إن مركبات السكك الحديدية العالية السرعة تمثل حافة هندسة النقل، قادرة على تجاوز ٣٠٠ كيلومتر/ساعة أثناء حملها مئات الركاب، ومع ذلك فإن نفس السرعة التي توفر السفر السريع تشكل أيضا تحديا أساسيا: التغلب على السحب الهائل من الطاقة الهوائية، والقوات غير المباشرة، والخسائر الاحتكاكية تستهلك طاقة هائلة، ونظرا لأن الحكومات والمشغلين في العالم أجمع يلتزمون بإبطال مفعول النقل، فقد زاد التركيز أيضا على تصميم برامج جديدة لا تستعيد السرعة القصوى.

أساسيات كفاءة الطاقة في تصميم السكك الحديدية العالية السرعة

إن كفاءة الطاقة في السكك الحديدية العالية السرعة ليست سمة واحدة، بل نتيجة لنظام متكامل يعمل فيه الديناميكية الهوائية والوزن والدفع واستراتيجيات التحكم بشكل متضافر، والهدف هو التقليل إلى أدنى حد من الطاقة اللازمة للتغلب على القوى المقاومة، مع زيادة الطاقة التي يمكن استخلاصها وإعادة استخدامها أثناء التباطؤ، مما يجعل سرعة التدحرج فوق 250 كيلومترا/ساعة، تشكل مقاومة ميكانيكية تبلغ نحو 60 عاما.

تحقيق الاستخدام الأمثل للطيران والحد من الدراج

وقد يكون شكل أنف القطار العالي السرعة هو أكثر سماته إدراكاً - وهو الشكل المبسط والمنتشر على سلسلة شينكانسن للشمال الوطواط أو الدوبل الذي يُستخدم فيه التسارع في استخدام الطاقة، وهو ما يؤدي إلى الحد من سرعة استخدام السقف في المناطق التي لا تُستخدم فيها الطاقة، حيث يُستخدم في هذه الأشعة تحت سطح الماء، حيث يُستخدم المحركات في مقياس التدفق الحرجي للأشعة دون السعة، أي 0.2 في شكل من أشكال التخثروات الخارجية.

بناء الوزن الخفيف وعلوم المواد

ويخفض كل كيلوغرام من الكتلة الموفرة في قطار مرتفع السرعة الطاقة الحركية التي يجب توفيرها أثناء التسارع، كما أن الطاقة التي يمكن استردادها أثناء المكابح، وتستعمل القطارات الحديثة الطفيفة في النسيج، وهي عوامل تزيد من وزنها على 15 طناً.

نظم الإرسال الفعالة والكهرباء الإلكترونية

وتُستخدم القطارات العالية السرعة عادة محركات التقلب الكهربائي التي تُستخدم عبر خطوط المغذيات العامة (AC أو DC) وتُستخدم القطارات الحديثة في استخدام محركات ذات ثلاث مراحل أو مركبات متزامنة دائمة (PMSMs) وتُحدِّد أجهزة التحكم في النفايات الكهربائية بنسبة 7 في المائة، وتُعرض كميات أكبر من الحمولة وكفاءة المحركات (أكثر من 95 في المائة في شكل قنابل خامات النسيجية).

نظم استعادة الطاقة: تحويل الإدراك إلى قوة

وفي حين أن تدابير الكفاءة تقلل الاستهلاك، فإن نظم استعادة الطاقة تستهلك طاقة حركية مهدرة، وتتحول إلى كهرباء صالحة للاستخدام، وهذا أمر له قيمة خاصة في السكك الحديدية العالية السرعة، لأن القطارات يجب أن تنهار من الطاقات الحركية العالية جدا - وهي شبكة ت جي في 320 كيلومترا/ساعة، ويمكن أن تستعيد الطاقة الحركية في نفس القطار بسرعة 120 كيلومترا/ساعة.

ميكانيكيات الإبراز والكفاءة

وفي المكابح الإبداعية، تعمل محرك التراكب كمولد، وتحويل قوة الدفع التي يقودها القطار إلى تيارات كهربائية، أما التفاخرات الارتجاعية (الطاقة المخففة كالدفاع في المقاومات) فهي تستخدم كدعم أو لضبط دقيق بالسرعة المنخفضة، وتتوقف كفاءة التجدد على قدرة الشبكة المحفزة على استيعاب الطاقة، وعلى خطوط النقل المتكررة، يمكن استخدام الطاقة المستعادة من قبل قطار آخر

على متن شركة تخزين الطاقة

فعندما يكون استيعاب الشبكة محدودا، يمكن أن يلتقط التخزين الموجود على متنها فائضا من الطاقة المتجددة، كما أن البطاريات والمكثفات الخارقة هي التكنولوجيات الرئيسية، كما أن البطاريات (الليثيوم المتكرر) توفر كثافة عالية من الطاقة لتخزين الطاقة يمكن استخدامها فيما بعد في النظم المساعدة، أو لإضاءة الكابينات، أو حتى إطلاقات الهواء المنخفضة السرعة.

نظام " غريد فيدباك " وتوزيع الذكاء

وتعود إلى شبكة الكهرباء العامة أكثر الطرق مباشرة في استخدام الطاقة المستعادة، وفي كثير من البلدان، توجد لدى مشغلي السكك الحديدية اتفاقات مع شركات المرافق العامة لبيع فائض الكهرباء المتجددة، وتغذي هذه الشبكة الطاقة من جديد إلى الشبكة السويسرية، بينما تستثمر شبكة الطاقة المتجددة في ألمانيا في عمليات تخريب قابلة للعكس تحول مسارها إلى آخر، غير أن التغذية الفوقية من الشبكة يمكن أن تحد من ذلك.

الاستراتيجيات التنفيذية لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة

وبالإضافة إلى تصميم المعدات، تؤثر طريقة تشغيل القطارات تأثيراً كبيراً على كل من استهلاك الطاقة وإمكانات التعافي منها، ويسهم تدريب السائقين، وعملية التدريب الآلي، والالجدول الزمني على النحو الأمثل في الحد من استخدام الطاقة بنسبة تتراوح بين 10 و25 في المائة دون تغيير المخزون المتداول.

Eco-Driving and Coasting Techniques

ومن شأن سلوكيات القيادة البسيطة مثل السواحل (الطاقة المفككة) قبل الإفطار أن تقلل كثيرا من استهلاك الطاقة، وبدلا من التعجيل بسرعة الخط ثم التباخر، فإن السائق الفعال سيصل إلى مسافة أطول، مما يجعل من الهوائيين يبطئون القطار بشكل طبيعي. وقد أظهرت الدراسات المتعلقة بالتقيد بالجدول الزمني المحدد لتسويق الطاقة أن الحد الأمثل من استخدام الطاقة بنسبة 15 في المائة في بعض الأقسام.

التشغيل الآلي للتدريب والجداول الزمنية المعتمدة للطاقة

وتُعد عملية التحلل الآلي الكامل )الهدف ٤( نادرة على خطوط عالية السرعة بسبب السلامة والتعقيدات التشغيلية، ولكن العديد من القطارات السريعة تستخدم الآن " ATO " )مجموعة التلقائية ٢ أو ٣( للعمليات التي تقل عن ٢٠٠ كيلومتر/ساعة، مع وجود محركات تشرف عليها، وتستخدم سلسلة " H400 " نظاما متطورا من أجل التشغيل عبر الحدود، يتضمن جدولا زمنيا أوسع نطاقا للطاقة.

التكنولوجيات والابتكارات في المستقبل

ويهدف الجيل القادم من القطارات السريعة إلى زيادة تعزيز حدود الكفاءة من خلال المواد المتقدمة، ومفاهيم الدفع الجديدة، وإدارة الطاقة الذكية، وهناك العديد من المشاريع الرائدة ومشاريع البحوث التي يجري تنفيذها بالفعل.

مواد الوزن الخفيف المتقدمة: غرافين ونانوكوليس

ويمكن للمركبات المركبة التي تعمل بالغرفين أن تقلل من وزنها بنسبة إضافية قدرها 20 في المائة عن الرقم القياسي لتصنيف المواد الكيميائية، بينما تحسن القوة الهيكلية والسلوك الحراري، وقد مول المشروع الأوروبي دراسة جدوى لقذائف أجهزة القطار المنفذ للغرافيين، بينما اختبرت لوحات نموذجية على قطار اختباري مرتفع السرعة إسباني، كما يجري استكشاف بدائل إنتاجية باهظة التكلفة في إطار عقود قابلة للتحلل الأحيائي.

نظم الإنتاج الهجينة والبدائل

أما بالنسبة لجميع القطارات السريعة جداً فهي كهربائية، ولكن خلايا الوقود الهيدروجينية يجري النظر فيها بالنسبة للقطع غير المُصَدَّرة أو كمواد للتغطية، و " الباحثون في مجال التكسير في منطقة ألتومات كولينت " يعملون بالفعل على خطوط إقليمية، ولكن التطبيقات العالية السرعة تواجه تحديات في كثافة الطاقة الكهربائية في الخلايا وحجم تخزين الهيدروجين.

دمج الطاقة المتجددة: تخزين الطاقة الشمسية وتعقبها

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للمنشآت ذات النطاق الترددي الشمسي الكبير إلى جانب خطوط السكك الحديدية العالية السرعة أن توفر مباشرة طاقة التخزين، مما يقلل من الاعتماد على الشبكة، حيث أن خدمة التخزين بالبطارية الأوروبية لا يمكن أن تستخدم مزرعة للطاقة الشمسية تبلغ 10 ميغاواط للتعويض عن استهلاك الطاقة، ويجري تقييم مشاريع مماثلة بالنسبة لخطوط الغازات الفلورية الفرنسية، كما أن الألواح الشمسية الموجودة على أسطح القطارات أقل فعالية بسبب محدودية المساحة والقطارات التي تُدمج

الاستخبارات الفنية لإدارة الطاقة الافتراضية

ويمكن أن تحلل الخوارزميات التعليمية الآلات آلاف البارامترات - وزنها، ودرجة خطها، وظروف الطقس، وعبء الركاب، وكثافة المرور - للتنبؤ بالصورة القصوى لاسترداد الطاقة واستهلاكها، كما أن خط السكك الحديدية الوطني الفرنسي قد وضع بروتوكولات " محمية الطاقة " تستند إلى معلومات أساسية تكيف المشورة في مجال قيادة المركبات في الوقت الحقيقي، مما يحقق وفورات في الطاقة في المستقبل.

خاتمة

إن تصميم مركبات سكك حديدية عالية السرعة من أجل تحقيق أقصى قدر من استعادة الطاقة وكفاءتها يشكل تحديا متعدد الأبعاد يتأثر بكل جانب من جوانب هندسة التدريب - من شكل الأنف إلى تركيبة مجموعة البطاريات - ومن خلال الحد من السحب الهوائي، واعتماد مواد خفيفة الوزن، وإدماج الدافع المتقدم للنشر والتجديد، والقطارات الحديثة مثل نظام شينكانسن N700S، وشبكة البرمجيات المتعددة الأطراف التي وضعت بالفعل معايير عالية لإدارة العمليات.

For further reading: International Energy Agency, “Railways and the Energy Transition” (2023); A. Garg, “High-Speed Train Aerodynamics – A Review,” Journal of Rail and Rapid Transit (2021); Siemens Mobility, “Energy-Efficient Traction and Regenerative BraFking” (2022).[