905: كد شناسائي مقاله

مبدل انرژي امواج دريا نمونه آزمايشگاهي ساختطراحي و

3مجيد عباس پور، 2محمد سعيد سيف، 1حميد سرلك دانشجوي كارشناسي ارشد دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي شريف -1

استاد دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي شريف -2و3

خالصه سبب روي محيطي ناشي از سوخت مواد فسيلي ي آلودگي زيست فاجعهو مهم تر از همه ي نياز به انرژي ندهگسترش فزايمحدوديت منابع فسيلي،

مزرهاي آبي طوالنيجود بوده و وانرژي تجديد پذير، امواج دريا ها منابعيكي از . علم به انرژي هاي تجديدپذير طبيعي شده است دوباره آوردنانرژي موجود در در اين مقاله .را به يكي از پتانسيل هاي منطقه در بحث جذب انرژي از دريا تبديل كرده است در شمال و جنوب ايران، اين كشور

ژي معرفي شده و يك مدل آزمايشگاهي مبدل انرژي امواج بصورت تجربي مورد تحليل قرار جاذب انر يريبه كارگ يبرا رانيا يآب هاامواج .راندمان مناسب دستگاه در امواج منظم مي باشد نتايج بدست آمده حاكي از .گرفته است

.تجربي آزمايش ،نقطه اي، جاذب انرژي رانيامواج ا: كلمات كليدي

مقدمه .1

ب شدت اين انتقال انرژي متناسب با سرعت باد و طول مسافتي است كه در آن باد با سطح آ. يندآ امواج در اثر انتقال انرژي از باد به آب دريا بوجود مياً مطلوبي حاكم باشد، تا سال رود كه اگر سناريوي نسبت انتظار مي. شود اين مسافت ميدان وزش يا حوزه تأثير باد ناميده مي. باشد در فعل و انفعال مي

.]1[توليد نمايدبرق ترا وات ساعت 12انرژي موجي بتواند هر ساله بالغ بر 2020مقايسه اي ) 1(جدول . قدر كه بتواند جايگزين سوختهاي فسيلي شود، منافع زيست محيطي حاصل شده استانرژي موجي اساساً غير آالينده است و هر

.بين ميزان انتشار آالينده هاي فضايي در اثر انجام عمليات توليد انرژي الكتريكي بر حسب ميزان توليد نيروگاه مي باشد

]2[ر نيروگاه موجي و زغالسنگ مقايسه اي ميزان انتشار آالينده هاي فضايي د) 1(جدول

نيروگاه تبديل انرژي امواج دريا آالينده )گرم بر واحد كيلو وات ساعت انرژي توليدي(

نيروگاه زغال سنگ )گرم بر واحد كيلو وات ساعت انرژي توليدي(

955 6/24 دي اكسيد كربن 34/4 1/0 اكسيد نيتروژن

8/11 24/0 دي اكسيد گوگرد

تا كنون اطالعات محدودي در زمينه دستگاه هاي جاذب انرژي ساخته شده موجود بوده و تعداد كمي دستگاه در سال هاي اخير به بهره از آن جا كه مينه منوط به برداري رسيده اند نمي توان نظر قطعي در مورد بهترين انتخاب از ميان تمامي جاذب هاي انرژي ارائه نمود و ارائه الگوي مناسب در اين ز

و ساخت نمونه هاي بيشتري از جاذب هاي انرژي مي ) براي تعيين ميزان هزينه هاي جانبي سيستم هاي ساخته شده(پيشرفت تكنولوژي، گذشت زمان . دسته بندي نمود) 2(مي توان عوامل موثر در انتخاب نوع و محل قرارگيري نيروگاه جاذب انرژي موج را بصورت نشان داده شده در جدول اما باشد

]2[عوامل زيست محيطي موثر در انتخاب نوع و محل احداث نيروگاه جاذب انرژي امواج ) 2(جدول

تاثيرات مورد

ممكن است در خالل نصب نيروگاه ها تغييراتي در الگوي جريان جريانات رسوبي .مطالعه اين مورد بايد در هر محل انجام شود. رسوب اتفاق بيفتد

كنفرانس هيدروليك ايرانهشتمين تهران، دانشگاه 1388آذر 26تا 24

روگاه هاي موجي نزديك به ساحل سبب جذب انرژي احداث ني خوردگي ساحلي .امواج و نتيجتأ كاهش خوردگي ساحل مي گردد

مخاطرات مهار بنديدر صورت طراحي مهندسي محل قرارگيري نيروگاه و همچنين سيستم مهاربندي مي توان از اثرات منفي آن بر عبور و مرور

.گيري نمودشناورها و همچنين امكان ايجاد تصادفات دريايي جلو

نويز و صداهاي اضافي

در سايت هاي ساحلي و نزديك به ساحل موجبات ناراحتي ساكنين و جانوران را فراهم آورده و در سايت هاي فراساحلي براي زندگي جانوران دريايي مخاطره آميز است و بهتر است .دستگاهي انتخاب شود كه كمترين ميزان انتشار نويز را داشته باشد

گريگردش

نيروگاه هاي ساحلي و نزديك به ساحل تاثير منفي بر جذب توريسم دارند اما احداث سايت هاي فراساحل عالوه بر نداشتن تاثير منفي بر اين مسئله مي تواند به عنوان ايستگاهي براي اسكان .توريست ها و ورزشكاران بازي هاي آبي مورد استفاده قرار گيرد

خطرات براي گونه هاي ياييدر

ممكن است سازه نيروگاه سبب برخورد جانوران دريايي و آسيب محل مناسب احداث نيروگاه بايد جايي انتخاب . ديدن آن ها گردد

.گردد كه محل زندگي دسته جمعي جانوران دريايي نشود

تاريخچه كارهاي انجام شده .3پس از كشف 1ميالدي ژرارد 1799ه افزايش است اما اولين بار در سال هرچند استفاده از انرژي هاي تجديد پذير در سال هاي اخير رو ب

در . ]3[ارتباط بين برخورد امواج و كشتي هاي بزرگ به بكارگيري انرژي امواج دريا براي به حركت در آوردن ماشين آالت سنگين مكانيكي پرداخت اما اولين كاربرد عملي جاذب . ه و تسمه براي تبديل انرژي دريا به كار روي آوردندطراحان به استفاده از ابزار آالت مكانيكي از جمله قرقر. م 19قرن

بوشه توانست با به كارگيري ستون نوسانگر آب با . باز مي گردد) فرانسه( "3بوشه"در سال توسط 2انرژي در قرن بيستم به استفاده از ستون نوسانگر آب . ]3[نمايد نيروي برق خانه خود را تامين. م1920در سال

و بدنبال آن كاهش توليد نفت اوپك قيمت نفت در بازار جهاني به شدت افزايش يافت و اولين 1973با آغاز جنگ اعراب و اسرائيل در سال تحقيقات زيادي از آن زمان . ]4[بحران انرژي به وقوع پيوست تا استفاده از انرژي هاي تجديد پذير در مرحله جديدي توجه محققان را بخود جلب كند

بودال و فالنس بر روي به كارگيري سيستم هاي كنترلي براي افزايش بازده جاذب هاي نقطه . بر روي ساخت جاذب هاي انرژي از دريا انجام شده است، كانال )نروژ(رژي نقطه اي ، جاذب ان)انگلستان(مي توان به جاذب انرژي سالتر كارهاي تحقيقاتي ديگر از جمله .]5[اي تحقيقات گسترده اي انجام داد

در سال هاي اخير تحقيقاتي در زمينه استفاده از مواد .]6 [اشاره كرد ) پرتقال( 5و بويه ارشميدسي )ژاپن(پدالي ، جاذب انرژي )نروژ( 4باريك شوندهك توسط زركيندن و همكاران بصورت پيزوالكتريك بعنوان جاذب انرژي امواج انجام گرفت كه از آن جمله مي توان به طراحي جاذب پيزوالكتري

. ]7[تحليل عددي صفحه پيزوالكتريكي قرارگرفته در جريان امواج اشاره نمود

و انتخاب نمونه نهايي دسته بندي جاذب هاي انرژي امواج .4واع جاذب انرژي، ستون مهم ترين ان. در سال هاي اخير نمونه هاي مختلفي از جاذب انرژي امواج مورد طراحي و ساخت قرار گرفته اند

شود سطح آب درون برخورد موج به محفظه جاذب سبب مي) 3(مطابق شكل ،در ستون نوسانگر آب .مي باشند 7و جاذب نقطه اي 6نوسانگر آب

1 Girard 2 OWC 3 Bochaux 4 Tapchan 5 AWS 6 Oscillating Water Column (OWC) 7 Point Absorber (PA)

كنفرانس هيدروليك ايرانهشتمين تهران، دانشگاه 1388آذر 26تا 24

طرفه اي موسوم اين حركت نوساني سطح آب سبب ورود و خروج هوا از دريچه خروجي شده و توربين دو. محفظه بصورت نوساني به باال و پايين برود .كند انرژي موجود در جريان هوا با سرعت باال را به انرژي الكتريكي تبديل مي 1»ول«به توربين

]6[) چپ(كيلوواتي 500اجزاي تشكيل دهنده ستون نوسانگر آب و نمونه واقعي ) راست): (3(شكل

و برخورد امواج سبب حركت و يا در زير سطح آب مي باشدسطح دررار گرفته انرژي، اساس كار نيروي شناوري بويه هاي ق هاي نقطه اي جاذبدر

.نشان داده شده است) 4(در شكل اين نوع جاذب نمونه هايي . بويه و تبديل انرژي مي گردد

]6[كيلوواتي آن 40نمونه واقعي ) چپ(طرح كلي جاذب نقطه اي و ) راست): (4(شكل

ياي جاذب هاي نقطه اي به نسبت جاذب هايي كه در آن ها از توربين استفاده مي شود آلودگي صوتي كمتر، پيچيدگي كمتر و هزينه هاي يكي از مزا

يآزمايشگاه مهندسي دريا(بر اين اساس و همچنين با توجه به امكانات موجود در محل انجام پروژه . ]8[پايين تر ساخت و بهره برداري مي باشد .مدل جاذب نقطه اي براي ساخت انتخاب گرديد )ه شريفدانشگا

براي جذب انرژي امواج دريا پتانسيل ايران .5

اطالعات موثقي از به كارگيري اين روش در ايران اما شود گيري روي امواج استفاده مي براي تعيين دقيق دامنة امواج و انرژي آنها معموالً از اندازهبدست دريابررسي آمار باد و اثرات آن روي سطح آب هاي داخلي در دسترس نبوده و اطالعات و مشخصات امواج با بصورت جامع و براي تمامي

خط فرضي بطول يك متر و شود كه نمايانگر شدت انتقال يا عبور انرژي از يك قدرت امواج معموالً بر حسب كيلووات بر متر بيان مي. آمده است . نشان داده شده است) 5( شكلجهان در دروان موجود در امواج ت.باشد موازي با جبهه موج مي

1 Well’s turbine

كنفرانس هيدروليك ايرانهشتمين تهران، دانشگاه 1388آذر 26تا 24

]6[برآورد توان متوسط موج در سرتاسر جهان بر حسب كيلووات بر متر جبهه موج ): 5(شكل

ج هاي تابيده كيلووات بر واحد عرض مو 2/6بر اين اساس، حداكثر توان موجود در امواج در سواحل شمالي خليج فارس در جزيره كيش و به ميزان

محل مختلف گردآوري شده 14امواج در آب هاي داخلي كشور را كه با استفاده از تحليل اطالعات باد موجود در انرژي ميزان) 3(جدول . مي باشدبرق سراسري امكان دهد توان امواج در جزاير خليج فارس قابل توجه بوده و با توجه به دوري آنها از شبكه اين جدول نشان مي .است نشان مي دهد

.باشد ساخت تأسيسات استخراج انرژي امواج در آنها كامالً عملي مي

]9[ـ توان و انرژي ميانگين در طول سواحل شمال و جنوب ايران )3(جدول

توان در واحد نام ساحل )kW/m(طول ساحل

طول ساحل )km(

توان كل )MW(

انرژي كل ساليانه )GWh(

88/0 101 8/32 9/2 آبادان 23/0 26 5 1/5 ابوموسي 70/3 423 5/124 2/3 انزلي 44/0 50 1/83 6/0 آستارا 99/2 321 155 2/2 بابلسر

84/1 210 9/232 9/0 بندرعباس 7/1 1222 5/359 4/3 بندرلنگه 15/9 1045 8/474 4/2 بندر بوشهر 28/13 1539 3/265 8/5 چاه بهار 1/8 925 2/289 2/3 جاسك 33/3 380 4/223 7/1 ماهشهر 96/0 110 9/99 1/1 نوشهر 23/1 141 6/100 4/1 رامسر 24/0 27 5 4/5 سيري

17/36 جمع

بر اين اساس . بيشترين توان موجود در امواج مربوط به چابهار مي باشد كه دليل آن مي تواند نزديكي با آب هاي آزاد مي باشد) 4(با توجه به جدول .ار براي ساخت نمونه واقعي مدل ساخته شده پيشنهاد مي گرددمنطقه چابه

كنفرانس هيدروليك ايرانهشتمين تهران، دانشگاه 1388آذر 26تا 24

دستگاه مدلسازي .6 متفاوتهندسه دوبويه ها داراي . از بويه شناور، شفت و گيره رابط، گيربكس، ژنراتور و تجهيزات اندازه گيري تشكيل شده است بررسيدستگاه مورد

بدنه اصلي . به حركت در مي آينددر جهت عمودي س از برخورد با امواج ايجاد شده در حوضچه، كه پ ساخته شده اند بصورت استوانه افقي و عمودي . دستگاه به كمك گيره هايي به بدنه حوضچه محكم شده است

ويه هاي در جاذب انرژي نقطه اي با ب. يك درجه آزادي تشريح مي گردددر حالت در اين قسمت معادالت ديناميكي حاكم بر جاذب انرژي نقطه اي براي نوسانات بويه شناور استوانه اي ) 6(در اين صورت با توجه به شكل . شناور معادله حركت بويه با استفاده از اعمال قانون دوم نيوتن بدست مي آيد

]10[مي توان گفت ) هيو(شكل عمودي با يك درجه آزادي

ويه شناور قرارگرفته در امواجدياگرام جسم آزاد براي بدست آوردن معادالت حاكم بر ب) 6(شكل

)1( ( ) ( )w exc genmz F F t F t= + +&&

نيروي ناشي از عملكرد genFنيروي تحريك خارجي و excFوزن بويه، wFجرم بويه، mشتاب حركت هيو بويه، ) z&& )aكه در اين رابطه نيروي وارده از طرف ژنراتور با فرض خطي بودن تغييرات ضريب دمپينگ برابر است با حاصلضرب سرعت بويه در . ژنراتور بر روي بويه مي باشد

genF.(ضريب ميرايي zγ= . بنابراين توان جذب شده از ژنراتور برابر است با)& .outP z zγ= & γسرعت عمودي بويه بوده و &zكه در اين رابطه &.2برابر است با) بر حسب كيلو وات(از طرف ديگر توان ورودي به جاذب در اين حالت . ]10[ ضريب ميرايي ژنراتور مي باشد .in s buoyP H T d=

بدست) 5(مطابق رابطه راندمان دستگاه )كل(توان خروجي به توان ورودي با تقسيم كردن و ]10[مي باشد ) سب متربرح(قطر بويه dbuoyكه در آن .مي آيد

)2( 2. .. .

out

in s buoy

P z zEfficiencyP H T d

γ= =

& &

دله الزم است ضرايب براي حل اين معا. استفاده مي شود) 1(براي شبيه سازي عملكرد بويه در امواج منظم و نامنظم در بازه زمان از حل معادله كه به صورت دمپينگ و نيروي برگرداننده اضافي (و همچنين نيروي خارجي وارده از طرف ژنراتور ) شامل دمپينگ و جرم افزوده(هيدروديناميكي بويه .تعيين گرديده و آن گاه معادله رانگ كوتاي حاصل حل شود) وارد معادله مي شود

ين نتايج آزمايشگاهي تست مدل و نتايج مورد انتظار از نمونه واقعي الزست گروه هاي بي بعد شناسايي و نسبت هاي به منظور بر قرار كردن يك رابطه بعدد فرود مربوط به نسبت . دنمي باش 1عدد اشتروهالو عدد فرود در طراحي جاذب هاي انرژي بي بعد هاي مهم ترين گروه. تشابه محاسبه شوند

.تحليل ارتعاشات ناشي از بارگذاري امواج در سازه هاي فراساحلي نقش مهمي ايفا مي كند و عدد اشتروهال درثقلي بوده به نيروهاي نيروهاي اينرسي 5/3 نشان مي دهد توان جذب شده از نمونه واقعي جاذب انرژي برابر با توان بدست آمده از نمونه آزمايشگاهي ضربدر مقدار نسبت تشابه به توان وابطر

.نشان داده شده است) 4(تباط بين ساير پارامترها بين مدل و نمونه واقعي در جدول ار. مي باشد

1 Strouhal number (St)

كنفرانس هيدروليك ايرانهشتمين تهران، دانشگاه 1388آذر 26تا 24

]pλ ]8با نسبت تشابه مدل و نمونه واقعيبين تشابه ): 4( جدول

پارامتر مدل آزمايشگاهي نمونه واقعي

pλ 1 طول 0.5pλ 1 زمان 0.5pλ 1 سرعت 3pλ 1 نيرو

3.5pλ 1 توان

ول براي اين منظور دستگاه در داخل فلوم به ط. ساخت و تست مدل جاذب انرژي در آزمايشگاه مهندسي درياي دانشگاه صنعتي شريف انجام شده استتست مدل يا بويه استوانه افقي به قطر . متر قرار داده شده و توليد امواج در فلوم توسط موجساز لواليي صورت گرفته است 3/1و عمق 7/1، عرض 25

ونه موج نمفلوم مورد نظر به همراه )7(شكل . ميليمتر صورت گرفته است 1000و طول 20ميليمتر در امواج منظم به ارتفاع 250و ارتفاع 180دستگاه با بويه استوانه اي افقي در فلوم تصوير نهايي ) 8(و شكل قرارگيري دستگاه جاذب و تجهيزان اندازه گيري مربوطههمچنين چگونگي توليدي و

.را نشان مي دهد

ري مربوطهو قرارگيري دستگاه جاذب و تجهيزان اندازه گي موجساز بهمراه نمونه موج توليديفلوم تصوير ): 7(شكل

آزمايشگاه مهندسي دريادر )چپ(و قائم ) راست(با بويه استوانه اي افقي تصوير دستگاه مبدل انرژي): 8(شكل

حوضچه تست در آزمايشگاه مهندسي دريا

كنفرانس هيدروليك ايرانهشتمين تهران، دانشگاه 1388آذر 26تا 24

جيانت .7

ان مي اين نمودار نسبت دامنه حركت بويه را به دامنه موج ورودي نش. نتايج حاصل از تست دستگاه با بويه استوانه اي در حوضچه مي باشد) 9(شكل . متر مي باشد 1ثانيه و طول 2متر، پريود 04/0موج ورودي از نوع منظم سينوسي با دامنه . دهد

)dbuoy=180mm, Hwave=20mm(نسبت دامنه حركت هيو بويه به دامنه موج ورودي در بازه زمان): 9(شكل

.در محاسبه توان خروجي نقش كليدي داردسرعت هيو بويه . سرعت بويه شناور را در بازه زمان نشان مي دهد) 10(شكل

)dbuoy=180mm, Hwave=18mm( نمودار سرعت بويه در بازه زمان): 10(شكل

06/0مشخص است بيشترين ميزان توان خروجي لحظه اي ) 10( همانطور كه در شكل. مي باشد 0.3KNs/mمقدار ميرايي ژنراتور تحقيق در اين

.2از طرفي ميزان انرژي ورودي بويه مطابق رابطه . وات مي باشد 04/0ستگاه برابر با وات و توان متوسط خروجي از د .in s buoyP H T d= برابر بابا ، در صورت ساخت مدل واقعي ابعاديبر طبق روابط مربوط به تشابه . مي گردد% 31راندمان دستگاه برابر با و بنابر تعريف، باشد وات مي 144/0

.كيلو وات احداث نمود 400مي توان نيروگاهي با ظرفيت 100نسبت تشابه

γ( توان خروجي دستگاه): 10(شكل = 0.3KNs/m, dbuoy=180mm, Hwave=18mm(

كنفرانس هيدروليك ايرانهشتمين تهران، دانشگاه 1388آذر 26تا 24

گيرينتيجه .8انحام شده و ميزان يك نمونه جاذب نقطه ايل طراحي و ساخت دستگاه و تست مد مقاله پس از بيان پتانسيل ايران براي جذب انرژي امواج دريا،در اين

.انرژي خروجي از بويه به شدت به هندسه بويه و شرايط و مشخصات موج ورودي وابسته است. انرژي خروجي از نمونه آزمايشگاهي تعييين گرديدبنابراين الزم است با پتانسيل سنجي دقيق . برخوردار است همانطور كه در اين مقاله بيان گرديد ايران از پتانسيل مناسبي در بهره برداري از انرژي امواج

ژي به منابع انرژي امواج، انجام كارهاي تحقيقاتي و ساخت نمونه هاي آزمايشگاهي، ساخت نمونه هاي واقعي بصورت مهندسي معكوس و انتقال تكنولوكار تحقيقاتي حاضر در همين راستا در دانشگاه صنعتي . گماردتدريج به رشد فناوري توام با كاهش قيمت و بومي سازي اين صنعت در كشور همت .شريف به انجام رسيده است و نتايج آن براي موسسات عالقمند قابل بهره برداري مي باشد

مراجع .9 .نرژي هاي نودفتر ا -وزارت نيروانرژي هاي نو، انتشارات سمينار، توسعه پايدار انرژي هاي تجديد پذير ،)1376(، احمد كهربائيان .1

2. P. F. Smith, (2007), Sustainability at the Cutting Edge, Emerging technologies for low energy buildings, Second edition, Elsevier publication.

3. M. McCormick, (2007), “Wave Energy Conversion”, 2nd Ed., 1st ed., Dover publication. 4. Encyclopedia of Encarta, (2008), Microsoft Encarta, 2008 Ed. 5. K. Budal, J. Falnes, (1980), “Interacting point absorbers with controlled motion Power from Sea

Waves”, Academic Press, London, pp. 381–399. 6. J. Cruz, (2008), “Ocean wave energy, current status and future perspective”, 1st ed., Springer verlag. 7. A.S. Zurkinden, F. Campanile, L. Martinelli, (2007), “Wave Energy Converter through Piezoelectric

Polymers”, Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Users Conference 2007 Grenoble. .، دانشگاه صنعتي شريف"مهندسي درياانرپي نقطه اي در كانال موج آزمايشگاه گزارش تست مدل جاذب"،)1388(حميد سرلك، .8

.و مدي و امواج دريا گزارش مطالعات و شناسايي و ارزيابي پتانسيل انرژي جزر، معاونت انرژي وزارت نيرو، )1377(، دفتر انرژيهاي نو .9

10. G. P. Gore, (2007), “Scaled modeling and Simulation of Ocean Wave Linear Generator Buoy Systems”, PhD Thesis, Oregon University.