاء منطقية متاحة، أو عندما تصل عدات القماش إلى عشرات الآلاف، يصبح من الممكن تشغيل دوائر مختلفة أكبر، ودمج المشاكل ذات القيمة العالية، وعندئذ يمكن أن يصبح الحساب الكمي المحرك الرئيسي لعملية استخدام مدخلات زراعية الرياح على النحو الأمثل، مع استخدام الحواسيب الكلاسيكية.

خاتمة

إن حساب الكوانتوم ليس أداة ناضجة بعد لإرساء زراعات الرياح على الوجه الأمثل، ولكن المسار واضح، وتظهر الدراسات المبكرة على نطاق صغير باستمرار أن الخوارزميات الكميّة يمكن أن تفوق التماثل الكلاسيكي في المشاكل المبسطة، وأن هذه المزايا تصبح أكثر وضوحا مع تزايد حجم المشاكل، وتضع مزيجا من قدرة مجموعة الكم على الفرار من الآثار التفاؤلية المتزايدة للطرق العقارية مع استمرار وجود معايير متطورة.

فالفوائد الاقتصادية مرتفعة، إذ أن تحسين مصادر الطاقة بنسبة تتراوح بين 5 و 10 في المائة من تحسين التصميم الأمثل يمكن أن يترجم مباشرة إلى انخفاض مستوى تكلفة الطاقة، مما يجعل طاقة الرياح أكثر قدرة على المنافسة مع الوقود الأحفوري، وبما أن الصناعة تبني مزارع أكبر حجما على الشاطئ وعلى البحر، فإن القيود المفروضة على الاستخدام الأمثل الكلاسيكي ستصبح أكثر إلزاما، فالحساب الكمي يتيح طريقا للانفصال عن تلك الحدود.

ومن المرجح أن يتبع التبني العملي منحنى تدريجي، واليوم تقوم شركات الطاقة الريحية الرائدة باستكشاف كمي من خلال شراكات البحوث والدراسات الصغيرة النطاق التي تثبت المفاهيم، ويمكن أن نتوقع في السنوات الثلاث إلى الخمس القادمة أن نرى تدفقات عمل من حيث الحجم تستخدم في تصميم مزارع جديدة، ولا سيما أكبر المنشآت المتجددة وأكثرها تعقيدا، في غضون عقد من الزمن، إذا استمرت الأجهزة المثلى للمساعدة في تحسينها في مجال التنمية الزراعية الحالية.