بخشی از مقاله
چکیده
امروزه بهرهوری از انرژیهای تجدیدپذیر دریایی در سرتاسر جهان در حال افزایش است. کشور ایران نیز با بهرهگیری از دریای خزر و خلیج فارس میتواند از انرژیهای پاک و تجدیدپذیر دریایی در کاربردهای خاص استفاده کند. در این راستا، محققان دانشگاه خلیج فارس بوشهر کوشیدهاند تا با یک طراحی کاملا نوآورانه به استحصال انرژی از خلیج فارس بپردازند. این مقاله به شرح طراحی، ساخت و نتایج آزمایشات مدلِ یک مبدل انرژی موجِ مبتنی بر انرژی نوسان و ضربه میپردازد.
مدل ساخته شده بر مبنای یک صفحه نوسانگر ابداع گردیده و جهت افزایش راندمان مبدل، یکسری پیزوالکتریک بر روی صفحه نوسانگر نصب شده است. بنابراین، مبدل ارائه شده نه تنها از نوسان ایجاد شده ناشی از تحریک موج استفاده میکند که از ضربات وارد بر صفحه نوسانگر و پیزوالکتریکهای نصب شده بر روی آن هم بهره میبرد.
بنابراین، عملکرد مبدل انرژی موج مبتنی بر حداکثر انرژی پتانسیل موج خواهد بود. این مبدل در شرایط دریایی نسبتا آرام خلیج فارس و در ارتفاعهای موج متفاوت تحت آزمایش قرار گرفته و خروجیهای به دست آمده بیانگر قابلیت این دستگاه در استحصال انرژی از خلیج فارس میباشد. در واقع، استفاده از این نوع مبدل در قالب یک مزرعه از مبدلها میتواند منجر به ایجاد یک پایگاه تولید توان الکتریکی در خلیج فارس گردیده و در کاربردهای خاص استفاده شود.
1 مقدمه
کشور ایران با جمعیت 78/5 میلیون نفر در سال 2014 میلادی معادل 9996 گیگا ژول انرژی به مصرف رسانده است که این میزان مصرف، معادل %31 کل انرژی مصرفی در خاورمیانه در همان سال را به خود اختصاص میدهد. این در صورتی است که ایران در تامین انرژی خود کاملا خودکفاست.
ایران با تولید 3/4 میلیون بشکه نفت خام و سایر میعانات گازی در روز، در سال 2014 و 5/7 تریلیون فوت مکعب گاز طبیعی در روز در سال 2013، مقام چهارم در تولید نفت خام و مقام دوم در تولید گاز طبیعی را در جهان داراست.
میزان الکتریسیته تولیدی ایران در سال 2014 میلادی 276 تراوات ساعت بوده که نسبت به سال پیش از آن % 4/8 افزایش یافته است. همچنین، میزان الکتریسته مصرفی در داخل کشور در سال 2014 میلادی 226 تراوات ساعت بوده که این میزان، رشد % 6/3 را از سال 2000 داشته است.
مصرف داخلی الکتریسیته با شیبی تند حدود % 6/5 به ازای هر سال از سال 2000 میلادی در حال افزایش است. %95 از جمعیت کل کشور از انرژی الکتریسیته بهره میگیرند که از این میزان سهم صنعت، بخش مسکونی و بخش خدمات به ترتیب %35، %32 و %17 می باشد .[3] سهم انرژیهای تجدیدپذیر در تولید الکتریسیته در سال 2014 میلادی %5/5 بوده است که این میزان نسبت به سال 2000 میلادی %4/3 افزایش داشته ولی نسبت به سال پیش از آن رشد منفی %2/2 را به خود اختصاص داده است.
بیشترین میزان مشارکت در امر تولید انرژی توسط انرژی های تجدیدپذیر در سال 2006 میلادی به میزان %9/5 بوده است . این میزان مشارکت به گونهای است که ایران در سال 2012 میلادی مبلغی حدود 160 میلیون دلار صرف سرمایهگذاری در انرژیهای تجدیدپذیر کرده است.
از سوی دیگر، سهم خاورمیانه و کل جهان از انرژیهای تجدیدپذیر در تولید الکتریسیته در سال 2014 به ترتیب %2/6 و %22/9 می باشد. از %5/5 تولید الکتریسته در سال یاد شده، % 0/2 آن توسط انرژی خورشید و باد تامین گشته است. درسال 2013 میلادی، %5 از تولید الکتریسیته توسط انرژیهای تجدید پذیر به انرژی آبی و سدها اختصاص داشته و در سال مشابه سهم این نوع از انرژی تجدیدپذیر در مصارف داخل کشور %1 بوده است .[5] با این وجود، مشاهده میگردد که انرژیهای تجدیدپذیر دریایی هنوز نتوانستهاند سهمی از تولید الکتریسیته داخل کشور را بر عهده بگیرند.
در واقع، مبدلهای انرژیهای دریایی بر اساس نوع کارکرد میتوانند از منابع گوناگون جهت تبدیل انرژی استفاده کنند. این منابع شامل موارد مختلفی نظیر امواج ساحلی و فراساحلی، جریانات جزر و مدی، گرادیانهای گرمایی و چگالی و موارد دیگر میشود. بر این مبنا، مبدلهای انرژیهای دریایی مختلفی تاکنون توسعه یافتهاند.
برای مثال، بویه انرژی سیستمی مبتنی بر چندین بویه مجزا میباشد که حرکات نوسانی امواج موجب حرکت سازه بویه گردیده و حرکت رفت و برگشتی بویه توسط سیم پیچ تعبیه شده در آن به ایجاد یک میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی درون سیم پیچ کمک میکند. یک بویه با 4 متر قطر، 16 متر طول و میزان تقریبی 5 متر ارتفاع از سطح دریا میتواند 40 کیلو وات توان تولید کند
مبدل انرژی موج پلاجیوس نیز یک مبدل موج اسکاتلندی است که از 6 قطعه سیلندر به قطر 3/5 متر و به طول 30 متر و قطعات متصل به 4 سیلندر به قطر 3/5 متر و طول 5 متر - ماژولهای انرژی - تشکیل شده است. این سازه دارای طول کلی 140 متر است که بیش از نیمی از آن به شکل غوطهور در آبهای عمیق قرار میگیرد. این سیستم به عنوان یک مبدل فراساحل مورد استفاده قرار میگیرد. به دلیل حرکت امواج، این سازه همچون یک مار در دریا به بالا و پایین و کناره حرکت میکند. این سازه توسط کابلهای انعطاف پذیر که در بستر دریا قرار گرفتهاند، ایمن شده است. در این مکانیزم محور سازه به سوی موج غالب در دریا متمایل میگردد. هریک از چهار ماژول یک ژنراتور الکتریکی 250 کیلووات دارد که توان کلی 750 کیلووات را برای هرواحد بلاجیوس تولید میکند
مبدل ارشمیدسی سیستم دیگری است که از یک سیلندر به شکل بویه تشکیل شده و در حداقل 6 متر زیر سطح دریا توسط بستر دریا مهار شده است. موج گذرنده، هوای انباشته شده بالای پوشش را در خلاف جهت سیلندر مهار شده با ارتفاع کم به حرکت در میآورد. حرکت نوسانی - بالا-پایین - به ایجاد انرژی مکانیکی میانجامد. انرژی مکانیکی توسط یک ژنراتور سنکرون خطی به انرژی الکتریکی مبدل میگردد
سیستم موج اژدها نیز یک سیستم شناور است که توسط اتصال انعطاف پذیر مهار شده است. این سامانه برای امواج شکسته شده مورد استفاده قرار میگیرد که میتوان آن را به صورت یک واحد تکی یا به صورت جمعی از این سیستمها به کار گرفت. گروههای 2000 تایی از واحدهای این مبدل در یک مزعه انرژی موج، دارای ظرفیتی هستند که میتوان آنها را با نیروگاهی با سوخت فسیلی مقایسه کرد. مبدل موج اژدها نخستین سیستم مبدل انرژی موج است که در نزدیکی ساحل مورد استفاده قرار میگیرد.
ایده اصلی این سامانه متشکل ازدو بازوی بزرگ است که توسط دو سطح شیبدار، امواج را شکسته و به محل انباشته شدن آب دریا میرساند. آب دریا توسط نیروی گرانش و از مسیر یک توربین با هد کم، منجر به حرکت ژنراتور الکتریکی شده و دوباره به دریا باز میگردد. مکانیزم این سیستم بسیار ساده است و تنها بخش متحرک آن توربین میباشد. این ویژگی برای هرنوع دستگاهی که محدود به استفاده در نزدیکی ساحل است و جایی که نیروهای بزرگ به شدت قسمت متحرک را تحت تاثیر قرار میدهند، یک امر ضروری بشمار میرود.
بر همین مبنا، پژوهشگران دانشگاه خلیج فارس کوشیدهاند تا با یک طراحی کاملا نوآورانه، به ابداع مبدلی بپردازند که قادر باشد در نزدیکی ساحل فعالیت کند. از این رو، ایده ایجاد یک صفحه نوسانگر مطرح گردیده و با ترکیب آن با مواد پیزوالکتریک تلاش میشود تا نه تنها از انرژی نوسانی امواج استفاده شود که حتی انرژی ضربهای امواج نیز با نصب مواد پیزوالکتریک بر روی صفحه نوسانگر استحصال خواهد شد. در ادامه، ابتدا شرایط محیطی خلیج فارس و فیزیک محیط فعالیت مبدل معرفی گردیده و پس از آن نحوه طراحی مبدل به طور کامل تشریح خواهد شد. سپس، مواد مورد استفاده و روند ساخت مدل مبدل تشریح گردیده و در انتها، نتایج به دست آمده از آزمایشات میدانی در خلیج فارس ارائه خواهد شد.
2 شرایط حاکم بر فیزیک مساله
مبدل ابداع شده، برای شرایط دریایی خلیج فارس طراحی شده و هدف اصلی از ابداع آن، بکارگیری مبدل در نزدیکی ساحل و جهت کاربردهای خاص نظیر روشنایی خط ساحلی است. از آن جایی که خلیج فارس دارای پتانسیلهای مختلف انرژی است و شرایط جوی در سراسر آن در بازه گستردهای در حال تغییر است، تنها دادههای یک پایگاه ثبت اطلاعات در استان بوشهر مورد توجه قرار گرفته است.
شکل .1 موقعیت بندر بوشهر و پایگاه ثبت امواج در خلیج فارس.
در این پایگاه، انرژی موج طی 24 سال متمادی در محل قرار گیری پایگاه ثبت شده است. همان گونه که در شکل 2 مشاهده میشود، بین سالهای 1990 تا 2000 میلادی، انرژی موج در ناحیه مورد نظر کاهش چشم گیری داشته است. البته این روند نزولی بیشتر ادامه پیدا نکرده و از سال 2000 به بعد سیر صعودی را به خود اختصاص داده است. تا جایی که به طور میانگین این میزان انرژی به رقم 2KW/m در سال 2006 رسیده است. شکل 2 میزان انرژی امواج را در طی سالهای 1984 تا 2008 نشان میدهد.
شکل .2 میزان انرژی موج در ثبت شده در پایگاه در طی 24 سال پیاپی
شکل 3 نیز، نمایشگر انرژی موج در 8 سال سوم است. این شکل نشان دهنده رشد انرژی موج بر حسب میزان وزش باد در چهار جهت اصلی است. بر اساس شکل 3، بیشتر این میزان انرژی موج در دو جهت شمال غرب و جنوب شرق رخ داده است. بدیهی است که علت وجود چنین پدیدهای، شدت وزش باد در این دو جهت در نزدیکی بندر بوشهر است. شایان ذکر است که باد از سوی شمال غرب بیشتر در فصل زمستان و از سوی جنوب شرق بیشتر در فصل تابستان میوزد.
