1- مقدمه

در سالیان اخیر، لزوم استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر از جمله انرژی امواج، اهمیتی دوچندان یافته است. در ایران نیز با توجه به سواحل شمالی و جنوبی کشور که پتانسیل بسیار مناسبی برای استفاده از انرژی امواج فراهم می‌کنند، استفاده از سیستم‌های مبدل انرژی مورد توجه قرار گرفته است. در این تحقیق سعی شده است ابتدا با شناخت و بررسی تکنولوژی‌های توسعه داده شده، مبدل و ابزار نرم‌افزاری مناسب جهت مدلسازی سیستم مبدل انرژی از نوع نوسانگر دورانی انتخاب شود. در طراحی این دستگاه از یک صفحه که امکان دوران حول محور خود را دارد استفاده ‌شده است. در پشت این صفحه یک سیستم هیدرولیکی طراحی شده که با عقب و جلو رفتن صفحه، تولید نیرو می‌کند. این نیرو می‌تواند به‌وسیلۀ مایع هیدرولیک به یک ژنراتور که در ساحل قرارگرفته است، منتقل شود و تولید الکتریسیته نماید.

در مرحلۀ بعد به‌عنوان هستۀ اصلی پژوهش، برای اولین بار در زمینۀ بررسی عملکرد مبدل‌های انرژی امواج، مجموعۀ کدهایی بر اساس الگوریتم بهینه‌سازی GWO[1] توسعه داده شد. ابتدا اطلاعات و داده‌های محدودۀ موردبررسی از مجموعۀ داده‌های دریایی استخراج گردید، همچنین نقطه‌ای با بیشترین پتانسیل انرژی امواج در محدودۀ ساحلی توسط الگوریتم بهینه‌ساز مشخص شد و پارامترهای محیطی آن به‌عنوان پارامترهای اصلی و پایه‌ای برای طراحی هندسی مبدل نوسانگر دورانی ارائه گردید. تا به امروز محققین مختلف پژوهش‌های نسبتا محدودی روی عملکرد مبدل‌های انرژی امواج دریا انجام داده‌اند، همچنین در راستای به‌کارگیری الگوریتم‌های بهینه‌سازی در مباحث مهندسی دریا جز چند مورد که مورداشاره قرار خواهد ‌گرفت، پژوهشی صورت نگرفته است.

 هنری در سال 2008 در پژوهشی به روش آزمایشگاهی روی ارزیابی تأثیر انواع مختلف پارامترهای مؤثر بر عملکرد مبدل‌های باله‌ای امواج در دو مقیاس مدلسازی 1:40 و 1:20 بررسی‌هایی را صورت داد. مدل‌های موردمطالعه در هر یک از این مقیاس‌ها از یک باله شناور که در نزدیکی بستر دریا مفصل شده است به همراه یک سیستم انتقال قدرت به منظور شبیه‌سازی نیروی واردشده از طرف سیستم استحصال انرژی تشکیل شده‌اند. نتایج حاصل از تحقیقات وی نشان داد که با افزایش پریود، کارایی دستگاه مبدل امواج کاهش می‌یابد، همچنین افزایش چگالی نسبی باله منجر به بهبود عملکرد دستگاه در امواج با پریود بزرگ‌تر می‌گردد و برعکس، کاهش چگالی نسبی باله منجر به بهبود عملکرد دستگاه در امواج با پریود کوتاه‌تر می‌گردد. آزمایشات انجام‌شده توسط هنری در عمق آب حدوداً 10 متر انجام شده‌اند. او با فرض قرار داشتن مبدل در معرض امواج جزر و مدی با ارتفاع 2 متر، تأثیر تغییرات عمق آب بر اثر این امواج را بر عملکرد دستگاه مورد بررسی قرار داد تا در صورت وقوع جزر و مد بتوان عملکرد مبدل را پیش‌بینی نمود. مطابق با این پژوهش تغییرات ضریب جذب در یک دورۀ جذر و مدی ناچیز است. به استثنای شرایط امواج با پریود کم و توان موج کم که در آن اختلاف ضریب جذب در یک دورۀ جذر و مدی به 20% می‌رسد (هنری، 2018). یو و همکاران در سال 2014  از موسسات  NREL[2]و SNL[3]، ابتدا WEC-Sim[4] را به عنوان یک ماژول کد متن باز برای مدلسازی مبدل های انرژی امواج در شرایط گوناگون امواج توسعه و ارائه دادند. همچنین در این پژوهش با ارائه صحت‌سنجی  و ارزیابی دقیق WEC-Sim از طریق مدلسازی عددی و مطالعات آزمایشگاهی، روش اجزا مرزی[5] جهت مدلسازی هیدرودینامیکی به‌صورت متن باز از طریق پلت فرم‌های گوناگون معرفی شد. همچنین این پژوهشگران در سال 2016، با انجام پژوهشی اجزا و قسمت‌های مختلف نرم‌افزار WEC-Sim جهت مدلسازی دو نمونۀ مبدل نوسانگر دورانی از نوع پایه ـ ثابت و پایه ـ شناور تشریح شده است (یو و همکاران، 2014؛ راهول و همکاران، 2016). رنزی و همکاران در سال 2014 تحت پژوهشی به بررسی و تدوین روابط پایۀ ریاضی و هیدرودینامیکی برای توصیف حرکات مبدل نوسانگر دورانی از نوع پایه ـ ثابت پرداختند. همچنین در این پژوهش ارزیابی روی تئوری‌های پایه حرکت مبدل‌های انرژی صورت گرفته است. چرا که در یک دیدگاه کلی، معادلات توسعه داده‌شده پیش از این، جهت توصیف حرکت مبدل‌های انرژی امواج از نوع جاذب نقطه‌ای استفاده شده بود. نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که معادلات ریاضی حاکم بر مبدل‌های نوسانگر انرژی امواج با معادلات حاکم بر سایر مبدل‌ها از نوع «پایان‌دهنده» متفاوت بوده است (رنزی و همکاران، 2014). در پژوهش‌های تام و همکاران سعی به بهبود عملکرد جاذب انرژی صفحه­ای با  تغییر در شکل مقطع آن شده است. نتایج حاصل از این پژوهش ارائه مقطع پیشنهادی (که مبدل نوسانگر دورانی با هندسه کنترل‌شده نام گرفته است) بوده است. این مطالعه روی امواج خطی صورت گرفته­است. ضریب جذب در این مطالعه بهبود یافته است و به‌علاوه بارهای حاصل از طراحی و بارهای هیدرودینامیکی نیز در این مدل کاهش یافته است. آنها همچنین بیان کردند که این مدل مناسب برای انواع موج­ها است. البته طبق بیان محققان، این مطالعات نیازمند انجام مطالعات عددی و آزمایشگاهی دقیق­تری برای امکان‌سنجی طراحی مدل واقعی است (تام و همکاران، 2015). چو و همکاران با انجام مطالعاتی در سال 2018  ابتدا یک معادله عمومی برای تعیین ضریب جذب (C_F) با استفاده از مدل تحلیلی «نوسانگر هماهنگ میرا» ارائه کردند. سپس ارتباط این معادله با مدل دو بعدی ایده‌آل برای ضریب جذب بررسی شد. در انتها یک طرح برای توضیح اثر پارامترهای مختلف در مدل سه‌بعدی (با سه پارامتر کالیبراسیون) معرفی شد. این پارامتر‌ها امکان همسان‌سازی سری‌های زمانی مستخرج از مدلسازی عددی یا آزمایشگاهی را فراهم می‌کنند. وقتی این پارامتر‌ها از همسان‌سازی داده‌ها به‌دست آید، مقدار حداکثر ضریب جذب (C_Fmax) و شرایط وقوع آن مشخص می‌گردد. همچنین دو مقدار ضریب جذب به عنوان «ضریب جذب بهینه (C_Fopt)» و «ضریب جذب در حالت تشدید یا رزونانس C_Fres» معرفی شده است. که ضریب جذب بهینه معرف حداکثر مقدار ضریب جذب در حالت رخ ندادن تشدید است. نتیجۀ این پژوهش نشان داد در حالتی که نسبت عرض صفحه مبدل به طول موج برخوردی (B/L) کمتر از 3/0 باشد، خواهیم داشت (چو و همکاران، 2018).

C_Fopt<1

C_Fres>1

همچنین در بحث به‌کارگیری الگوریتم‌های بهینه‌ساز در مهندسی دریا  رویز و همکاران در سال 2017 در پژوهشی با در نظر داشتن مبدل‌های انرژی امواج متشکل از چند آرایه مبدل، یک روش پیشنهادی بهینه‌سازی را مطرح می‌کند. این روش سعی می‌کند با یافتن حداقل میزان فاصلۀ صفحه مبدل‌های انرژی، مقدار توان استحصال‌شده از مزرعۀ انرژی امواج در یک سطح محدود را به حداکثر برساند. مدل پیشنهادی توسط این پژوهش با چهار پارامتر  (زاویۀ ردیف‌های جایگذاری آرایه‌ها)، 𝛃 (زاویۀ بین ستون‌ها و ردیف‌ها)، a (زاویۀ بین مبدل‌ها در هر ردیف) و b (زاویۀ بین مبدل‌ها در هر ستون) معرفی شده است. محققان نتایج حاصل از مدل بهینه‌سازی خود را با سه روش مطرح تطبیق ماتریس کوواریانس، الگوریتم ژنتیک و الگوریتم گروه کرم شب‌تاب صحت‌سنجی کردند (رویز و همکاران، 2017). همچنین شارپ و دوپونت در سال 2018 روی مبدل‌های انرژی امواج از نوع اینرسی دورانی متمرکز شدند. ابتدا معادلات دینامیکی حرکت مبدل بررسی شد و سپس سعی شد در سه حالت مختلف از الگوریتم‌های بهینه‌یابی مطرح، برای بهینه‌سازی حرکت مبدل و استخراج حداکثر توان متوسط استفاده شود. این سه حالت عبارت بودند از: الگوریتم ژنتیک، الگوریتم بهینه‌سازی دستۀ ذرات، استفاده همزمان از هر دو الگوریتم فوق. هدف اصلی بهینه‌یابی در این مطالعه، یافتن بهترین تطابق بین پارامترهای شرایط محیطی و پارامترهای طراحی مبدل است به گونه‌ای که حداکثر انرژی ممکن از امواج قابل استحصال باشد. نتایج مدلسازی نشان می‌دهد استفاده همزمان از هر دو الگوریتم فوق جواب‌های دقیق‌تری ارائه خواهند داد. اگرچه جواب‌های هریک از دو الگوریتم به‌طور جداگانه نیز قابل‌پذیرش است (شارپ و دوپونت 2018).

1-1- بیان مسئله

محدودیت منابع فسیلی، گسترش فزایندۀ نیاز به انرژی و مهم‌تر از همه فاجعۀ آلودگی زیست‌محیطی ناشی از سوخت مواد فسیلی سبب روی آوردن دوبارۀ بشریت به انرژی‌های تجدیدپذیر طبیعی شده است. هرچند میزان استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر بسیار کمتر از سوخت‌های فسیلی است، اما می‌توان گفت یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر مفید، امواج دریاها بوده و وجود دریا در شمال و جنوب ایران، کشور را به یکی از پتانسیل‌های منطقه در بحث جذب انرژی از دریا تبدیل کرده است. همان‌طور که در ‏‏شکل ‏‏‏(1) نشان داده شده است، سهم استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر در مقایسه با 10 سال گذشته افزایش پیدا کرده است. که نشان از استقبال تدریجی و روبه‌رشد صنعت از این منبع انرژی دارد.

شکل (1): منابع انرژی جهان در سال 2017 در مقایسه با سال 2007

یکی از مهم‌ترین منابع انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی‌های اقیانوسی یا دریایی است که با توجه به موقعیت جغرافیایی کشور از اهمیت به‌سزایی برخوردار است. در این پژوهش سعی بر آن است تا با ارائه یک مدل ریاضی مناسب از بین الگوریتم‌های بهینه‌سازی مختلف، امکان‌سنجی احداث سیستم مبدل انرژی با عملکرد بهینه در بندر نوشهر ارزیابی، و طراحی مناسب برای مبدل موردبحث ارائه شود.

1-2- ضرورت انجام پژوهش

با پیشرفت تکنولوژی و نیاز روزافزون جوامع بشری به انرژی و همچنین کاهش منابع هیدروکربنی و سوخت‌های فسیلی، امروزه شاهد بهره‌برداری بیش از پیش از منابع طبیعی همچون دریاها و اقیانوس‌ها به جهت تأمین انرژی بوده‌ایم. در حوزۀ تأمین انرژی از دریا استفاده از مبدل‌های انرژی امواج بیش از دو دهه است که به عنوان یک راه‌حل قابل‌قبول موردتوجه محققین قرار گرفته است. در یک تقسیم‌بندی کلی میتوان پارامترهای اصلی در طراحی مبدل نوسانگر انرژی امواج را به دو دسته کلی تفکیک نمود: (1) پارامترهای محیطی (همچون خصوصیات پهنه آبی کارگذاری مبدل، عمق آب، خصوصیات امواج منطقه و...) و (2) پارامترهای هندسی مبدل (همچون ابعاد هندسی مبدل، نوع و ویژگی های متریال مبدل و...). مسئله عملکرد بهینه مبدل‌های انرژی امواج و به‌تبع آن، برآورد بازدۀ حداکثری به‌عنوان یکی از چالش‌های اصلی پیش‌روی پژوهشگران این عرصه بوده است، که تعیین موقعیت بهینه کارگذاری مبدل به‌عنوان اصلی‌ترین پارامتر در تأمین این مهم به‌حساب می‌آید.

با پیشرفت علم، امروزه به‌کارگیری الگوریتم‌های بهینه‌سازی رشد چشمگیری در مسائل مختلف مهندسی داشته است و در عمل شاهد نتایج قابل‌قبول از خروجی‌های این الگوریتم‌های بهینه‌ساز در شاخه‌های مختلف علوم مهندسی بوده‌ایم. در این پژوهش با استفاده از الگوریتم فراابتکاری GWO[6] پارامترهای محیطی برای کارگذاری مبدل نوسانگر انرژی امواج موردارزیابی قرار گرفته است و در نهایت موقعیت بهینۀ کارگذاری این مبدل بر اساس بیشترین بازدۀ عملکرد مبدل ارائه شده است.

2- روش تحقیق

مراحل پیاده‌سازی‌شده در این پژوهش شامل 5 گام به این شرح بوده است:

گام اول: توسعۀ کدهای الگوریتم بهینه‌ساز GWO با توجه به ماهیت مسئله در نرم‌افزار MATLAB[7]

الگوریتم گرگ‌های خاکستری توسط میرجلیلی و همکاران در سال 2014 بر مبنای شکار دسته جمعی گرگ‌های خاکستری ارائه شده است (میرجلیلی و همکاران، 2014). مراحل و فازهای اصلی شکار گرگ خاکستری به این ترتیب است: مرحلۀ جستجو: ردگیری، وادار به فرار کردن، و نزدیک شدن به شکار،

مرحلۀ محاصره: تعقیب، محاصره کردن، به‌هم زدن کارآیی شکار تا اینکه از حرکت بایستد و مرحلۀ حمله: شروع حملۀ نهایی به سمت شکار.

در الگوریتم بهینه‌ساز GWO که بر مبنای فرایند شکار گرگ‌های خاکستری ایجاد شده است، برای مدلسازی ریاضی حکومت اجتماعی گرگ‌ها هنگام طراحی GWO ، شایسته‌ترین راه‌حل را گرگ α نامگذاری می‌کنند. در نتیجه، دومین و سومین راه‌حل‌های بهتر به ترتیب گرگ β و δ نامیده شدند. راه‌حل‌های باقیمانده فرض می‌شود که ωهستند. لذا در الگوریتم GWO بهینه‌سازی با α و βو δ رهبری می‌شود و گرگ‌های ω از این سه دسته پیروی می‌کنند. مدل ریاضی ارائه‌شده برای این الگوریتم به این شرح می‌باشد:

الف ـ مرحلۀ جستجوی شکار

جایی که  تکرار فعلی،  و  بردار ضرایب،  بردار موقعیت طعمه و  بردار موقعیت یک گرگ خاکستری می­باشد. بردارهای  و  با روابط زیر محاسبه می­شوند:

جایی که مؤلفه­های  به صورت خطی با بالا رفتن تعداد تکرار (از 2 تا صفر) کاهش می­یابد و  و  بردارهای تصادفی (بین 0 و 1) می­باشند. یک گرگ خاکستری در موقعیت  می­تواند موقعیت خود را به‌روزرسانی بکند بر اساس موقعیت یک طعمه مکان‌های مختلف پیرامون بهترین جواب می­تواند بر اساس تنظیم مقدار بردارهای  و  به‌دست آید. برای مثال  می­تواند با تنظیم  و  به‌دست آید (میر جلیلی و همکاران 2014).

ب ـ مرحلۀ محاصره

گرگ‌های خاکستری این توانایی را دارند تا محل یک طعمه را تشخیص دهند و آنها را احاطه کنند. شکار معمولاً توسط گرگ آلفا هدایت می­شود. گرگ‌های بتا و دلتا ممکن است در شکار در بعضی مواقع مشارکت داشته باشند. با این حال در یک فضای جستجوی محدود ما هیچ ایده­ای دربارۀ محل بهینه (طعمه) نداریم. به جهت شبیه­سازی ریاضی­وار رفتار شکارگونه گرگ‌های خاکستری، ما فرض می­کنیم که آلفا (بهترین جواب)، بتا و دلتا اطلاع خوبی دربارۀ پتانسیل محل طعمه دارند. بنابراین ما 3 جواب بهتر به‌دست آمده تاکنون را ذخیره کرده و بقیه عوامل جستجو را مجبور می­کنیم تا موقعیت­های خود را بر اساس موقعیت عوامل بهتر به‌روزرسانی کنند. به این منظور روابط زیر پیشنهاد شده است (گومز و همکاران 2011).

ج ـ مرحلۀ شکار

گرگ‌های خاکستری شکار را با حمله به طعمه زمانی که از حرکت باز می­ایستد خاتمه می­دهند. به منظور اینکه ریاضی­وار نزدیک شدن به طعمه را مدل کنیم ما مقدار  را کاهش می­دهیم. توجه شود که محدودۀ نوسان بردار  نیز بر حسب  کاهش می­یابد. به عبارت دیگر  یک مقدار تصادفی است در بازه  جایی که  از 2 تا صفر با بالا رفتن تعداد تکرار کاهش می­یابد. زمانی که مقادیر تصادفی  در بازه  هستند، موقعیت بعدی یک عامل جستجو می­تواند در هر موقعیتی بین موقعیت کنونی و موقعیت طعمه باشد. در نهایت با ارضای شرط گرگ‌ها را مجبور می­کند تا به سوی طعمه حمله کنند. با عملگرهای پیشنهاد شده تا کنون، الگوریتم GWO به عوامل جستجوگر خود اجازه می­دهد تا موقعیت‌های خود را بر اساس محل آلفا، بتا و دلتا به‌روزرسانی کرده و به سوی طعمه حمله کنند. با این حال الگوریتم GWO مستعد است تا با این عملگرها در داخل یکسری جواب‌های محلی گرفتار شوند. واقعیت این است که مکانیزم احاطه کردن پیشنهادی که فاز جستجو را تا میزانی نشان می­دهد، اما GWO به اپراتورهای بیشتری نیاز دارد تا بر فاز جستجو تأکید کند (گومز و همکاران، 2015).

دیگر مؤلفه الگوریتم GWO که فاز جستجو را حمایت می­کند بردار  می­باشد. همان‌گونه که ممکن است از معادلۀ (8) دیده شود بردار  حاوی مقادیر تصادفی بین  می­باشد. این مؤلفه وزن‌های تصادفی را برای طعمه فراهم می­کند تا به ازای  بر تأثیر طعمه بر یافتن فاصله معادله (5) تأکید کند و به ازای  این اثر خنثی می­باشد. این کار به الگوریتم GWO کمک می­کند تا یک رفتار تصادفی را در مرحله بهینه­سازی، حمایت از فاز جستجو و اجتناب از بهینه محلی نشان دهد. باید اشاره شود که  بر خلاف A به صورت خطی کاهش نمی­یابد. ما به طور عمدی به  نیاز داریم تا مقادیر تصادفی را در همۀ زمان بهینه‌سازی فراهم کند تا بر فاز جستجو تأکید شود نه فقط در تکرارهای اولیه، بلکه در تکرارهای نهایی نیز این کار صورت گیرد. این امر برای جلوگیری از گیر افتادن در بهینه‌های محلی و مخصوصا در تکرارهای نهایی بسیار کمک‌کننده است.

در این مرحله با توجه به الگوریتم GWO، کد عددی لازم جهت بهینه‌سازی مسئله با الگوریتم گرگ‌های خاکستری در نرم‌افزار MATLAB توسعه داده شد.  تاکنون برای بررسی عملکرد مبدل انرژی نوسانگر دورانی پارامترهای مختلفی موردارزیابی قرار گرفته است. در تمامی این تحقیقات روش پژوهش به گونه ای بوده که برای ارزیابی اثر تغییرات یک پارامتر بر بازدهی مبدل، تمامی پارامترها را ثابت در نظر گرفته و پارامتر موردبررسی را متغیر فرض می‌کردند. این نوع ارزیابی به وضوح با آنچه در عمل اتفاق می‌افتد سازگار نیست. چراکه برای طراحی و مکان‌یابی احداث دستگاه مبدل انرژی، باید تأثیر پارامترهای مختلف را به‌طور همزمان مورد ارزیابی قرار داد. (به عنوان مثال، بر اساس سوابق تحقیقات موردبررسی، محرز شد که برخورد امواج به‌طور عمودی بر صفحه مبدل و همچنین کاهش میزان پریود امواج برخوردی بر بهبود عملکرد مبدل تاثیرگذار است. اما در منطقۀ موردبررسی باید مکانی یافته شود که اثر همزمان این دو پارامتر در محل موجب شود میزان انرژی موج برخوردی حداکثر گردد و صرفا برخورد عمودی امواج و یا کمینه پریود امواج ممکن است موجب بازدهی بیشینه نگردد). در این پژوهش سعی برآن است تا تأثیر همزمان پارامترهای محیطی بر بازدهی مبدل انرژی امواج بررسی گردد. به این منظور پارامترهای پریود امواج برخوردی (T)، عمق آب (h)، ارتفاع موج شاخص (H_s) و زاویۀ برخورد امواج (α) به عنوان متغییرهای مسئله انتخاب می‌گردد. همچنین پارامترهای چگالی آب (ρ) وشتاب گرانش (g) مقدار با توجه به منطقه مدنظر به عنوان ورودی مشخص وارد الگوریتم می‌گردد. همچنین تغییرات لازم برای تعریف معادلۀ اصلی بهینه‌سازی و معادلات کمکی انجام شد و معادلات حالت حدی نیز به الگوریتم اضافه گردید. براساس روابط مطرح‌شده برای مجموعۀ متغیرها و مجموعۀ جواب‌ها داریم:

که در معادله فوق مقادیر  و  و  و  و  به ترتیب مقادیر پریود موج، عمق آب، زاویۀ برخورد امواج، ارتفاع مشخصه امواج و انرژی موج در نقطۀ موردبررسی در طول و عرض مشخص هستند.

مسئله موردمطالعه به‌طور خاص شامل یک معادلۀ اصلی، چهار معادلۀ کمکی و سه معادلۀ حالت حدی (محدودیت‌های مرزی) است. معادلۀ اصلی با توجه به میزان انرژی موج برخوردی و با در نظر گرفتن زاویۀ برخورد امواج (زاویۀ بین راستای عرض صفحه و راستای انتشار امواج) بر اساس روابط اشاره‌شده در [10,11] به شکل زیر در نظر گرفته شد.

در معادلۀ فوق k عدد موج، A دامنۀ موج و _iω سرعت زاویه‌ای موج در نقطۀ موردبررسی هستند. حال با توجه به وابستگی پارامترهای فوق به کمیت‌های اصلی بردار X، در نظر داشتن معادلات زیر جهت پیشبرد روند حل کمک‌کننده خواهد بود.

همچنین معادلات حدی مسئله (محدودیت‌های مرزی) بر اساس حداقل و حداکثر پارامترهای متغیر به شرح زیر تعیین می‌گردد:

در شکل بالا ماکزیمم و مینیمم کمیت‌های متغیر نشان‌داده‌شده، نشانگر مقادیر بیشینه و کمینۀ آن کمیت در منطقه موردبررسی بر اساس فراداده^[8]‌های جمع‌آوری شده و پروژه‌های پژوهشی مرتبط است.

گام دوم: انتخاب منطقۀ موردمطالعه، جمع‌آوری و پردازش داده‌های منطقۀ مدنظر

با توجه به تحقیقات صورت گرفته توسط چگینی و همکاران در قالب پروژۀ تحقیقاتی در مؤسسۀ اقیانوس‌شناسی و علوم جوی 18 سایت مختلف را برای تعیین و بررسی توزیع انرژی امواج و همچنین توان متوسط و بیشینۀ سالانه در سواحل کشور ایران انتخاب و بررسی شده است (چگینی و همکاران، 1391). براساس نتایج حاصل از این پژوهش دو بندر نوشهر (واقع در سواحل جنوبی دریایی خزر) و سواحل گواتر (واقع در سواحل مکران دریای عمان) با توجه به پتانسیل بالای امواج، مکان مناسبی جهت احداث سیستم مبدل انرژی امواج هستند. بندر نوشهر در مختصات 51.51 شرقی و 36.65 شمالی واقع شده است. که در این پژوهش بندر نوشهر به جهت مطالعۀ موردی انتخاب شده است. در شکل (2) موقعیت منطقۀ مطالعاتی نمایش داده شده است.

شکل(2): موقعیت منطقه مطالعاتی

با توجه به منطقۀ موردمطالعه، داده‌های موردنیاز از پژوهشگاه ملی اقیانوس‌شناسی و علوم جوی ایران دریافت گردید، این اطلاعات شامل مشخصات عمق‌سنجی منطقه (h در هر نقطه)، پریود امواج برخوردی (T_i)، ارتفاع امواج (H_i)، جهت امواج در منطقه (α) در یک بازۀ 27 ساله (از سال 1980 تا 2007) می‌شود. در مرحله بعد به جهت به‌کارگیری داده‌های دریافتی پردازش روی داده‌های اولیه صورت گرفته است و داده‌ها بر اساس 6 پارامتر (X,Y: موقعیت هر نقطه، d: عمق، T: پریود موج،  H : ارتفاع موج و dr : جهت انتشار موج) پالایش و برای ورود به الگوریتم بهینه‌ساز GWO آماده‌سازی شده است. محدودۀ باند موردمطالعه در شکل (3) نمایش داده شده است.

شکل(3): موقعیت و محدودۀ مطالعاتی در بندر نوشهر

گام سوم: تعیین مقدار بهینه پارامترهای طراحی از الگوریتم بهینه‌سازی

هدف اصلی فرآیند بهینه‌سازی بهکارگیری الگوریتم GWO جهت یافتن مقادیر بهینه 3 پارامتر اصلی پریود موج، عمق آب و زاویۀ برخورد موج بر مبدل، جهت تعیین موقعیت بهینۀ مبدل در منطقه مدنظر است. ازاین‌رو، با توجه به کمیت‌های تعریف‌شده، ورودی‌های زیر به مدل وارد می‌گردد:

جدول (1): ورودی‌های مدل بهینه‌سازی عددی

محدودۀ اولیه برای جستجوی جواب‌ها در قالب معادلات حدی و مقادیر کمینه و بیشینۀ کمیت‌های اصلی خواهد بود. پس از تعیین منطقۀ اولیه جواب‌ها، بنا بر سلسله مراتب الگوریتم GWO راه‌حل‌های α و β و γ و ω  در طی روند چرخه تکرارِ کدنویسی‌شده، بهترین مقادیر پارامتر‌های پریود، عمق و زاویۀ برخورد امواج را به‌گونه‌ای به‌دست می‌آورد که مقدار انرژی موج حداکثر گردد. جدول زیر خروجی‌های پارامتریک الگوریتم بهینه‌سازی توسعه‌داده‌شده را نشان می‌دهد.

جدول (2): خروجی‌های مدل بهینه‌سازی عددی

گام چهارم: تعیین موقعیت بهینۀ مبدل نوسانگر انرژی در منطقۀ مطالعاتی مدنظر

در این مرحله با توجه به نتایج حاصل از الگوریتم بهینه‌ساز GWO و به‌دست آوردن مقادیر بهینه برای پارامترهای (عمق آب، پریود امواج و ارتفاع موج) که منجر به ایجاد بیشترین مقادیر در معادلۀ شار انرژی امواج (معادلۀ (10)) گردید، داده‌های اولیۀ منطقۀ مورد بررسی قرار گرفته است. برای انجام پردازش منطقۀ مدنظر و دستیابی به نقطه‌ای که دربردارندۀ بیشترین میزان انرژی امواج باشد، دسته‌ای دیگر از کدها در نرم‌افزار MATLAB ایجاد شده است، فرایند کلی صورت گرفته در این بخش بر اساس خصوصیات نقاط (عمق، پریود موج، ارتفاع موج) و مقادیر بهینۀ به‌دست‌آمده برای پارامترهای محیطی انجام شده و با فیلتر کردن خصوصیات نقاط در 3 مرحله، مکان بهینه برای کارگذاری مبدل به‌دست آمده است.

گام پنجم: بررسی عملکرد مبدل نوسانگر انرژی امواج در موقعیت بهینۀ تعیین‌شده توسط ماژول WEC-SIM

در این مرحله پس از تعیین موقعیت بهینۀ مبدل در گام چهارم، به هدف ارزیابی عملکرد مبدل نوسانگر انرژی امواج مدلسازی عددی در ماژول WEC-SIM نرم‌افزار MATLAB انجام شده است. این ماژول به‌صورت یک افزونه روی نرم‌افزار MATLAB سوار شده و دارای ویژگی‌های منحصر به فردی (اپن سوروس بودن نرم‌افزار) برای ارزیابی عملکرد مبدل‌های انرژی امواج بوده است.

به‌منظور مدلسازی مبدل نوسانگر دورانی در نرم‌افزار WEC-Sim، نیاز به طراحی پایه و صفحه مبدل در نرم‌افزارهای مبتنی بر CAD است. خروجی این نرم‌افزارها در قالب دو فایل جداگانه (در فرمت .stl) به عنوان هندسۀ مسئله وارد ماژول WEC-Sim می‌گردد. به این منظور با توجه به سادگی عملکرد و همچنین پیشنهاد سازمان توسعه‌دهندۀ WEC-Sim، نرم‌افزار Abaqus جهت این طراحی‌ها انتخاب شد. ابعاد صفحۀ طراحی‌شده بر اساس مدل پایۀ نرم‌افزار در شکل (4) ارائه شده است.

شکل(4): شکل هندسی مبدل نوسانگر دورانی طراحی‌شده

طبق پیشنهاد راهنمای نرم‌افزار و همچنین پیشنهاد (یو و همکاران، 2014) ، (هنری، 2008) و همچنین نمونۀ ساخته‌شده اویستر در سال 2007 در سواحل اورکنی اسکاتلند، مقدار ارتفاع صفحۀ مبدل پس از مشخص شدن عمق نقاط بهینه، به مقدار عمق به علاوه یک متر ارتفاع آزاد خواهد بود. ضخامت بهینه در طراحی‌ها 8/1 متر در نظر گرفته شده است. جهت بررسی عرض صفحۀ مبدل و تعیین آن طبق پیشنهاد فولی و ویتاکر نمودار زیر مورد استفاده قرار گرفته است.

شکل (5): تعیین عرض طراحی مبدل بر اساس پریود نوسان آزاد و عمق آب (فولی و همکاران، 2007)

با استفاده از نمودار شکل (5)، می‌توان با یافتن مقدار پریود نوسان آزاد و با توجه به عمق آب در محل احداث که از الگوریتم بهینه‌سازی به‌دست آمده است، عرض صفحۀ مبدل تعیین می‌گردد. پارامتر پریود نوسان آزاد بر اساس مبانی تئوری ارتعاشات از معادلۀ زیر حاصل می‌گردد.

در معادلل فوق کمیت K_p سختی دورانی ناشی از سیستم انتقال قدرت و I مقدار ممان اینرسی دورانی صفحۀ مبدل خواهد بود.

3- تجزیه‌وتحلیل نتایج

نتایج حاصل از این پژوهش در دو بخش کلی ارائه شده است: (1) تعیین موقعیت بهینۀ کارگذاری مبدل نوسانگر انرژی امواج و (2) بررسی عملکرد مبدل در موقعیت مدنظر.

3-1- تعیین موقعیت کارگذاری مبدل نوسانگر انرژی امواج

ابتدا به جهت برپایی مدل تعیین موقعیت بهینۀ کارگذاری مبدل در محدودۀ منطقۀ مدنظر، شبکه‌بندی بر روی محدوده صورت گرفته (شکل (6)) و مشخصات مرکز هر شبکه در جدول (3) ارائه شده است.

شکل (6): مشخصات شبکه‌بندی ایجادشده در محدودۀ بندر نوشهر

جدول (3): موقعیت جغرافیایی شبکه‌بندی ایجادشده در محدودۀ بندر نوشهر

در این مرحله با توجه به الگوریتم موجود در معرفی روش GWO، کد عددی لازم جهت بهینه‌سازی مسئله با الگوریتم گرگ‌های خاکستری در زبان برنامه نویسی MATLAB توسعه داده شد. الگوریتم کلی حاکم از روش گرگ‌های خاکستری پیروی می‌کند. در ادامه به منظور تأثیر همزمان پارامترهای محیطی بر بازدهی مبدل انرژی امواج، متغیرهای پریود امواج برخوردی (T)، عمق آب (h)، ارتفاع موج شاخص (H_s) و زاویۀ برخورد امواج (α) به‌عنوان متغیرهای اصلی مسئله انتخاب شد. همچنین پارامترهای چگالی آب (ρ) وشتاب گرانش (g) به عنوان ورودی مشخص وارد الگوریتم شد. در ادامه تغییرات لازم برای تعریف معادله اصلی بهینه‌سازی و معادلات کمکی انجام شد و معادلات حالت حدی نیز در مدلسازی مد نظر قرار گرفت.

کد توسعه‌داده‌شدۀ الگوریتم GWO، ابتدا مقادیر بهینه‌ی چهار پارامتر اصلی ذکر شده را برای ماکزیمم‌شدن مقدار انرژی امواج محاسبه می‌کند. سپس در هر مرحله براساس اولویت‌های ذکرشده ، داده‌ها با 20% خطا پایش می‌شوند. به این صورت که در گام اول ابتدا در بین «عمق»های نقاط موجود، نقاط با عمق نزدیک به عمق بهینه را (10% بالاتر و 10% پایین‌تر) جدا می‌کند. سپس از بین نقاط حاصل، همین روند را برای متغییر «زاویۀ برخورد امواج غالب» تکرار می‌کند. و در گام‌های بعدی روند مشابه برای «ارتفاع مشخصه موج» و «پریود پیک» تکرار می‌گردد تا نهایتا یک نقطه از بین تمامی نقاط موجود در باند انتخابی، به عنوان نقطه با مشخصات مناسب برای احداث سیستم مبدل انرژی امواج معرفی گردد. بنابراین در طی یک روند حذف و پایش چهارلایه‌ای، نقطۀ بهینه با حداکثر انرژی امواج پیدا شده و پارامترهای طراحی محیطی معرفی می‌گردد. روند این انتخاب برای بندر نوشهر در ‏شکل (7)  نشان داده شده است.

شکل(7): روند پایش و حذف داده‌ها با مشخصات غیربهینه در الگوریتم بهینه‌سازی

مشخصات موقعیت نهایی بهینۀ کارگذاری مبدل در محدودۀ موردمطالعه بر اساس الگوریتم بهینه‌ساز GWO در جدول (4) ارائه شده است.

جدول (4): مشخصات منطقۀ نهایی موقعیت کارگذاری بهینه مبدل

3-2- بررسی عملکرد مبدل در موقعیت بهینۀ تعیین‌شده

در این مرحله پس از دستیابی به موقعیت بهینۀ کارگذاری مبدل، با استفاده از ماژول WEC-SIM عملکرد مبدل انرژی در موقعیت مدنظر مورد ارزیابی قرار گرفته است. بر اساس توضیحات ارائه‌شده، ابعاد هندسی مبدل در جدول (5) ارائه شده است، همچنین در شکل (8) نمایی از مدل هندسی مبدل که در نرم‌افزار آباکوس ایجاد شده ارائه گردیده است.

جدول (5): مشخصات هندسی پایه و صفحۀ مبدل طراحی‌شده

در موقعیت بهینۀ کارگذاری بندر نوشهر

شکل (8): پایه و صفحۀ مبدل طراحی‌شده در موقعیت بندر نوشهر

پس از وارد کردن مدل‌ هندسی طراحی‌شده از نرم‌افزار آباکوس، و همچنین مشخصات نقطۀ بهینه از الگوریتم بهینه‌سازی GWO، در ماژول WEC-Sim، مدل نهایی جهت بررسی میزان نوسانات، نیروهای وارده و بازدهی اجرا شده، و مقدار نوسانات صفحۀ مبدل در دو درجۀ آزادی Surge و Pitch بررسی می‌گردد. چراکه در بقیۀ درجات آزادی صفحۀ مبدل حرکتی نداشته و مقید است. در اجرای مدل زمان کل مدلسازی برابر 400 ثانیه و مقدار زمان رمپ (زمان بارگذاری مدل) برابر 100 ثانیه درنظر گرفته شد. همچنین گام‌های زمانی در اجرای مدل با توجه به عدد کورانت و پیشنهاد نرم‌افزار برابر 1/0 ثانیه مدنظر قرار گرفت. مقدار نوسانات برای حرکت در درجۀ آزادی Surge بر حسب متر و برای حرکت در درجۀ آزادی Pitch بر حسب رادیان ارائه شده است.

3-3- جابه‌جایی و دوران مبدل در موقعیت بهینۀ مدنظر

همان‌طور که در شکل (9) مشاهده می‌شود، میزان نوسانات مبدل در بندر نوشهر نمایش داده شده است. حداکثر میزان جابه‌جایی صفحۀ مبدل (در زمان حرکت تحت فشار ناشی از برخورد تاج موج) در بندر نوشهر 624/2 متر (با زاویۀ بیشینۀ 54/0 رادیان) همچنین حداکثر میزان جابه‌جایی صفحۀ مبدل (در زمان حرکت برگشتی تحت کاهش فشار ناشی از برخورد قعر موج) در بندر نوشهر 96/2 متر (با زاویۀ بیشینۀ 619/0 رادیان) بوده است.

شکل (9): جابه‌جایی و دوران مبدل در موقعیت بهینۀ محدودۀ بندر نوشهر

3-4- نیروی تحریک موج در برخورد با مبدل

برای بررسی نیروی تحریک موج، در دو حالت حرکت صفحۀ مبدل به سمت عقب (برخورد تاج موج) و بازگشت صفحۀ مبدل به جلو (برخورد قعر موج) نیروی تحریک موج مقادیر مختلفی خواهند داشت. برای بندر نوشهر در دو درجۀ آزادی Pitch و Surge خروجی‌های نرم‌افزار به‌دست آمده و ارائه شده‌‌اند.

شکل(10): مقادیر نیرو و گشتاور تحریک موج در موقعیت محدوده بندر نوشهر

3-5- نیروی میرایی تابشی امواج در موقعیت بندر نوشهر

برای بررسی نیروی میرایی تابشی موج، در دو حالت حرکت صفحۀ مبدل به سمت عقب (برخورد تاج موج) و بازگشت صفحۀ مبدل به جلو (برخورد قعر موج) این نیرو مقادیر مختلفی خواهند داشت. برای هر بندر در دو درجۀ آزادی Pitch و Surge خروجی‌های نرم‌افزار به‌دست آمده و مقادیر در شکل (11) ارائه شده‌اند.

شکل (11): نیرو و گشتاور میرایی تابشی موج در موقعیت محدودۀ بندر نوشهر

3-6- نیروی جرم افزوده در موقعیت بندر نوشهر

همان‌طور که مشاهده می‌شود، مقادیر نیروی گشتاور افزوده (دردرجۀ آزادی دورانی) بیشتر از مقادیر جرم افزوده (در درجۀ آزادی خطی) است. این مطلب با توجه به نوع حرکت مبدل انرژی در درجۀ آزادی Pitch ، نوسانات مطلوبی را جهت استحصال انرژی الکتریکی مهیا می‌کند.

شکل (12): مقادیر نیرو و گشتاور جرم افزوده در موقعیت محدودۀ بندر نوشهر

3-7- گشتاور استحصالی توسط سیستم انتقال قدرت[9]

همانطور که مشاهده می‌شود، گشتاور وارد بر سیستم انتقال قدرت در حالت حرکت رو به جلوی مبدل (افزایش فشار) بیشتر از مقدار گشتاور وارده در زمان حرکت برگشتی (کاهش فشار) است. که این مورد در مقایسه با سایر مبدل ها موجب بهبود عملکرد مبدل و همچنین کاهش میرایی نوسانات خواهد شد.

شکل (13): گشتاور سیستم انتقال قدرت در موقعیت محدوده بندر نوشهر

3-8- گشتاور کل وارد بر صفحۀ مبدل

مقدار گشتاور کل (که برآیندگیری شده از تمامی نیروهایی وارد بر مبدل است) در مبدل درنظر گرفته شده در بندر نوشهر ارزیابی و مقایسه می‌گردد. شکل زیر مقادیر گشتوروارد بر صفحه مبدل طراحی شده در بندر نوشهر را نشان می‌دهد. این مقادیر برای بنادر امیرآباد و بندر انزلی نیز در پژوهش (امینی 1398) محاسبه و بررسی شده است.

شکل (14): مقادیر گشتاور کل اعمالی بر مبدل بندر نوشهر

با مقایسۀ این نمودار با مطالعات انجام‌شده پیشین در بنادر انزلی و امیرآباد مشاهده می‌شود، مقادیر گشتاورهای وارده بر صفحۀ مبدل بندر نوشهر بیشتر از دو بندر دیگر است. اما باید توجه داشت که صرفا افزایش مقادیر گشتاورهای وارد بر صفحۀ مبدل منجر به افزایش انرژی استحصال شده نخواهد شد، و باید تغییر مکان‌های صفحۀ مبدل نیز به طور همزمان در کنار سایر شرایط محیطی مدنظر قرار گیرد. مقادیر بیشینه گشتاوری محرک مؤثر بر مرکز فشار صفحۀ مبدل (در زمان حرکت تحت فشار ناشی از برخورد تاج موج) در بنادر نوشهر، انزلی و امیرآباد به ترتیب برابر 832 کیلونیوتن متر، 630 کیلونیوتن متر و 621 کیلونیوتن متر در هر گام زمانی خواهد بود. همچنین مقادیر بیشینۀ گشتاوری بازگرداننده مؤثر بر مرکز فشار صفحۀ مبدل (در زمان حرکت برگشتی تحت کاهش فشار ناشی از برخورد قعر موج) در بنادر نوشهر، انزلی و امیرآباد به ترتیب برابر 881 کیلونیوتن متر، 598 کیلونیوتن متر و 588 کیلونیوتن متر در هر گام زمانی خواهد بود.

3-9- مقایسه ضریب جذب مبدل‌های طراحی‌شده در بنادر موردمطالعه با استفاده از ماژول WEC-Sim

با توجه به استفاده از تئوری امواج کوتاه نامنظم، در هر گام زمانی ، مقدار ضریب جذب تغییر خواهد یافت. به این منظور مقادیر ضریب جذب در بندر نوشهر در گام‌های زمانی محاسبه شده و در شکل 14 نمایش داده شده است.

شکل (15): ضریب جذب برای بندر نوشهر در هر گام زمانی

مقادیر دقیق ضریب جذب ، مقادیر انرژی کل امواج و انرژی جذب شده توسط مبدل در محدوده بندر نوشهر در جدول زیر بررسی شده است.

جدول (6): مقادیر انرژی امواج، انرژی جذب شده و ضریب جذب در محدوده بندر نوشهر

مشاهده می‌شود با توجه به سوابق پژوهش‌های موجود، میزان ضریب جذب (بازدهی) مبدل طراحی‌شده در این پژوهش تقریبا 7% بالاتر از ضرائب جذب سایر مبدل‌های پیشنهادی موجود (در دستۀ نوسانگر دورانی) بوده است.

4- نتیجه‌گیری

جهت مقایسۀ بین مبدل‌های مختلف انرژی امواج، و با در نظر داشتن شاخص‌هایی همچون افق توسعۀ پژوهش، هزینه‌های اجرایی و بهره‌برداری، نوع حرکت مبدل در برابر امواج و میزان توسعۀ تجاری، مبدل نوسانگر دورانی (و انواع تکنولوژی‌های توسعه‌داده‌شدۀ مرتبط)، به‌عنوان یکی از مبدل‌های مطرح جهت پیشبرد امور تحقیقاتی و طراحی مهندسی به‌دست آمده است. همچنین در هر پروژۀ احداث مبدل انرژی امواج طراحی پارامترهای هندسی مبدل به پارامترهای محیطی محل احداث آن وابسته است. بنابراین قبل از اقدام به طراحی هندسی مبدل باید مکان‌یابی دقیقی از محل احداث آن صورت گیرد و مقادیر پارامترها برای دست‌یابی به نقطه‌ای با حداکثر پتانسیل انرژی امواج ارزیابی گردد. جهت انجام این امر، استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی گرگ‌های خاکستری به عنوان راه‌حل نوآورانه و با هزینۀ محاسباتی پایین به‌دست آمده است. هرچند که تاکنون در تحقیقات اثر پارامترهای مختلف بر میزان ضریب جذب مبدل انرژی امواج به‌صورت جداگانه مورد بررسی قرار گرفته بود، اما الگوریتم بهینه‌سازی امکان بررسی همزمان اثر تغییرات این پارامترها را روی میزان انرژی امواج امکان‌پذیر می‌کند. الگوریتم توسعه‌داده‌شده امکان بررسی تعداد نامحدود نقاط را در هر محدودل انتخابی در اطراف بندر دلخواه را در زمان مناسبی ممکن می‌سازد.

بررسی مقدار نوسان مبدل و گشتاوری وارده به صفحۀ مبدل نشان داد در بنادری که مقادیر بیشتری ارتفاع موج به مبدل برخورد می‌کند، مقدار گشتاوری کل وارده به صفحۀ مبدل هم بیشتر خواهد بود. هرچند این عامل به تنهایی نمی‌تواند موجب افزایش ضریب جذب مبدل گردد و باید در کنار سایر عوامل محیطی در معادلۀ ضریب جذب وارد گردد. به عنوان یک پارمتر تعیین‌کننده می‌توان گفت مقادیر توان کل وارده به صفحه مبدل می‌تواند به‌عنوان معیار بازدهی مبدل نوسانگر دورانی در کنار ضریب جذب، مورد استفاده قرار گیرد. نتایج نهایی مدلسازی، نقطه با مشخصات داده‌شده در بندر نوشهر را دارای بیشترین پتاسیل احداث سیستم مبدل انرژی امواج از نوع نوسانگر دورانی معرفی کرده و و با بازدهی 63%، بیشترین ضریب جذب را دارا بوده است. در انتها به نظر می‌رسد روند طی‌شده در این پژوهش می‌تواند به عنوان روندی منطقی و جامع در طی پروژه‌های دریایی درکنار طرح‌های توجیهی اقتصادی، به پیشبرد و توسعۀ سیستم‌های مبدل انرژی امواج در سواحل شمالی و جنوبی کشور منجر گردد.