بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، ایده بکارگیری سیستم رانش خورشیدی جهت دستیابی به شناوری با بُرد و زمان عملیاتی بالا مطرح شده است. هدف اصلی پژوهش، شناخت اجزاء و روابط سیستمی در پیشرانش خورشیدی سازههای بزرگ دریایی میباشد.در این راستا، اطلاعات فنّی و اقتصادی 22 کشتی خورشیدی ساخته شده در جهان بین سالهای 1992 تا 2016از منابع ذیربط گردآوری و به روش تحلیل سیستم، تأمین نیروی محرّکه در این شناورها تشریح شده است. نتایج تحقیق نشان میدهد؛
سیستم رانش الکتریکی- خورشیدی با استفاده از صفحات فتوولتائیک و بادبانهای انرژی قادر است؛ نیروی محرّکه کشتهای کوچک را تأمین کند، امّا ضریب اطمینان این سیستم در تأمین نیروی محرّکه سازههای بزرگ دریایی پایین میباشد. در مقابل، سیستم رانش حرارتی- خورشیدی با استفاده از گردآورندههای سهموی این امکان را برای ناوگان دریایی فراهم میآورد تا سهم عمدهای از نیروی محرّکه خود را از انرژی خورشید استحصال کنند و پیوسته به انجام مأموریتهای دور بُرد و طولانی مدّت بپردازند. ارزیابی اقتصادی کشتیهای خورشیدی تحت شاخص »هزینه چرخه عمر« نشان میدهد؛ بکارگیری کشتیهای خورشیدی در مقایسه با کشتیهای دیزلی مقرون به صرفه است.
1. مقدمه
انرژی خورشید فراوانترین انرژی در جهان است. مطابق گزارش آژانس بینالمللی انرژی - - 1IEA به نام »چشمانداز انرژی«، میزان انرژی که خورشید در یک ساعت به زمین ارزانی میدارد، معادل انرژی مورد نیاز تمام انسانها در طول یک سال است، یعنی انرژی مورد نیاز سالانه هفت میلیارد انسان برای گرمایش، سرمایش، حمل و نقل و سایر مصارف در طی یک ساعت از خورشید به زمین میرسد، امّا بشر برای تأمین انرژی، زمین را میکاود و در جستجوی سوختهای فسیلی آن را تکه تکه میکند
استفاده از انرژی خورشید به ما قبل تاریخ باز میگردد، امّا مهمترین روایتی که در پیشینه استفاده از آن بیان میشود، داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع یونان قدیم میباشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی خورشید به آتش کشید. ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشت، اشعه خورشید را از راه دور بر روی کشتیها متمرکز میساخت و از انرژی خورشید به عنوان سلاحی نظامی بهره میبرد، به همین علّت از ارشمیدس به عنوان بنیانگذار استفاده از تابش خورشید نام برده میشود.[2] در جدول - - 1 تاریخچهای کوتاه از بکارگیری انرژی خورشید ارائه شده است.
جدول - : - 1 تاریخچهای کوتاه از بکارگیری انرژی خورشید[2]
بسیاری بر این باورند که استحصال انرژی از امواج خورشید نیازهای محدودی همچون: گرمایش و سرمایش، روشنایی و تولید الکتریسیته اندک را برآورده میسازد و صرفاً ملاحظات زیستمحیطی و نوسانات قیمت سوخت، کشورهای توسعهیافته را وادار به استفاده از این منبع تجدیدپذیر کرده است. در سه دهه اخیر، پیشرفتهای شگرف در حوزه تکنولوژیهای خورشیدی رخ داده است، که میتوان به فنّاورییهایی نظیر: نیروگاههای حرارتی- خورشیدی - تا ظرفیت1000 مگاوات - ، آب شیرینکُنهای خورشیدی - تا ظرفیت 22 میلیون گالن آب آشامیدنی در روز - ، ماهوارههای خورشیدی، هواپیماهای و پهبادهای خورشیدی، خودروهای خورشیدی و شناورهای خورشیدی اشاره کرد که از منبع انرژی مستقل بهره میبرند - 100 درصد خورشیدی - .
در صنایع دریایی استفاده از انرژی خورشیدی با سیستمهای فتوولتائیک - - 10PV غیر منطعف آغاز شد، علامتگذاری راههای دریایی، صخرهها و مناطق کم عمق آب به وسیله سیستمهای فتوولتائیک بسیار اقتصادی و مطمئن هستند و بعضاً در مواردی به غیر از بکارگیری صفحات فتوولتائیک، راهحل دیگری وجود ندارد.[3] عمده موارد کاربرد سیستمهای فتوولتائیک در چراغهای شناور، فانوس دریایی و برج ساحلی، علائم صوتی هشداردهنده، باند فرود دریایی، چراغهای مشخصکننده موانع برای ایمنی پرواز هواپیماها و چراغهای علامتگذاری تأسیسات دریایی بوده است.
در میان متحرّکهای دریایی، قایقهای کوچکاوّلین نامزد در تبدیل سیستم رانش فسیلی - بنزینی و دیزلی - به سیستم رانش الکتریکی- خورشیدی بودند
عمده این قایقها جهت مقاصد تفریحی، تحقیقاتی، مسابقهای و مسافربری طراحی میشدند. با افزایش راندمان سلولهای خورشیدی و بکارگیری از ردیابهای هوشمند، قایقهای فتوولتائیک توسعه پیدا کردند تا آنجا که در دسته قایقهای مسابقهای به سرعت 30 نات و بالاتر دست یافتند[5]، این دستاورد بزرگ با طراحی صفحات نازک و منطعف فتوولتائیک به دست آمد. به مرور زمان، صفحات فتوولتائیک سازگار با شرایط دریا تولید شدند، شرکت ژاپنی 1EMP به همراه شریک ایتالیاییاش Solbian موفق به تولید صفحات نازک و منعطف فتوولتائیک برای کاربردهای دریایی شد.
پیشرفتهای مستمر در افزایش راندمان و کاهشِ هزینه تمام شده صفحات فتوولتائیک دیگر معطوف به ملاحظات زیستمحیطی و نوسانات قیمت سوختهای فسیلی نبود، بلکه قابلیت بالای این انرژی تجدیدپذیر برای پروژههای کاربردی بود؛ پروژههایی که میتوانست مقاصد نظامی داشته باشد و نیازهای این حوزه را مرتفع سازد. با این وجود نمیتوان مزیّتهای قایقهای فتوولتائیک را در حفظ محیطزیست و صرفهجویی مصرف سوخت نادیده گرفت. گزارش شرکت سولار سیلور2 بر روی قایق فتوولتائیک 76 Pax Tourism با قابلیت حمل 76 مسافر و سرعت 24 نات نشان داد که این قایق از مزایای صرفهجویی سالانه 2/5 میلیون دلار هنگکنگ در مصرف سوخت و کاهش انتشار سالانه 1247تُن دیاکسیدکربن برخوردار است
استفاده از صفحات فتوولتائیک در شناورهای نظامی از زیردریاییهای هوشمند - - 3AUV شروع شد. توسعه این شناور بدون سرنشین از سال 1960 آغاز گردید و آرام آرام به سمت برطرفکردن نیازهای اقیانوسشناسی حرکت کرده است. سیستم انرژی مهمترین چیزی بود که زیردریاییهای هوشمند را قادر به انجام مأموریتهای دور بُرد وبلندمدّت میساخت. بیشتر پیشرفت زیردریاییهای هوشمند خورشیدی - - 4SAUV برای مقاصد نظامی بود که از مهمترین کاربرد این سامانه میتوان به نظارت، اکتشاف مقدماتی، اقیانوسشناسی تاکتیکی، ارتباطات، ناوبری و دفاع در زیر دریا اشاره کرد.
طرح استفاده از صفحات فتوولتائیک در شناورهای بزرگ همچون کشتی نیز به کار گرفته شد، کشتی کاندینو5 ساخت شرکت تورانور سولار پلنتاوّلین6 کشتی فتوولتائیک جهان بود که 100 درصد انرژی خود را از خورشید تأمین میکرد و در سفر دور دنیا، بیش از 55000 کیلومتر را پیمود، حرکت این کشتی با سرعت متوسط 7/5 نات و ماکزیمم سرعت 14 نات، توانایی انرژی خورشید را در سازه عظیم الجثه 95تُنی به رخ کشید.[9] بادبان انرژی7 محصول شرکت سولار سیلور از نمونههای موفق کاربرد صفحات فتوولتائیک جهت تأمین نیروی محرّکه کشتیها به شمار میآید. بادبانهای انرژی در اقلیمهای بسیار گرم - مانند: استرالیا - قادر به تأمین 10 تا 20درصد از نیروی محرّکه سازههای بزرگ دریایی است.
شرکت EMPاوّلین، بار طرح استفاده از بادبان انرژی را در ناوچه دریایی Aquarius MRE رونمایی کرد. مطابق شکل - - 1 این کشتی بر خلاف غالب شناورهای خورشیدی، سوپراستراکچر8 را با صفحات فتوولتائیک پوشش نداده است، بلکه از بادبانهای انرژی بهره برده است. بادبانهای انرژی ردیابهای هوشمندی هستند که وضعیت بهینه برای دریافت بیشینه تابش نور را اتخاذ میکنند، به شکلی که همواره بر تابشهای خورشید عمود هستند، در این صورت سطح قابل قبولی از عرشه فوقانی برای تجهیز به ادوات دفاعی مهیّاست
شکل - : - 1 طرح استفاده از بادبانهای انرژی در ناوگان دریایی
سیستم رانش حرارتی-خورشیدی انقلابی در تأمین نیروی محرّکه سازههای بزرگ دریایی محسوب میشود، ایده استفاده از سیستم حرارتی- خورشیدی مکانیزیمی متفاوت از سیستم الکتریکی- خورشیدی دارد که توانایی آن در استحصال انرژی از خورشید به مراتب بیشتر میباشد.ینا فنّاوری مختص شناورهای بزرگ است، زیرا سطح بالایی از سوپراستراکچر را به گردآورندههای خورشیدی اختصاص میدهد. در شکل - - 2 طرح استفاده از سیستم حرارتی- خورشیدی با گردآوردندههای بشقابی در ناوگان دریایی نمایش داده شده است. هماکنون پژوهشهای قابل ملاحظهای امکانسنجی فنّی استفاده از این تکنولوژی را در سیستم رانش ناوگان دریایی بررسی کراندهکه غالباً ماهیّت نظامی دارند.
