بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی بویه شناور جاذب انرژی امواج دریا در منطقه بندر عسلویه خلیج فارس
چکیده
منطقه بندر عسلویه خلیج فارس با داشتن ارتفاعات کوتاه امواج دریایی، که ناشی از کم بودن طول باد خیزی، شرایط طول و عرض جغرافیایی و عمق دریا است، دارای توان پتاسیل کمی در استحصال انرژی امواج جهت تولید برق می باشد ، ولی همین شرایط باعث پدیداری امواجی با ارتفاع کم، ولی مداوم در طول مدتی طولانی از سال و با فرکانسی نزدیک بهم، گشته است.
در این مقاله، پس از بررسی و آنالیز مشخصه های امواج منطقه بندر عسلویه خلیج فارس و مشخص شدن فرکانس و ارتفاع غالب بر امواج منطقه، براساس پدیده تشدید، طراحی یک بویه شناور با فرکانس طبیعی نزدیک به فرکانسهای غالب امواج دریای واقعی منطقه، صورت گرفته است و با توجه به جابجایی های حاصله بویه شناور و امکان جذب حداکثری انرژی امواج توسط بویه بهینه شده انتخابی، و همچنین بکمک سیستم های داخلی هیدرولیکی و یا الکترو مغناطیسی دستگاه مبدل جاذب نقطه ای انرژی امواج، قابلیت استحصال انرژی الکتریسیته را از امواج ارتفاع کوتاه منطقه، میسر و توجیه پذیر می گردد. بشکلی که توان استحصالی از افزایش یافته و همچنین جابجایی بویه حدود ًَ درصد بیشتر از دامنه نوسانی امواج در طول سال خواهد بود.
مقدمه
ایران با داشتن ًًٍْ کیلومتر خط ساحلی و وجود جزایر مستعد، می تواند به یکی از پتانسیل های منطقه در بحث جذب انرژی های دریایی تبدیل گردد و تامین انرژی مورد نیاز جزایر میتواند اولین گام در این راستا باشد. امروزه، روشها جدید و پیشرفت سریع تکنولوژی، سبب کاهش روزافزون هزینه استحصال انرژی های غیرفسیلی و تجدیدپذیر شده است، به عنوان نمونه هزینه تولید برق از انرژی های دریایی، از به ازاء هر کیلووات ساعت کاهش داشته است و پیش بینی میشود، تا سال دلار برسدذ. ضمن آنکه تنوع و افزایش قیمت فرآورده های نفتی و تجدید هر ساله بحرانهای انرژی، انگیزه های استفاده از این نعمت های الهی را در ایران نیز ایجاد نموده است، بشکلی که در اهداف برنامه چهارم توسعه کشور، تولید مگاوات انرژی، از استحصال انرژی های تجدیدپذیر لحاظ گردیده است، هرچند فقط ََ درصد از این برنامه ها محقق شده است، ولی امید است، حداقل در مناطق مستعد ایران، همچون گستره پرآفتاب فلات ایران و پهنای اطلس بادی کشور با ظرفیت قطعی هزار مگاوات و دریاهای ایران با ظرفیت باقوه بسیار مطلوب شرایط احداث نیروگاه های پاک فراهم گردد، هر چند نامی از انرژی های دریایی در برنامه چهارم توسعه کشور دیده نمی شود.
بهر حال در استحصال انرژی های پاک باید به سئوالات زیر نیز توجه داشت، که آیا اثرات مخرب استحصال انرژی های غیرفسیلی همچون انرژی اتمی جبران پذیر است؟ آیا اثرات مخرب اکوسیستمی، نیروگاه های بادی و طرحهای اشتباهی مانند، ایجاد سد بر روی جریانات جزر و مدی دریا جبران پذیر است؟ پاسخ به این سئوالات باعث گردیده است، بسیاری از طرح های اجرا شده گذشته، در سطح دنیا، امروزه منسوخ و ندامت شده مطرح گردد. بهرحال انرژی نهفته در دریاها و اقیانوسها نسبت به مابقی انرژی های تجدید پذیر و غیرفسیلی، پاسخ مطلوب تری به سئوالات فوق دارند، هرچند در هر طرحی، توجه به کل هزینه های چرخه حیات آن واجب و الزامی بنظر می رسد.
بطورکلی انرژی نهفته در دریاها و اقیانوسها به چهار محرک؛ جزر و مد، جریانات دریایی، امواج دریا و اختلاف دمای سطح و عمق دریا یا همان انرژی گرمایی اقیانوسی دسته بندی می گردد، که در ادامه انرژی امواج دریا مورد بحث قرار گرفته است.
- انرژی امواج
اثرات باد و طوفان بر روی دریا، امواج را تولید می کند، مشخصه این امواج مانند: ارتفاع، طول موج، زمان تناوب و... تابعی وابسته به سرعت وزش باد و طول باد خیز (مسافتی که باد با سطح آب دریا فعل و انفعال دارد) می باشد، انرژی امواج دارای دو نوع است، یکی ناشی از تغییرات دامنه آن و دیگری انرژی جنبشی ذرات آب و هر چه امواج از آبهای عمیق به سمت ساحل حرکت می کند، به انرژی آن افزوده میگردد. این انرژی با توجه بروش های استحصال آن، غیر آلاینده ترین انرژی دریایی است، اثرات زیست محیطی آن به مراتب کمتر و تغییرات اکوسیستمی منطقه ای آن، بسیار ناچیز است، لذا؛ کل هزینه های چرخه حیات چنین نیروگاه هایی بسیار کمتر است. برای استحصال این انرژی از دو قرن گذشته راه های مختلفی ارائه گردیده است. اولین قدم در سال میلادی توسط ژاپنی ها با ساختن ده ها فانوس دریایی که با انرژی امواج کار میکردند، صورت گرفت. تا کنون بیش از اختراع در این زمینه در دنیا به ثبت رسیده است و کارآمد ترین آنها در جدول بیان شده است.
- ارزیابی مشخصات امواج خلیج فارس در منطقه عسلویه
منطقه عسلویه در شرق خلیج فارس واقع شده است و بویه اندازه گیری مشخصات دریایی سازمان بنادر و دریانوردی ایران، در طول جغرافیایی و عرض جفرافیایی و در منطقه ای با ژرفای متری قرار دارد. مشخصه امواج استفاده شده در این طراحی براساس پرسه یکساله ای است، که توسط سازمان بنادر و دریانوردی ایران در اختیار قرار گرفته است هر چند اطلاعات یادشده، برای طراحی بسیار ناچیز است، اما فقط امکان دسترسی به آن مقدور بوده است. بهر حال برنامه نوشته شده در محیط مطلب برای پذیرش نامحدود داده ها (امواج) ورودی طراحی شده است. با مطالعه و بررسی امواج منطقه در فصول مختلف سال و در مجموع فرآیند اندازه گیری می توان نتیجه گرفت، که غالب امواج، ارتفاعی کمتر از سانتی متر را دارند و فقط درصد از امواج بیش از یک متر ارتفاع می گیرند، این امر بدلیل کوتاهی طول بادخیزی منطقه و شرایط طول و عرض جغرافیای آن است، جدولٍ نتایج و مشخصه های امواج را در دوره اندازه گیری و شکلٌدرصد تجمعی ارتفاع امواج (Hw) در فصول مختلف سال را نشان می دهد.
با کنترل نسبت عمق محل استقرار بویه به زمان تناوب تمامی امواج ثبت شده، بکمک روابط ٌحاکمیت فرض عمیق بودن دریا ، با درصد کل اوقات سال تائید می گردد. ضمن آنکه شرایط فوق هیچگاه در موقعیت آب کم عمق قرار نمی گیرد. حال با معلوم بودن ارتفاع مشخصه و پریود موثر، توان امواج را می توان با رابطه ٍ در واحد عرض تاج و در شرایط آب عمیق بدست آورد، بکمک این رابطه توان کیلووات در واحد عرض تاج را می توان برای این منطقه پیش بینی نمود، این مقدار بیانگر توان پایین امواج و ناامیدی در استحصال این انرژی است.
پیش بینی توان متوسط ٍْ؟َ کیلووات در واحد عرض تاج برای شرایط منطقه عسلویه، بیانگر عدم توجیه پذیری استحصال انرژی امواج در این منطقه است، اکثر طرح های مبدل انرژی امواج دریا، در مناطقی با توان بالاتر از ِ کیلووات در واحد عرض تاج اجرا شده اند، لذا جهت استحصال این انرژی پاک و غیرآلاینده، بهره بردن از پدیده تشدید (رزونانس) پیشنهاد می گردد. با بررسی مشخصات امواج در منطقه عسلویه خلیج فارس به حاکم بودن فرکانس های بین ٌ تا ٍ رادیان بر ثانیه در بیش از َ؟َُ درصد اوقات سال خواهیم رسید. جدولَ مشخصه های فرکانسی امواج را در دوره اندازه گیری و شکلٍ درصد تجمعی فرکانس امواج ( ( را، در فصول مختلف سال ٌٌََ نشان می دهد.
- مبدل های انرژی امواج
مبدلهای انرژی امواج که بر اساس جذب انرژی تغییرات دامنه امواج دریا کار می کنند، به دو دسته ثابت (ساحلی) و شناور (فراساحلی) تقسیم بندی می گردند، دستگاه هایی مانند: ستون نوسانگر آب ، نوسانگر موج ارشمیدس ، مبدل جاذب نقطه ای انرژی امواج ، دستگاه شناور پلامیس دستگاه های رول موج را می توان نمونه های موفقی از این قبیل دانست، که با تغییرات دامنه امواج بیش از یک متر و در مناطقی با توان حداقل ِ کیلووات در واحد عرض تاج موج، کار می کنند. موفقیت این دستگاه ها باعث برنامه ریزی برخی از کشور های اروپایی جهت تامین حداقل برق مورد نیاز خود تا سال گشته اند
- طراحی و بهینه سازی بویه جاذب انرژی امواج
تعیین مشخصات بویه جهت تعیین مشخصات بویه، همچون؛ شکل، ابعاد، وزن، فرکانس طبیعی، ضرایب سختی هیدرولیکی، جرم اضافه و درگ و دیگر مشخصه ها ابتدا، تئوری موج حاکم بر دریا منطقه تعیین گردید و نیروهای اعمالی بر بویه براساس شرایط جغرافیایی و دریایی منطقه مشخص شد و در نتیجه عوامل مؤثر بر پارامترهای فوق تعیین گردید و بکمک نرم افزاری مطلب، بهینه ترین ابعاد برای بویه استوانه ای جهت جذب حداکثری نیرو از امواج دریا بر اساس شرایط منطقه عسلویه خلیج فارس مشخص گردید، مراحل زیر نحوه و ترتیب هر مرحله را توضیح می دهد.
تعیین قطر اولیه بویه برای جذب انرژی امواج یک بویه استوانه ای شکل انتخاب گردید، از آنجایی که نیروی اعمالی به بویه با حاصلضرب مساحت تاثیر امواج بر بویه در فشار حاصل از موج بدست می آید، لذا؛ با افزایش قطر بویه بر میزان نیروی جذب شده افزوده می گردد، در این راستا توجه به محدودیت قطر نسبت به طول موج و همچنین کاهش اثرات تشعشع امواج، اهرم های تعیین محدودیت قطر بویه را مشخص می سازند. جهت تعیین قطر بهینه بویه ابتدا، قطرهای متر با باز ه ًٌسانت بعنوان فرض اولیه قطر بویه، مشخص گردید، حال باید قطر به گونه ای انتخاب گردد، تاهمواره فشار حاصل از موج، تمام سطح بویه را بطور یکنواخت دربرگیرد، در اینصورت حداکثر نیرو، جذب خواهد شد، شکل َ تاثیرات قطر بویه در یکنواختی فشار زیر سطح بویه و جذب حداکثری نیرو موج را نشان می دهد. بویه ای با قطر زیاد، در موج های تیز، مانند موج شمارهٌ در شکلَ قادر به جذب حداکثری نیرو موج نبوده و همچنین بویه های کم قطر نیز، در موج های نرم، مانند موج شمارهٍ در شکلَ بعلت مساحت کم آنها، نیروی حداقلی را جذب می نمایند، و بهینه نیستند. حال به منظور جذب حداکثری نیروی تمامی امواج یکساله دریا، با یک فرض مهندسی، محدودیت برای قطر های بزرگتر از n /4 (یک چهارم طول موج تمامی امواج) مشخص گردید، تا احتمال جذب بیشترین نیرو در تمام طول موج از لحظه اولیه اعمال موج تا عبور کامل آن، حاکم باشد.
براساس فرض های فوق و محدودیت تعیین شده در رابطه َ و بکمک نرم افزار مطلب قطرهای متر انتخابی در معرض امواج ثبت شده یکساله منطقه عسلویه خلیج فارس قرار داده شد و مشخص گردید، قطر های بین متری در بیش از ًُ درصد اوقات کوچکتر از یک چهارم طول موج تمامی امواج یکساله دریا در منطقه فوق الذکر هستند. محدودیت دیگری که می توان برای قطر ها در نظر گرفت، حاکم بودن عدم تشعشع بویه در اثر برخورد امواج است، این موضوع وقتی بیشتر اهمیت خود را مشخص می کند، که بویه های جاذب انرژی امواج بصورت مزرعه ای از مبدل ها در یک محدوده در کنار هم طراحی گردند در این حالت اگر پدیده تشعشع بویه و انعکاس و انکسار موج زیاد باشد، تاثیرات آن بر دیگر بویه ها افزایش داشته و باعث کاهش جذب حداکثری نیرو امواج و یا افزایش مساحت محدوده پارک انرژی امواج ( پارک مبدلهای مزرعه ای امواج) می گردد. این شرط با دو رابطه ُ و ِ در برنامه بهینه سازی بویه، کنترل گردید
با اعمال کنترل های رابطهَ تا ِ نتایج شکلُ حاصل و با بررسی نمودارهای آن مشخص می گردد، که هر چه به میزان قطر افزوده شود، میزان صحت کنترل های رابط َوُ کاهش یافته و رابطه ِ در تمام اوقات و شرایط امواج در طول سال حاکم است، بر این اساس قطرهای بین متری،که بیش از 90ًُ درصد اوقات سال، کنترل های فوق را تامین می سازند، بعنوان پیش فرض اولیه تعیین گردید.
شرح نیروهای وارد بر بویه با صادق بودن فرضیات تئوری امواج خطی در شرایط فوق، روابط فشار دینامیکی، سرعت و شتاب ناشی از امواج، بترتیب مطابق روابط ّ تا َ حاصل می گردد. که براساس آنها نیروهای ناشی از موج وارد بر بویه، محاسبه شده است
کنترل عمق غوطه وری استوانه (طول بویه) براساس روابط فوق هرچه طول بویه استوانه ای (که در آب غوطه ور است) بیشتر باشد، باعث کاهش تمامی پارامترهای روابط ّ تا َ می گردد، و در نتیجه کاهش نیروی موج را داریم. لذا؛ اولین محدودیت را میتوان مقدار y که بیان کننده میزان عمق غوطه وری استوانه است، دانست. نیروی امواج نیروی ناشی از شتاب سیال است، که به نیروی فرود Bکریلو معروف است، در جهت قائم آن،((y برابر با رابطه ُ خواهد بود و نیرو حاصل از شتاب نسبی بین بویه و سیال که به نیروی شتاب معرف است، در جهت قائم آن،((y از رابطه ًٌ حاصل می گردد. نیروی حاصل از سرعت سیال (نیروی درگ ) براساس شرایط اولیه ابعاد بویه و مشخصه های امواج در بیش از ًُ% اوقات ناچیز می باشد،(کنترل رابطه های ُ و ِ) لذا؛می توان از مقدار آن در محاسبات صرفنظر و نیروی اعمالی از سمت موج به بویه را همان نیروی اینرسی( ( FI مجموع نیروی فرود Bکریلو و نیروی شتاب دانست]ّ.[ ضمنا، از آنجایی که فقط جذب حداکثری نیرو موج در جهتy مد نظر است، لذا؛ بویه فقط در جهت هیو درجه آزادی دارد و نیز مقدار جرم اضافه در جهت ( m22 ) y برای بویه مشخص شده در شکلَ ، از رابطه ٌٌ بدست می آید
کنترل قطر استوانه جهت افزایش نیرو
همانطور که در رابطهًٌ مشاهده می گردد، با افزایش جرم اضافه بر مقدار نیروی شتاب موج افزوده می گردد، این درحالی است، که این
