إن فكرة الطاقات المتجددة ليست بالفكرة الحديثة، فمجتمعاتنا الحالية تستهلك الكثير من الطاقة، التي أغلبها من المصادر غير القابلة للتجديد (حسب حدود العلم حاليا)، كالنفط مثلاً. لذا، كان التوجه إلى أنواع الطاقة الأخرى، كالرياح والشمس والبحر وغيرها. أما التجارب التي تناولت استغلال مياه البحر فقليلة، فمنهم من استغل المد والجزر ومنهم من استغل طاقة الأمواج، كالتجربة التي ستناولها في هذا المقال.

والمولد المصمم في هذه التجربة يسير الصنع وسلسل الفهم، لدرجة أن أي شخص يستطيع تنفيذه. فأي موجة بحرية صغيرة قادرة على تشغيل هذا المولد الكهربائي. ومع أن هذه التقنية ليست متطورة كثيراً، لكنها على الأقل تعتبر خطوة للتطوير، والمجال مفتوح أما الجميع كي يجرب ويطور.

العربية

الإنجليزية

الفرنسية

الطاقات المتجددة

Renewable sources

Ressource renouvelable

المصادر غير القابلة للتجديد

Non-renewable sources

Ressource non renouvelable

الأمواج الطولية

Longitudinal wave

Onde longitudinale

الأمواج المنحنية (عرضية)

Transverse wave

Onde transverse

تحريض فاراداي

Faraday induction

Loi de Faraday

وشيعة (ملف)

Coil

Bobine

تيار متناوب

Alternating current

Courant alternatif

جسر (قنطرة) تقويم

Rectifier Bridge

Pont de diodes

إن الموجات البحرية الناتجة عن حركة الرياح، تحمل كميات هائلة من الطاقة، وتكون هذه الأمواج عبارة عن تركيبة معقدة من الأمواج الطولية (كالأمواج الصوتية) والأمواج المنحنية (كالأمواج الكهرومغناطيسية أو الأمواج التي تتشكل في حبل عن تحريك إحدى نهايتيه للأعلى أو للأسفل).

الأمواج الطولية

الأمواج المنحنية (العرضية)

أمواج الماء

أمواج سطحية

إذا نظرنا إلى جزء من مياه البحر التي تمر به موجه، سنجد ان كتلة المياه لا تنتقل مع الموجه، ولكن الذي ينتقل هو الطاقة الدافعة. فجزئيات الماء تكون في مسار دائري أو بيضاوي يتعامد على خط مرور الموجة، ثم تعود قريبا جدا من مكانها الأصلي. وهذا يعني أن الجزيئات لا تتحرك فقط للأعلى والأسفل وإنما هناك حركة خطية أيضاً للأمام والخلف نتيجة الحركة الدائرية للجزيئات. قطر هذه الدائرة يزداد كلما اقتربنا من الساحل (المياه الضحلة) حيث يقل عمق المياه.

يمكن تمثيل حركة الموجة بقطعة من الفلين تطفو فوق مياه متماوجة فإنها تعلو وتنخفض مع الموج، ولكنها لا تكاد تغير موضعها ما لم تجرفها بالفعل رياح أو تيار مائي. وشبيه بذلك تمايل سنابل القمح، وتموجها مع الريح.

يمكنا توليد التيار الكهربائي عن طريق مولد كهربائي مجرد والذي يمكنه إنتاج الكهرباء عن طريق ما يسمى بتحريض فاراداي. وتحريض فاراداي هو نفسه قانون فاراداي الذي يلخص بأن مرور مغناطيس ضمن وشيعة من الأسلاك يولد تيارا كهربائيا يمر ضمن هذا السلك (بمعنى آخر: أن حركة المغناطيس داخل الوشيعة تولد تيارا كهربائيا يمر ضمن سلك الوشيعة).

في هذا المقال فإن تغير الحقل المغناطيسي يُنتج جهدا كهربائيا في الوشيعة المجاورة. في هذا المولد اليسير فإن تحريض فاراداي يحدث نتيجة الاهتزازات المتتالية للمغناطيس (الحركة المستمرة للمغناطيس يغير الحقل المغناطيسي المتولد داخل الوشيعة). هذه طريقة سهلة جداً لتوليد كمية مفيدة من الكهرباء، وسوف نستخدمها في تجربتنا المعتمدة على أمواج البحر. الرابطين التاليين عبارة عن مقاطع فيديو تشرح لك تحريض فاراداي:

هناك الكثير من الطرق لاستغلال طاقة الأمواج، ونحن هنا سنعتمد على الحركة المستمرة للأمواج وليست موجة واحدة. العلاقة التي تعبر عن الجهد الكهربائي (فرق الكمون) الناتجة في وشيعة بحيث لفاته تتقاطع مع الحقل المغناطيسي المتغير، تعطى كما يلي:

V = A × N × dB/dT

حيث:

·        V = الجهد الكهربائي الناتج في خرج المولد (بالفولط).

·        A= مساحة المقطع العرضي للوشيعة بالمتر المربع.
حيث أن π r² = A، وأن المتغير rيمثل شعاع الوشيعة.

·        N= عدد لفات سلك الوشيعة.

·        dB/dT= معدل تغير الحقل المغناطيسي داخل الوشيعة.
 وتقاس بالتسلا في الثانية (Tesla/sec).

نستنتج من المعادلة السابقة أنه للحصول على جهد كهربائي كبير من المولد، سنحتاج إلى أن يكون التغير dB/dT  في الحقل المغناطيسي أكبر (أو لنقل أسرع) ما يمكن دون الاعتماد على سرعة الامواج (حيث أن الأمواج لا نستطيع التحكم في سرعتها).

بعض التصاميم التجارية قامت باستغلال الحركة البطيئة للأمواج في الضغط على هواء كائن داخل حجرة مرنة كبيرة، ثم اخراجه من فتحة ضيفة، حيث يقوم الهواء الخارج بسرعة في تدوير مولد (توربين)، وفي هذه الحالة فإن الحركة البطيئة للأمواج تتحول إلى حركة سريعة للهواء والتي تقوم بتدوير المولد بسرعة.

العربية

إنجليزية

فرنسية

الكمية

القيمة أو الصيغة

مغانط قوية جداً

Strong Magnets

10

(تملك حوالي 1تيسلا من الحقل المغناطيسي حول سطوحها)

نوعNeodymium Iron Boron

صمام ثنائي

Diodes

8

1N4148

مكثف

Capacitor

2

1000ميكروفاراد

على الأقل 100ميكروفاراد

بكرة أسلاك نحاسية

بطول 200متر، معزول

مسطرة فولاذية مرنة

بطول 1م (تأكد أنها مغناطيسية)

قطعة من أنبوب بلاستيكي

من التي يتم استعمالها للصرف الصحي

ألواح خشبية بأبعاد مختلفة

مثبتات، ومسامير وبراغي.. إلخ

لقد اخترنا أن يكون المولد المصمم أسهل ما يمكن، وفي نفس الوقت أن يعيش أطول فترة ممكنة. حيث قمنا بتثبيت الجهاز بطوافة من الخشب (الشكل التالي والصورة السابقة)، بحيث أن الحركة المستمرة لسطح المياه (الأمواج) تقوم بتحريك المغانط إلى داخل وخارج الوشيعة، وهذا ما يولد التيار الكهربائي داخل سلك الوشيعة.

·       المغانط مثبتة جيداً مع بعضها البعض ومثبتة في نهاية مسطرة معدنية طولها 1متر، والمسطرة ذاتها مثبتة بالقاعدة.

·       المسطرة مرنة جداً لتسهل حركة المغانط بالاتجاهين، وحيث أنها لا تميل إلى الالتواء بسهولة، لذا، فهي تقوم بتوجيه المغانط على محور الوشيعتين تماماً.

·       الحركة المرنة (المطاطية) للمسطرة والحركة غير المنتظمة للطوافة تعني بأن المغانط ستقوم أحياناً بالنقر على الوشيعتين (انظر الملاحظة رقم 5في الاسفل). هذا التسارع يخلق سرعات أكبر للمغانط، وبالتالي ستلاحظ أنه هناك اشارات أكبر بين الفينة والأخرى في خرج الوشيعتين.

·       الوشيعتين عبارة عن سلك من النحاس ملفوف (1000لفة) على نهايتي أنبوب بلاستيكي يستعمل للصرف الصحي (انظر الصورة التالية)، وكان قطر كل وشيعة كبير بشكل كاف لكي يكون ولوج المغانط إلى داخلها أيسر ما يمكن.

·       يعتمد الجهد الكهربائي الناتج عن كلا الوشيعتين على سرعة واتجاه المغانط داخل الوشيعتين، وهذا ما ينتج تيارا كهربائيا متناوبا.

لتحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر استخدمنا مجموعة من الصمامات الثنائية ومكثفات. يوضح  المخطط التالي الدارة الكهربائية للجهاز.

·       يوضح المخطط أن كل وشيعة موصولة بـجسر تقويم لتحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر (انظر الملاحظة رقم 2في الأسفل). وجسر التقويم (لمن لا يعرفه) فهو عبارة عن 4صمامات ثنائية مشكلة على شكل جسر (أو قنطرة) وظيفتها تحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر. كما تم استعمال المكثفات لتخزين هذه الطاقة (مع أن الضياع في التيار الناتج عن خرج المولد ليس كبيراً جدا ً فهو أقل من 20ميلي أمبير) والتي تقوم بحساب معدل النبضات أيضاً.

·       جميع الصمامات ثنائية من نوع 1N4148، وكل المكثفات سعتها 1000ميكروفاراد.

·       يكون التيار المستمر الناتج مناسباً لدارات الطاقة التي تستعمل البطاريات عادة.

·       يمكنك ببسهولة أن تثبت الدارة الكهربائية على الجهاز وفي مكان جاف.

·       عن طريق توصيل دارتي الوشيعتين على التوالي، يمكننا حينئذ أن نقوم بجمع الجهد الكهربائي الناتج (انظر المخطط).

لقد استعملنا في هذه التجربة 10مغانط، لكنك تستطيع أن تستعمل مغناطيسين فقط (اعتماداً على قوة المغناطيس طبعا). كما يجب أن تنتبه أن موقع المغانط بالنسبة للوشيعتين إذا كان دقيقاً سينتج تياراً كهربائيا أقوى.

المغانط، التي استعملت في هذه التجربة، متوفرة كثيراً ومغناطيسيتها قوية جداً، والحقل المغناطيسي الناتج على سطوحها تقدر بـ 1تيسلا.

لقد وجدنا أن حركة الأمواج البحرية كانت قادرة على تحريك المغانط داخل وخارج الوشيعتين بمقدار مرة واحدة كل ثانية. هذا يقابل تغيير في الحقل المغناطيسي حوالي 1تسلا في الثانية، لذا، فإن dB/dTتساوي تقريباً 1.

وبما أن مساحة المقطع العرضي لكل وشيعة يساوي 5سنتمترا مربعا (0.005مترا مربعا)، وعدد اللفات يساوي 1000لفة. فمن خلال المعادلة السابقة الذكر نستطيع أن نحسب الجهد الكهربائي القصوى:

V = A × N × dB/dT

      = 0.005 × 1000 × 1

= 5 V             

كل وشيعة لها جسرها المقوم ومكثفها الخاص. والنتيجة طبعاً ستكون عبارة عن جمع الجهد الكهربائي الذي هو 10فولط.

وبما أن حركة المغانط داخل الوشيعتين متوترة، فإن الوشيعتين سوف تعطيان نبضات كهربائية غير منتظمة (أي تيارا متناوبا). وأيضاً مع الأخذ بالاعتبار أن الجهد الكهربائي يهبط نتيجة مروره بالجسر المقوّم، وكنتيجة لكل ذلك كان الجهد الكهربائي الناتج في تجربتنا يتراوح بين 5إلى 6فولط. طبعاً هذه القيمة تتغير اعتماداً على المغانط المستعملة وعلى حالة الأمواج البحرية.

ملاحظة: إن أجزاء الدارة يجب أن تجمع بشكل جيد، لكي تثبت فيما بعد على الطوافة.

تصميم الطوافة سهل جداً، فأنت تستطيع أن تبنيها من مخلفات لا يُلتفت لها عادة. وفي النهاية يجب أن تكون الطوافة قوية وكبيرة بحيث تستطيع حمل المولد بسهولة.

من أجل تحقيق هذه التجربة اخترنا صنع طوافة من الخشب مساحتها في حدود متر واحد مربع. هذه القطعة عبارة عن ثلاثة ألواح خشبية بنفس الطول، وضعت جنباً لجنب وتم تثبيتها بعضها ببعض بواسطة براغي. ولكي تصبح الأضلاع بطول متر واحد، قمنا بإضافة قطع خشبية بأبعاد 4 × 2سنتمتر على حواف الألواح الثلاثة، وتم تثبيتها بمسامير لتكوين شفاه تساعد في إرساء الطوافة. كما تم فتح ثقب بقطر 20سنتمتر في منتصف الطوافة لتثبيت المولد.

إن الخشب المستعمل لن يطفو على سطح الماء تماماً بل سيكون منخفضاً قليلاً بحيث يكون مع مستوى سطح الماء تقريباً ومع الأيام سيصبح مشبعاً بالماء مما قد يسبب في هبوطه أكثر، لذا استعملنا في تجربتنا أيضاً حبات من جوز الهند وثبتناها بواسطة شبكة صيد السمك، كي يبقى طافياً دائماً.

إن ثمرات جوز الهند تبقى أشهراً أو حتى سنوات في مياه البحر ولا يحدث لها شيء، فهي تعوم عادة في مياه المحيطات، وكثيراً ما تأتي من قارات بعيدة، فتكون قد سقطت من أشجار جوز الهند هناك ويحملها المحيط إلينا، إن الغطاء الخارجي لجوز الهند مقاوم جداً للمياه كما تحصر الهواء داخلها.

طبعاً، اختيار الطوافة يعود إليك، والمهم  أن يكون المولد طافياً. وهناك فكرة أخرى للطفو وهي استعمال قنينات البلاستيك المغلقة بأغطيتها بإحكام، بالطريقة التي تراها مناسبة، والمثال التالي يوضح طريقة لاستغلال هذه القنينات.

إن قيمة الجهد الكهربائي الناتج عن هذا المولد هي بحوالي 5فولط، وشدة تيار تساوي حوالي 20ميلي أمبير، وتكون القدرة الكهربائية بحوالي 0.1واط. طبعاً، هذا ينتج عن كمية صغيرة جداً من طاقة الموجة.

في تجربتنا استعملنا الجهد الكهربائي الناتج لتشغيل جهاز كاشف للدخان. يمكن أيضاً أن تستعمله في تشغيل جهاز انذار السرقة، كما يستطيع هذا المولد تشغيل محرك صغير، أو مذياع. وقادر أيضاً على تشغيل مصباح يتطلب 6واط، أو عدة صمامات ضوئية.

ولا ننسى أن الضوء الموجود على الطوافة يتم الحصول عليه عن طريق الجهد الكهربائي الناتج عن الطوافة نفسها.

1.    ليس بالضرورة أن يكون اختبار الجهاز في مياه البحر، فمسبح المدرسة أو الكلية قد يكون مكاناً مناسباً للتجربة، أو حتى في بحيرة قريبة.

2.    يقوم جسر التقويم بتحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر. وبكلمة أخرى فإن الجهد الكهربائي الذي يصل إلى جسر التقويم سينتقل دوماً بواسطة صمامين ثنائيين، بحيث إنه سيخرج بنفس القطبية. لذا، فليس مهماً تحديد طريقة توصيل الوشيعتين مع المقوم. كما أنك هناك هبوطا طفيفا في الجهد الكهربائي (حوالي 2 × 0.6فولط بالنسبة لصمامات ثنائية من السيليكون) بسبب جسر التقويم.

3.    في تجربتنا استعملنا لوحة شمسية من التي تستعمل في الحدائق العامة، تم توصيلها مع خرج الدارة بواسطة صمام ثنائي (من نفس النوع المستعمل في التجربة)، والجهد الكهربائي الذي نتج عن اللوحة الشمسية كان قريبا من الجهد الكهربائي الناتج عن المولد، أي 5فولط، يعني أنه كان هناك دائماً جهدا كهربائيا ناتجا سواء من الخلية الشمسية أو من حركة الأمواج.

4.    يحصل النظام هنا على كمية قليلة من طاقة الأمواج، ونستطيع أن نزيد من كمية استغلال طاقة الأمواج، عن طريق زيادة كمية الوشيعات والمغانط، بالإضافة إلى الأفكار الجديدة كلياً عن تصاميم أخرى. وفي كل الأحوال، فإن أي فكرة تزيد من الحقل المغناطيسي الناشئ ستكون مفيدة في زيادة التيار الناتج.

5.    إن الحركة غير المنتظمة للمسطرة الفولاذية سببها أنها تتحرك تحت تأثير الأمواج، بالإضافة إلى أن المسطرة نفسها لها تواتر معين في الاهتزاز. لذا، فإن اختلاط الاهتزاز الناتج عن أمواج البحر والتواتر الخاص بالمسطرة يسببان عدم الانتظام في اهتزاز المسطرة.

6.    قد يكون من الممكن وضع المسطرة مع الوشيعتين والمغانط بشكل أفقي بدلاً من الشكل العمودي الحالي، لكن هذه الطريقة سيكون لها ترتيبات أخرى لم نجربها للأسف. وعلى كل حال فالمجال دائماً مفتوح للتطوير.

7.    يمكنك تصميم عدة مولدات وربطها مع بعضها البعض كما في المثال التالي مثلا:

وإذا كنت تحلم بأبعد ما يمكن فيمكن التفكير في مولد موجي بهذا الشكل أيضا: