تسخير الطاقة الموجة المحيطية إلى باورات الرصد الساحلي

مقدمة: الدور الحاسم لبوابات الرصد الساحلية

وتُستخدم هذه المنابر التي تُستخدم في إطار الرصد الساحلي كنظام عصبي لمحيطاتنا، وتُنشر في المياه القريبة من الشاطئ، وتُجمع باستمرار بيانات عن ارتفاع الموجات، ودرجة حرارة المياه، وسرعات الرياح، والضغط على البارومات، وتُعد هذه المعلومات أمراً لا غنى عنه للتنبؤات الجوية، والإنذارات بالزوارق، وسلامة الملاحة البحرية، وإدارة مصائد الأسماك، والبحوث المناخية الطويلة الأجل.

The Potential of Ocean Wave Energy

إن الأمواج المولدة للمحيطات تمثل واحدا من أكثر أشكال الطاقة المتجددة تركيزا على الكوكب، إذ إن موارد الطاقة العالمية تقدر بأكثر من 2 تيراوات، حيث ترتفع كثافة الطاقة الموجية المستخدمة على طول السواحل، وتزيد في كثير من الأحيان عن 20 إلى 50 كيلوواط لكل متر من أمواج الموجات الأمامية، وتزيد الطاقة التي تولدها الموجات الشمسية والريحية إلى حد كبير، ويمكن أن تسافر الأمواج بأعدها بأقل قدر من الخسائر، وتستمر حتى عندما تهبط الطاقة.

How Wave Energy Can Power Monitoring Buoys

A wave-powered buoy operates on a simple principle: the oscillatory motion of waves is mechanically coupled to an energy harvesting system that converts kinetic energy into electricity. The typical power requirement of a modern monitoring buoy ranges from a few watts for basic sensor packages to several hundred watts for buoys equipped with radar, acoustic Doppler current profilers, or high-bandwidth satellite communications. Wave energy converters (WECs) integrated into the buoy structure can meet these loads with a properly sized system. The electricity generated is conditioned through a rectifier and voltage regulator, then stored in a small battery pack or supercapacitor to smooth out the intermittent power from individual waves. This stored energy ensures continuous operation even during calm periods. Many wave-powered buoy designs also include a backup solar panel or fuel cell to improve reliability in extreme conditions. The entire system must be sealed against saltwater ingress, corrosion-resistant, and capable of surviving storms with significant wave heights exceeding 10 meters. Advances in materials science and power electronics have made such robust systems increasingly viable.

تشغيل موقع الاستشعار

ويمكن للمستشعرات على متن محركات متحركة - بما فيها مشعلات الحرارة، وممرات التسارع، وصكوك السلوك - التمرين - المعمق - أن تستهلك كميات صغيرة نسبيا من الطاقة، وأكبر جذب للطاقة يأتي عادة من جهاز إرسال البيانات الساتلية أو الخلوية، وجهاز لجمع الطاقة يمكن أن يوصل متوسطا يتراوح بين 10 و50 واطلا، وهو ما يكفي لمعظم الحالات المستخدمة.

أنواع متعهدي الطاقة الموجية من أجل الرحلات

وقد تم تكييف عدة فئات من التصنيفات العضوية أو تصميمها خصيصاً لإدماجها في هوايات الطفاف، ولكل نوع مزايا ومفاضلات متميزة من حيث الكفاءة والقابلية للبقاء والتعقيد الهيكلي.

ملوّثات المياه المغلقة

وتتكون غرفة مائية مغرقة جزئياً مفتوحة أمام البحر في قاعها، حيث أن الأمواج تدخل وتخرج من الغرفة، وترتفع سطح الماء وتنخفض فيه الهواء من خلال توربيني )تربين غير مصممة على أساس ذاتي( لا تؤدي إلى حدوث ارتفاعات في المياه الساحلية )وتؤدي إلى زيادة في حجم المياه غير المتحركة( حيث يؤدي تدفق الجو إلى تربين في نفس الاتجاه التناوبي بغض النظر عن اتجاه التدفق.

نقطة آبسوربر

وتتكون محركات الموصلات من أكثر أنواع المحركات شيوعاً من نوع WC بالنسبة للسفن الصغيرة والمتوسطة الحجم، وهي تتألف من جسم عائم يرتكز على قاع البحر بواسطة نظام متحرك، مع وجود حركة نسبية بين المحركات المتحركة ونقطة تفاعل ثابتة (مثل جهاز ميكانيكي مجهز بقاع البحر أو لوحة مغرقة) تستخدم في قيادة مولدات كهربائية خطية أو مضخة ميكانيكية متداخلة.

الأجهزة المتجاوزة

فالأجهزة التي تستخدم أجهزة الاستنشاق تلتقط المياه التي ترفعها الأمواج إلى خزان فوق مستوى البحر المتوسط، ثم تُطلق الطاقة المحتملة المخزنة من خلال توربين منخفض الرأس، وتولد الكهرباء، أما بالنسبة لتطبيقات الطواف، فإن المستودعات عادة ما تكون هي الوصلات المتواضعة أو هيكلا منفصلا من حيث الحجم، فالأجهزة التي تزيد على حجمها بسيطة نسبيا ولا تتطلب أجزاء عالية من الطاقة.

التصميمات الناشئة الإضافية

ومن بين مفاهيم أخرى في إطار التحقيق، نظم الخماسي التي تستخدم الحركة الغزيرة للطوفان في الدوار، وقطع الفطائر التي تولد فولت عندما تشتعل بواسطة الموجات المولدة عن الموجات، وأجهزة توليد الطاقة الكهربائية المتحركة التي تحول إلى طاقة كهربائية من خلال تغييرات ضارة، ولا تزال هذه التكنولوجيات في المختبرات أو مرحلة التبريد المبكِّرة، ولكنها تعدّ بأن تكون أقل من ذلك.

فوائد استخدام الطاقة الموجة لأغراض الرصد الساحلي

وتوفر الطفافات التي تتحول إلى استخدام الطاقة في المناطق الساحلية مجموعة من الفوائد تتجاوز توليد الطاقة البسيط.

الطاقة المستدامة والمستمرة

إن الطاقة الموجة مورد متجدد مع انبعاثات غازات الدفيئة غير القابلة للذوبان أثناء التشغيل، وخلافا للبطاريات التي تتطلب التخلص الدوري والاستبدال، فإن الطوافات ذات الطاقة الموجة لها آثار دورة حياة بيئية أصغر، كما أن استمرار توافر الطاقة الموجة (حتى في الليل وخلال الطقس الغائم) يكفل جمع البيانات دون انقطاع، وهو أمر حاسم بالنسبة للتطبيقات الحالية مثل تعقب العواصف واكتشاف التسونامي.

انخفاض الصيانة واللوجستيات

ويمكن أن يكون نشر طوافات تعمل بالبطارية في المياه الساحلية النائية مكلفا، إذ أن خدمة السفن والسفر التقني والنقل بالبطارية تضيف تكاليف كبيرة، ويمكن أن تعمل الطوافات ذات الطاقة الموجية بصورة مستقلة لسنوات، مع قصر فترات الصيانة على معايرة الاستشعار والتنظيف الممتد من حين لآخر، وهذا الانخفاض في السوقيات مفيد بصفة خاصة للمناطق المحمية، مثل ملاذات المراقبة البحرية التي تعطل فيها حركة المرور.

المنافع البيئية

ويمكن لمصادر الطاقة التقليدية للسفن - مثل مولدات الديزل أو مخاطر التلوث بالليثيوم الأولي - أن تلوث البطاريات يمكن أن يلوث مياه البحر بالمعادن الثقيلة والكهرباء، في حين أن مخزون المولدات يسهم في تلوث الهواء والضوضاء المحلي، ولا يوجد لدى محولات الطاقة المزودة بالوقود وقود، ولا يوجد بها مستنفد، وهادئ عموماً من البدائل الأخرى، كما أن حجمها المتواضع يقلل من مخاطر الخنق بالنسبة للأحياء البرية البحرية.

تعزيز الموثوقية ونوعية البيانات

ويؤثر توافر الطاقة مباشرة على نوعية البيانات، كما أن الطوافات التي تُنفذ من الطاقة تؤدي إلى ثغرات يمكن أن تفسد التحليلات الإحصائية وتضعف نماذج التنبؤات، وتوفر الطاقة المتدفقة إمدادات ثابتة تحافظ على تشغيل أجهزة الاستشعار والمواصلات باستمرار، وعلاوة على ذلك، يمكن للسفن التي تعمل بالطاقة الموجية أن تدعم أدوات تخلف الطاقة، مثل أجهزة التناغم الهيدروفونية لرصد الثدييات البحرية أو أجهزة الاستشعار الكيميائية المتكاملة لكشف التلوث، وهذه القدرة الموسعة تثري مجاري البيانات وتساعد

التحديات والتطورات المستقبلية

وعلى الرغم من الوعد، يجب معالجة العديد من العقبات الهندسية والاقتصادية قبل أن تصبح الطفافات ذات الطاقة الموجية القاعدة.

Harsh Marine Environment

فالمحيط بيئة متينة ودينامية للغاية، إذ إن تطفل المياه السطحية وتدهورها وإجهادها من جراء حمولات الموجات الدورية يشكلان تحديات شديدة للدوافع، إذ يجب أن تُقيَّم الدوافع البحرية والعلامات والوصلات الكهربائية لآلاف ساعات الغواصة والتعرض، كما أن المبيدات الحيوية - تراكم المواسير والآلك وغيرها من الكائنات الحية - التي تعوق زيادة حجمها.

البقاء في البحار الشديدة

ويمكن للعواصف أو الأعاصير أن تنتج موجات تتجاوز 15 مترا. ويجب أن ينجو محولات الطاقة الموجية من هذه الأحداث بشكل سلبي (مثلا، عن طريق الغواصة أو إغلاق مشغل الطائرات) أو أن تكون قوية بما يكفي لمواجهة الضغوط التي تُحدث في ذروة السفن، ويزيد من الوزن والتكاليف، مما يثير إشكالية خاصة بالنسبة للبوي الصغيرة التي يجب أن تظل محمولة، ويشتمل العديد من التصميمات على نمط البقاء يفصل المولد ويسمح للفيضانات

التكاليف الأولية المرتفعة

فأول نوع من الأعمال الهندسية، واختبار النماذج الأولية، والتصديق على الطوافات ذات الطاقة الموجية يمكن أن تكلف مئات الآلاف من الدولارات، وفي حين أن التكاليف التشغيلية منخفضة، فإن الاستثمار الرأسمالي الأولي يثني العديد من المستعملين المحتملين، ولا سيما مؤسسات البحوث والأمم النامية، ومن المتوقع أن تؤدي وفورات الحجم والتصميمات الموحدة إلى خفض التكاليف مع نضج الصناعة، وتثبت الإعانات الحكومية ومبادرات الاقتصاد الأزرق، مثل مشاريع برنامج الطاقة في المحيطات، إلى مساعدة مشاريع البلدان النامية.

تخزين الطاقة وإدارة الطاقة

إن طاقة الموجات متغيرة بطبيعتها على نطاق زمني يتراوح بين الموجات والموجات، ويجب أن يكون بوسع الطواف تخزين الطاقة الفائضة وإطلاقها أثناء التلويح، ولا تزال البطاريات أكثر وسيلة للتخزين عملية، ولكنها تتمتع بحياة محدودة وتراعي درجة الحرارة، إذ أن المكثفات توفر حياة أطول ولكنها أقل كثافة للطاقة، وأن نظم التخزين الهجينة التي تجمع بين بطارية صغيرة من الليثيوم ومتوسطة من حيث الحجم الافتراضي.

التكامل مع الاتصالات المتعلقة بالبيانات

ولا تزال الطوافات ذات الطاقة الموجية تتطلب وصلات اتصال إلى الشاطئ، وتستهلك محطات ساتلية (مثلا إيريديوم وإنمارسات) قدرة كبيرة أثناء انتقالها، وقد لا ينتج بعض محصولي الطاقة الموجية طاقة فائضة كافية لدعم عمليات التكرار في ارتفاع الترددات العالية، كما أن الضغط على البيانات أو استخدام التعلم الآلي على متنها لخفض تواتر الانتقال هو عمل واحد، ويتمثل آخر في استخدام الطاقة الموجية لتكملة الألواح الشمسية.

الاتجاهات المستقبلية

كما أن البحوث الجارية تركز على تحسين كفاءة ودوام مركبات الكربون المكلورة بالعجلات، وقد تؤدي التطورات في المولدات التي تعمل على خط القيادة المباشر، وعلامات التصريف المغناطيسي، ومحولات الطاقة في الدول الصلبة إلى الحد من الخسائر الميكانيكية، كما أن استخدام المواد المركبة ذات المقاومة الدهونية المعززة إلى توسيع نطاق الحياة في الخدمة، وعلى مستوى النظام، يمكن أن تشكل أحواض من الطواف ذات القدرة الذاتية على التوليد شبكات رصد محيطية

وثمة حدود واعدة أخرى تتمثل في دمج عمليات جمع الطاقة الموجية مع برامج أخرى لمراقبة المحيطات، مثل الجلاد والمنجرف والمركبات تحت الماء، ويمكن أن تكون الطوافات المجهزة بمحطة إعادة شحن ذات طاقة موجية بمثابة نقطة ترفرف وتنقل للطاقة للمركبات ذاتية تحت الماء، ومدة مهمتها من أيام إلى أشهر، ويجري استكشاف هذا المفهوم بواسطة برامج مثل مكتب الطاقة التشغيلي التابع للبحرية المتحدة والمشروع الأوروبي " DTO " .

خاتمة

إن تسخير الطاقة الموجة للمحيطات لتوليد الطاقة الساحلية ليس مجرد عملية أكاديمية بل هو تطور عملي وضروري للمراقبة المستدامة للمحيطات، كما أن القدرة على التنبؤ والتماسك في مجال الطاقة الكهربائية للمحيطات تجعلها مصدراً للطاقة أعلى من التطبيقات البحرية البعيدة مقارنة بالبطاريات أو الألواح الشمسية وحدها، كما أن التقدم في تكنولوجيا تحويل الطاقة قد بلغ مرحلة تكون فيها المنتجات التجارية مجهزة ميدانياً، ولا تزال الابتكارات الجارية تخفض التكاليف وتحسن الموثوقية.