توربينات الرياح عادة ما تتجول من الأرض مثل عجلات الدبوس العملاقة. الآن شركة في الصين تستكشف عامل شكل جديد: توربينات الرياح الطائرة. تطفو هذه الطائرات التي تشبه زيبلين في السماء ، المربوطة بالأرض فقط بواسطة الكابلات لأنها تولد تيارًا غير متوقفة من الطاقة بفضل الرياح القوية الموجودة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي.
بدلاً من الاختناق بواسطة رياح متقلبة على مستوى الأرض-واحدة من التحديات الرئيسية للتوربينات الثابتة الحالية-لن تتقلب إنتاجية توربينات الرياح التي تدور حول توربينات الرياح لأن الرياح هناك ثابتة. يمكن أن يحل هذا التصميم بعضًا من أكبر مشاكل توليد طاقة الرياح دون الحاجة إلى الاستثمار في البنية التحتية الواسعة ، مما يقلل من البصمة البيئية لطاقة الرياح في هذه العملية.
تم اقتراح المفهوم لأول مرة من قبل مهندس صيني كان من بين رواد مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في منتصف الأربعينيات. لم يتراجع أبدًا في الولايات المتحدة ، لكن ناشئة الطاقة الصينية تدعي أنها على استعداد لنشر الآلاف من التوربينات العائمة التي يمكن أن تنتج 100 كيلووات ، وهو نفس الناتج من طواحين الهواء الأرضية التي تعمل الآن على تشغيل كل شيء من الهياكل التجارية الصغيرة والمتوسطة الحجم والعمليات الزراعية إلى المرافق الصناعية وحتى المشاريع البلدية الصغيرة. تعمل المنشارات أيضًا على نموذج جديد يتوافق مع قدرات طواحين الهواء الأرضية النموذجية مع التوربينات التي يمكن أن تولد أكثر من 1 ميجاوات.
فكرة ذكية
تعود أصول طاقة الرياح المحمولة جواً إلى مهندس الطيران المولود في شنغهاي تشيان Xuesen. هرب تشيان من ثلاثينيات القرن العشرين في الصين للدراسة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قبل انضمامه إلى “فرقة الانتحار” الشهيرة في Caltech ، وهي المهندسين المهووسين بالصواريخ الذين وضعوا أسس فضاء الفضاء الأمريكية الحديثة.
لقد كان مهاجرًا رائعًا ساعد في بناء واحدة من أهم الثورات التكنولوجية الأمريكية على الإطلاق ، لكن مهنة تشيان في الولايات المتحدة انتهت في ظل الشكوك في عهد مكارثي. بعد سنوات إلقاء القبض على المنزل ، تم ترحيله إلى الصين في عام 1955 ، حيث أصبح الأب المؤسس لبرنامج الصواريخ الصينية والفضاء. كان بحثه هو الأساس لعائلة Rockets Long March التي جعلت Beijing قوة عظمى.
كان ذلك أيضًا الوقت الذي توصل فيه إلى النظريات التي تجعل توربينات الرياح التي تحلق الحالية ممكنة. في عام 1957 ، اقترح تشيان ما أسماه “قناة ناشر القاذف” ، وهي نظرية مفادها أن تدفق الهواء عبر التوربين يمكن تسريعه بشكل كبير عن طريق إضافة سكن دائري مصمم بعناية حوله. بدلاً من التعامل مع الرياح ككتلة حرة تمر عبر شفرات مفتوحة ، أعد فكرة تشيان التوربين كجزء من نظام الديناميكي الهوائي.
سوف يخلق القناة على شكل حلقة فرقًا في الضغط (ضغط منخفض خلف التوربينات ، الضغط العالي في المقدمة) الذي سحب الهواء الإضافي إلى الشفرات. هذا التأثير ، في الأساس “حلق” من صنع الإنسان للرياح ، يمكن أن يزيد من الكفاءة بشكل كبير دون الحاجة إلى شفرات أكبر أو أبراج أطول. في حين أن التوربينات الأرضية التقليدية تعتمد بحتة على منطقة الشفرة الجرف ، المقيدة بالفيزياء والهيكل ، فإن نموذج ناشر القاذف تشيان يضاعف بشكل فعال الرياح القابلة للاستخدام دون زيادة الوزن الهيكلي.
بدا مفهوم تشيان غريبة في ذلك الوقت. كانت التوربينات لا تزال مشاريع هندسية متخصصة ، وكان لدى مخططي الطاقة القليل من الشهية للتصميمات التجريبية. لم يكن حتى بعد ذلك بكثير بدأوا في التبلور.
أحلام تحطم
لم يكن الأمر سهلاً. المفاهيم رائعة ، لكن الهندسة وتصنيعها غالبًا ما تكون صعبة للغاية ، مما أدى إلى الكثير من الطريق. على مر العقود ، حاول الكثيرون تحويل توربينات الرياح الطيران إلى آلات عمل.
قامت Mit Spinout Altaeros ببناء Blimp المليء بالهيليوم مع توربينات الرياح في قلبها ، على أمل أن يحوم على ارتفاع 2000 قدم لالتقاط رياح أسرع. وقال الرئيس التنفيذي لشركة NBC News في عام 2014: “نحاول اختراع أقل قدر ممكن”. على الرغم من الاختبارات الواعدة في ألاسكا ، تخلت الشركة عن Power Dream وتم محورها على منصات الاتصالات اللاسلكية لنشر الشبكات المحلية باستخدام Blimps.
قامت Kitegen في إيطاليا ببناء نظام يشبه الطائرات الورقية طار في أنماط الشكل ثمانية ، وسحب المولدات على الأرض. لم تتجاوز مرحلة النموذج الأولي. جربت Makani Technologies ، التي تأسست في منطقة الخليج واكتسبتها Google في عام 2013 ، طائرة شراعية مربوطة مزودة بدوارات ؛ تم إغلاقه بواسطة Alphabet في عام 2020. حتى ناسا انخرطت بالمفاهيم. لم ينجح أي منها إلى النشر على نطاق واسع ، على الرغم من أننا قد نرى مولد كهرباء طائرة ورقية طيران على المريخ أو كوكب آخر في يوم من الأيام.
جميعهم تصارع مع نفس المشكلات: التعقيد الهندسي ، واستقرار الطيران في الرياح العاتية ، والتصاريح الحكومية ، وتكاليف الغاز الطبيعي تقلل من تكاليف الرياح. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل توربينات الرياح الثابتة بشكل رائع للمنشآت الكبيرة ، على الرغم من تكلفتها ووقتها وتأثيرها البيئي.
لماذا التوربينات الطائرة؟
تكمن جاذبية التوربينات الطيران في وصولها إلى الرياح الأقوى والثابتة. لا يمكن أن تصل الأبراج التقليدية إلى حوالي 650 قدمًا فوق الأرض ، حيث لا تزال الرياح تتقلب. ولكن على ارتفاع 5000 قدم ، تتحرك التيارات الهوائية بثلاث مرات أسرع ويمكن أن تولد ما يصل إلى 27 مرة من الطاقة.
ميزة هذه التوربينات ليست فقط إنتاجية الطاقة الثابتة النظرية ولكن أيضا تكلفتها. توربينات الرياح الثابتة باهظة الثمن ومكثفة للموارد للبناء والتثبيت ، إلى ما هو أبعد من تكلفة تصنيع الدوار والبرج وحده.
تتطلب كل توربينات قائمة على الأرض مئات الأطنان من المكونات الفولاذية والخرسانة والصناعية ، بالإضافة إلى مواقع البناء الضخمة ، وغالبًا ما تكون الطرق الجديدة أو التفجير من جبلات النقل ومواقع المعدات. تتطلب التصميمات الخارجية أبراج شعرية فولاذية تزن آلاف الأطنان والمرافق البحرية المتخصصة والخدمات اللوجستية المعقدة.
تترجم احتياجات البنية التحتية هذه إلى آثار بيئية كبيرة: أقدام الأراضي الضخمة التي تصل إلى 80 فدانًا لكل توربينات ، وتعطيل الموائل ، والوصول إلى الأراضي المقيد ، وشهور أو سنوات من التخطيط والسماح والبناء. مع الاستخدام المقيد حول التوربينات بسبب مخاطر الضوضاء والسلامة ، يصبح الكثير من الأرض يمكن الوصول إليه – حتى للمالكين.
على النقيض من ذلك ، لا تتطلب توربينات الطيران مثل تلك التي طورتها السقاهد أقل من طن ، ولا تتطلب أي أساس دائم أو تخليص أرضي ، ويمكن نشره بسرعة حيث لا يمكن أن تصل الطاقة التقليدية مع الحد الأدنى من الاضطراب والتكلفة: حقول النفط البعيدة ، أو الجزر الصغيرة ، أو مناطق الكوارث التي تهم السرعة والتنقل أكثر من غيرها.
بدأت المنشارات الأبحاث حول مولداتها المحمولة جواً باستخدام أفكار تشيان في عام 2017. نظرت الشركة في استخدام وسادة هوائية رئيسية متكاملة مع جناح حلقي يسرع تدفق الهواء ويخوضها مباشرة من خلال المولدات المدمجة ، مما يعزز من الناحية النظرية كفاءة بأكثر من 20 ٪.
بحلول أكتوبر 2024 ، ورد أن النموذج الأولي للشركة S500 بلغ 1640 قدمًا وتوليد 50 كيلووات – سجلات عالمية رائعة لكل من الارتفاع والإنتاج ، والتي كانت تنتمي حتى ذلك الحين إلى فريق بحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. في يناير 2025 ، ضاعف S1000 هذا الارتفاع وعبر عتبة 100 كيلووات.
لا تزال هناك تحديات. السلامة ، على سبيل المثال ، لا تزال سؤالاً مستمراً. في تلك الارتفاعات ، يمكن أن تصبح الرياح عنيفة بسرعة. وأوضح وينغ هانك ، كبير مسؤولي التكنولوجيا في سريا ، لصحيفة هونغ كونغ بوست صباح الصين الجنوبية إن تقنية النظام المزدوجة للشركة – Radar على الأرض وأجهزة الاستشعار في الوسادة الهوائية – تستقر. في الظروف القاسية ، “يمكن للنظام أن ينحدر بسرعة في غضون خمس دقائق”.
هناك أيضا مسألة الهيليوم. تعمل هذه الأشياء بطريقة مماثلة للبالونات الطقس ، وهناك دائمًا تسرب ، مما يضع مشكوكًا في متانتها. وقال دان تيانروي ، مؤسس ورئيس الرئيس التنفيذي ، بوست صباح الصين الجنوبية أن تسرب الغاز في شركة Aerostat للشركة قد تم تخفيضه إلى النقطة التي يمكن أن تبقى فيها في الهواء لأكثر من 25 عامًا.
وفقًا للسقاهد ، بدأ إنتاج الدُفعات بالفعل في Yueyang ، وهي مدينة على بعد حوالي 700 ميل جنوب شرق بكين ، مع عقود تزيد قيمتها عن 70 مليون دولار. طموح الشركة ، في الوقت نفسه ، يمتد إلى أعلى.
المحطة التالية: الستراتوسفير
تستعد Dawes الآن لرحلة اختبار لنموذج S1500 الجديد. “إن نظام S1500 الذي تم تطويره حديثًا يضم قدرة على توليد 1 ميجاوات ، أي ما يعادل برج توربينات الرياح التقليدية التي يبلغ ارتفاعها 100 متر (و) من المقرر أن يتجه إلى رحلة الاختبار قريبًا” ، كما زعمت Weng. “إن الرياح ذات الارتفاع العالي هي مصدر طاقة قوي وغير مستخدم في الغالب.
يحتوي التصميم على نفس هيكل الطائرة المميز للحلقة التي تسرع تدفق الهواء. في الداخل ، تعمل 12 من المولنات الدقيقة المصنوعة من ألياف الكربون بالتوازي ، وسوف توفر طاقة على نطاق المنفعة من وحدة تصل إلى 90 ٪ أقل من توربينات برج الصلب.
يتصور Tianrui أساطيل Amgawatt Class Aerostats التي تعمل في الستراتوسفير ، أكثر من 32000 قدم ، حيث يقال إن طاقة الرياح أقوى 200 مرة من الأرض. قال: “في ذلك الوقت ، ستكون تكلفة الكهرباء عُشر ما هي عليه اليوم.”
تؤكد مثل هذه الأحلام على كل من الوعد والتحدي المتمثل في قوة الرياح المحمولة جواً. لقد شهد العالم الشركات الناشئة المحمولة جواً ترتفع وسقوط. ما إذا كان يمكن أن تنجح المنشارون حيث فشل Google و Startups و MIT والمهندسين الأوروبيين على الحجم والاقتصاد والبقاء. في الوقت الحالي ، يحملون الرقم القياسي لأعلى وأقوى التوربينات الطيران التي تم بناؤها على الإطلاق – وهو حلم تم تخيله أولاً منذ ما يقرب من 70 عامًا والذي قد يكون جاهزًا أخيرًا للرحلة.
