1- مقدمه

یکی از مهم‌ترین پتانسیل­های مطرح در رابطه با انرژی­های تجدید پذیر و سازگار با محیط­زیست استفاده از انرژی جزرومد دریا است. استحصال انرژی از جزرومد در نقاطی عملی است که انرژی زیادی به‌صورت جزرومدهای بزرگ در آنها متمرکز شده باشد و به‌علاوه جغرافیای محل نیز برای احداث نیروگاه جزرومدی سایت مناسبی فراهم کرده باشد. اگرچه چنین مکان‌هایی در همه‌جا یافت نمی­شوند، اما تابه‌حال مکان­های نسبتاً زیادی برای این منظور شناسایی شده­اند. لیکن در تعداد کمی از این مکان­ها نیروگاه جزرومدی در جهان احداث شده است. نخستین و بزرگ‌ترین آنها که از نوع تک حوضچه‌ای و دو اثری بوده، با ظرفیت ۲۴۰ مگاوات در لارانس فرانسه تأسیس شده است، جنبه تجاری دارد. در ایران نیز قرار است در طول برنامه پنجم توسعه، بیش از پنج هزار مگاوات نیروگاه انرژی‌های تجدید پذیر احداث شود.

با علم به اینکه در راستای استحصال انرژی جریان­های جزرومدی مطالعاتی در منطقه خورموسی انجام شده است و این منطقه در مجامع علمی کشور به­عنوان یکی از پتانسیل­های شناخته‌شده مطرح است. در این مطالعات برای یافتن منطقه دیگری که پتانسیل­های لازم استحصال انرژی را دارد، اهتمام شده است.

2- روش تحقیق

2-1- محدوده موردمطالعه

محدوده موردمطالعه شکل (1)، تنگه­ای است در خلیج‌فارس که از شمال به سرزمین اصلی ایران، از جنوب به جزیره قشم، از شرق به خط فرضی مابین اسکله شهید حقانی بندرعباس و اسکله بهمن در جزیره قشم و از غرب به یک خط فرضی در طول جغرافیایی بندر باسعیدو محدود گردیده است، تنگه خوران نامیده می‌شود. در حاشیه این آبراه، شهرها و بنادر مهمی چون: بندرعباس، (پرجمعیت‌ترین شهر ساحلی ایران)، تأسیسات دریایی منطقه یکم نیروی دریایی ارتش، (مهم­ترین پایگاه نیروی دریایی خلیج‌فارس)، بندر شهید رجایی (مهم­ترین بندر تجاری شمال خلیج‌فارس)، منطقه حفاظت‌شده زیبا و منحصربه‌فرد جنگل حرا و ده‌ها بندر، شهر و تأسیسات دریایی دیگر واقع‌شده است. بیشینه پهنای این تنگه در مرز شرقی آن حدفاصل بندرعباس در سرزمین اصلی و اسکله بهمن معادل 25 کیلومتر و کمینه پهنای آن (بدون در نظر گرفتن محدوده جنگل‌های حرا) در حدود 5/2 کیلومتر است که در حدفاصل بندر پهل در سرزمین اصلی و بندر لافت در جزیره قشم واقع شده است. بیشینه ژرفای آن در طول جغرافیایی 768/55 و عرض جغرافیایی 963/26 واقع‌شده و برابر 53- متر است. شکل (1) منطقه موردمطالعه را نشان می­دهد.

شکل (1): موقعیت قرارگیری تنگه هرمز، تنگه خوران و جانمایی ایستگاه‌های اندازه‌گیری، نقاط مشخص‌شده بارنگ قرمز ایستگاه‌های اندازه‌گیری سرعت و نقاط مشخص‌شده بارنگ سفید ایستگاه‌های اندازه‌گیری سطح آب هستند.

2-2- داده­های اندازه‌گیری شده جزرومدی

در محدوده موردمطالعه اطلاعات اندازه‌گیری شده سطح آب در 4 ایستگاه و اطلاعات سرعت جریان در 3 ایستگاه تهیه شده است. شکل (2) موقعیت ایستگاه‌های اندازه‌گیری و موقعیت آنها را نشان می­دهد.

شکل (2): جانمایی ایستگاه‌های اندازه‌گیری از نمای نزدیک در تنگه خوران

در شکل (2) ایستگاه‌های مشخص‌شده بارنگ قرمز ایستگاه‌های اندازه‌گیری سرعت و ایستگاه‌های مشخص‌شده بارنگ سفید ایستگاه‌های اندازه‌گیری سطح آب هستند.

جداول (1) و (2) مشخصات کلی این ایستگاه‌ها را نشان می­دهد. این اطلاعات شامل موقعیت، عمق، تاریخ نصب و نوع دستگاه می­باشند.

جدول (1): مشخصات کلی ایستگاه‌های اندازه‌گیری سطح آب

جدول (2): مشخصات کلی ایستگاه‌های اندازه‌گیری سرعت جریان

2-3- مشخصات داده­های اندازه‌گیری شده

ازآنجاکه خروجی بررسی­های هیدرودینامیکی، ورودی مبحث استحصال انرژی است و بررسی استحصال انرژی در این مطالعات، بر مبنای آخرین دستاوردها و دستورالعمل­های (مرکز انرژی­های دریایی اروپا) مبتنی بر سرعت جریان است. مشخصات سرعت در داده­های اندازه­گیری شده بسیار مهم است. لذا به‌منظور به دست آوردن ایده­ای در جهت‌گیری مطالعات و یافتن رهیافت­های مناسب، ایستگاه‌های اندازه‌گیری سرعت بررسی شده است.

ازآنجاکه در مبحث استحصال انرژی سرعت­های کمتر از 5/0 متر بر ثانیه به لحاظ عدم کارایی در به حرکت درآوردن پره توربین­­ها نادیده گرفته می­شوند، درصد زمان­های تداوم جریان با سرعت‌های بیش از 5/0 متر بر ثانیه در ایستگاه‌های مختلف با یکدیگر مقایسه می­گردد. جدول (3) بر اساس میانگین سرعت­های اندازه­گیری شده به این مقایسه پرداخته است.

جدول (3): مقایسه سرعت جریان در ایستگاه‌های اندازه‌گیری

همان‌گونه که در جدول فوق مشاهده می­شود سرعت جریان‌های جزرومدی در ایستگاه لافت بیش از دو ایستگاه دیگر است، که این موضوع با توجه به موقعیت ایستگاه‌ها تا حدودی قابل پیش‌بینی است.

به‌منظور شناخت الگوی کلی جریان با توجه به اطلاعات میدانی اندازه‌گیری شده، گل‌جریان‌های ایستگاه‌های مختلف در شکل‌های (3) الی (5) رسم گردیده است. گفتنی است که این شکل‌ها بر مبنای سرعت جریان متوسط‌گیری شده در عمق رسم شده­اند.

شکل (3) گل جریان در ایستگاه لافت

شکل (4): گل جریان در ایستگاه درگهان

شکل (5) گل جریان در ایستگاه رجایی

همان‌طور که از مقایسه گل‌جریان‌ها مشخص است بیشترین متوسط سرعت‌ها کمی بیش از 33/1 متر بر ثانیه است که در ایستگاه‌های درگهان و لافت اتفاق می‌افتد لیکن ازآنجاکه در ایستگاه لافت عرض کانال بسیار کم می­شود، جریان­های با سرعت‌های بیشتر در زمان­های بیشتری اتفاق می‌افتد. درصد وقوع سرعت‌های کمینه نیز در ایستگاه لافت کمتر از ایستگاه درگهان است.

 نکته جالب‌توجه دیگر این است که در ایستگاه لافت هم در رفت و هم در برگشت سرعت­های بیش از 8/0 متر بر ثانیه نسبت به دو ایستگاه دیگر تداوم بیشتری دارد، لیکن در ایستگاه درگهان فقط در یک جهت سرعت­ بیش از 8/0 متر بر ثانیه وجود دارد.

3- تجزیه و تحلیل داده‌ها

3-1- شبیه‌سازی عددی

ازآنجاکه مهم­ترین پارامتر موردتوجه در انجام شبیه­سازی، قابلیت اطمینان به نرم­افزار شبیه­ساز است، در این مطالعات برای مدل‌سازی جریان­های جزرومدی در محدوده موردمطالعه، از مدل جریان مایک 21[1] از بسته نرم­افزاری انستیتو هیدرولیک دانمارک[2](DHI)  استفاده شده است. برای برپاسازی مدل، ابتدا محدوده انجام مطالعات را تعیین کرده و آنگاه مرزهای باز را تعیین می‌کنیم و در مرحله بعد، نسبت به شبکه‌بندی محدوده موردمطالعه اقدام می‌نماییم. برای صحت‌سنجی ازآنجاکه اندازه­گیری­های سطح آب و سرعت در دو بازه زمانی مختلف در دسترس است تغییرات سطح آب در جزرومد، در بازه 29 روزه، (10/8/1388 تا 7/9/1388) و سرعت جریان جزرومد در بازه زمانی 25 روزه (29/1/1389 تا 23/2/1389)، به‌ناچار در دو بازه زمانی مدل اجرا شد و از نتایج آن برای صحت‌سنجی و واسنجی استفاده گردید.

3-2- شرایط مرزی

در این مطالعات به دلیل اهمیت شرایط مرزی، با حساسیت ویژه­ای به مشخصات مرزهای باز پرداخته شده است. به دلیل موجود بودن اطلاعات اندازه‌گیری­شده سطح آب در ایستگاه‌های درگهان، رجایی و باسعیدو امکان تولید 30 مؤلفۀ  جزرومدی[3] جداول (4 و 5) وجود دارد.

جدول (4): مؤلفه‌های جزرومدی تولیدشده در ایستگاه‌های درگهان و رجایی

.

جدول (5): مؤلفه‌های جزرومدی تولیدشده در ایستگاه باسعیدو

لازم به ذکر است مؤلفه‌های ارائه‌شده توسط سازمان نقشه‌برداری کل کشور صرفاً مؤلفه‌های، M₂,S₂,K₁,O₁ را در برمی­گیرد. این در حالی است که مؤلفه‌های تولیدشده در این مطالعات، نشان می­دهد که مؤلفه N₂ نیز نقش بارزی در جزرومد ایفا می­نماید و مجموع 25 مؤلفه دیگر نیز تأثیرگذار هستند.

با در دست داشتن این مؤلفه‌ها، توانایی تولید جزرومد در هرزمانی و برای هر بازه زمانی وجود دارد؛ بنابراین در صورت استفاده از مشخصات سطح آب به‌عنوان شرایط مرز باز اطلاعات کافی موجود است؛ بنابراین با در اختیار داشتن مشخصات سطح آب در هردو مرز شرقی و غربی به برپاسازی مدل عددی پرداخته می­شود. شکل (6) مرزهای باز شرقی، غربی و مرز بسته خشکی را نشان می­دهد.

شکل (6): مرزهای محدوده موردمطالعه- کد 3 مرز باز شرقی – کد 4 مرز باز غربی

3-3- حساسیت سنجی

در این بخش پارامترهایی معرفی می‌شوند که در هیدرودینامیک محدوده موردمطالعه نقش دارند و احتمال دارد مدل نسبت به آنها حساس باشد. یکی از این پارامترها باد و امواج ناشی از وزش باد است. ازآنجاکه جهت غالب باد در این تنگه شمالی ـ جنوبی بوده و جریان غالب در جهت شرقی ـ غربی برقرار است و به دلیل اثر مرز (جزیره قشم) طول موجگاه[4] در این تنگه درخور توجه نیست؛ بنابراین از اثرات باد و موج در این مطالعات صرف‌نظر شده است. علاوه بر این، منابع ثانویه مانند رود یا چشمه‌ای که بر روی جریان در این تنگه تأثیرگذار باشد، وجود ندارد. بنابراین از اثرات جریان­های تأثیرگذار وارد شونده به محیط از منابع ثانویه، همچنین یخبندان و دیگر نیروها نیز صرف‌نظر شده است. همچنین به دلیل محدود بودن منطقۀ موردمطالعه تأثیر نیروی کوریولیس ناچیز است و در محاسبات مدل وارد نمی‌شود. در مدل­سازی، مرزهای شمالی و جنوبی به‌عنوان مرزهای خشک در نظر گرفته‌شده و اثرات خشکی و تری ساحل بر دلیل جزرومد، در مدل دیده شده است؛ بنابراین از بین پارامترهایی که مدل به آنها حساسیت دارد، پارامترهای تعریف شرایط مرزهای باز، لزجت گردابی و زبری بستر باقی ماند، که مدل، نسبت به هر سه پارامتر واسنجی شده است.

3-4- واسنجی مدل

در بحث واسنجی مدل، ابتدا به‌منظور به دست آوردن طرح مناسب از منطقه، به تعریف مشخصات مرزهای باز و اجرای مدل پرداخته شد. برای این منظور در هردو مرز باز شرقی و غربی از داده­های اندازه­گیری شده نوسانات سطح آب استفاده شد. در اولین اجرای مدل شکل (7)، برای هر دو مرز باز شرقی و غربی، نوسانات سطح آب در نظر گرفته‌شده است. مرز شرقی حدفاصل بندرعباس (اسکله شهید حقانی در شمال مرز شرقی) و اسکله بهمن (در جنوب مرز شرقی) است. برای تعیین شرایط این مرز، در هردو نقطه شمالی و جنوبی، بر اساس مؤلفه‌های ارائه‌شده از سوی سازمان نقشه‌برداری کل کشور، یعنی چهار مؤلفه اصلی (M₂, S₂, K₁, O₁) به تولید جزرومد اقدام شد.

شکل (7): محدوده موردمطالعه در مدل­های اولیه

پس از اجرای مدل و مقایسه خروجی‌های آن با داده‌های اندازه‌گیری شده، شکل (8)، عدم تطابق کافی به‌ویژه در مدهای پایین دیده شد، که ناشی از ناکافی بود مؤلفه‌های جزرومدی مورد استفاده بود. زیرا همان‌طور که در بخش پیش نیز به آن اشاره شد حداقل یک مؤلفه دیگر (N₂) در مؤلفه‌ها وجود دارد که نقش بسزایی در تولید جزرومد ایفا می­نماید و مجموع مؤلفه‌های دیگر هم مؤثر هستند.

شکل (8): عدم تطابق داده­های اندازه­گیری شده نوسانات سطح آب و خروجی مدل در مدهای پایین (شرایط مرزی با 4 مؤلفۀ جزرومدی سازمان نقشه‌برداری تعریف شده است).

 بنابراین در مدل­های نهایی مرز شرقی کمی به سمت غرب انتقال داده شد تا در محل ایستگاه‌هایی که داده­های اندازه‌گیری آنها موجود است، یعنی فاصله بین بندر شهید رجایی (در شمال مرز شرقی) و درگهان (در جنوب مرز شرقی) این مرز آماده شود شکل (9). مطلب دیگر اینکه، بر اساس تجربه، از اجراهای متعدد مشخص شد درصورتی‌که مرز شرقی بین بندر شهید رجایی و درگهان با جزرومد متغیر در نظر گرفته شود (یعنی در فایل ورودی مشخصات مرز شرقی به‌صورت متغیر در زمان و در طول مرز تعریف شود)، عدم تطابق‌ مدل بیشتر خواهد شد. بنابراین با توجه به مطالب پیش‌گفته، مرز شرقی حدفاصل بندر شهید رجایی در شمال و درگهان در جنوب به‌صورت متغیر در زمان و ثابت در طول مرز تعریف شد. که باعث بیشترین تطابق در خروجی‌های مدل با داده­های اندازه­گیری شد؛ و در مرز غربی نیز ایستگاه باسعیدو انتخاب گردید که در آن ایستگاه هم داده­های اندازه‌گیری موجود است. در این نقاط باوجود داده­های اندازه‌گیری شده و توانایی تولید 30 مؤلفه جزرومدی، شبیه‌سازی جزرومد در هر زمان دلخواه امکان‌پذیر است.

شکل (9): محدوده موردمطالعه در مدل نهایی

با توجه به نتایج به‌دست‌آمده، جهت سنجش عملکرد شبیه‌سازی انجام‌شده، در 2 نقطه مقادیر خروجی­های مدل با مقادیر اندازه‌گیری شده مقایسه شد. نقطه اول در ایستگاه پهل و در بازه زمانی 10/8/1388 تا 7/9/1388 و نقطه دوم در بازه زمانی 29/1/1389 تا 23/2/1389 در ایستگاه لافت واقع است. در نقطه اول اندازه‌گیری تغییرات سطح آب و در نقطه دوم سرعت جریان و همین‌طور جهت جریان با خروجی­های مدل مقایسه شد. پارامترهای دیگری که به‌منظور تطبیق هرچه بیشتر نتایج شبیه‌سازی با داده­های اندازه­گیری شده، بررسی شد، پارامترهای قابل‌تغییر لزجت گردابی و زبری بستر بود، که مشخص شد مدل نسبت به تغییر لزجت گردابی حساسیت ندارد.

3-5- درستی‌سنجی مدل

در ادامه جهت سنجش عملکرد صحیح مدل با استفاده از شاخص­های آماری، خروجی­های مدل با داده­های اندازه­گیری مقایسه شده است. در این مطالعات از 4 شاخص آماری، جذر متوسط مربع خطاها RMSE، شاخص پراکندگی SI، پارامتر انحراف (شاخص اریبی) Bias و همین‌طور  استفاده شده است. همان‌طور که در جدول (6 ) ملاحظه می­گردد این مطالعات ازنظر شاخص­های فوق نیز در حد بسیار مطلوب است به‌طوریکه شاخص  در ایستگاه پهل برای مقایسه ارتفاع سطح آب در جزرومد معادل 957/0 و شاخص Bias در ایستگاه لافت  برای مقایسه سرعت جریان صفر گردیده است. (نمودار شاخص­های پیش‌گفته در  اشکال (10) تا (13) آورده شده است).

جدول (6): شاخص­های آماری بکار رفته در درستی‌سنجی مدل

شکل (10): شاخص  برای ارتفاع سطح آب در ایستگاه پهل

شکل (11): شاخص  برای سرعت جریان در ایستگاه لافت

شکل (12): شاخص  برای جهت جریان در ایستگاه لافت

در ادامه شبیه­سازی عددی جریان­های جزرومدی در تنگه خوران شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود بین داده‌های اندازه‌گیری شدۀ سطح آب در ایستگاه پهل و داده‌های خروجی مدل تطابق بسیار خوبی برقرار است. در ایستگاه لافت که محل اندازه‌گیری سرعت جریان است، نیز اگرچه این تطابق به‌اندازه مقایسه انجام‌شده در تراز سطح آب ایدئال نیست ولی کاملاً مطلوب و قابل‌اعتماد است زیرا همان‌طور که تجربه نشان داده، به دلیل دقت کمتر دستگاه‌های اندازه­گیری سرعت و همین‌طور تأثیرپذیری شدید سرعت جریان از عوامل محیطی معمولاً شبیه‌سازی‌های سرعت جریان به‌دقت شبیه‌سازی‌های انجام‌شده در تراز سطح آب نیست. چنانچه در نمودار پراکندگی سرعت جریان در شکل (6) مربوط به ایستگاه لافت دیده می­شود در سرعت­های پایین (کمتر از حدود 3/0 متر بر ثانیه) ناهمخوانی بیشتری بین نتایج شبیه­سازی و مقادیر اندازه­گیری دیده می­شود. این موضوع می­تواند به دلیل خطای دستگاه‌های اندازه­گیری در ثبت مقادیر کوچک باشد.

4- بحث و نتیجه‌گیری

4-1- تولید انرژی

استحصال انرژی جریان­های جزرومدی کاربرد نسبتاً نوینی از علم هیدرودینامیک را معرفی می­نماید. دورنمای قابلیت جزرومد در تولید انرژی، از یک‌سو و عطش بشر برای یافتن منابع نوین انرژی که از دغدغه عدم‌کفایت روند تولید انرژی برای تقاضای آینده، سرچشمه گرفته، از سوی دیگر، دلیل خوبی برای انجام این مطالعات بوده است. استحصال انرژی آن‌گونه که تاکنون بیشترین رواج را داشته مبتنی بر روشی بوده که با محبوس کردن آب درخور به هنگام مد و سپس تخلیه آن از کانالی که توربین در آن جاسازی‌شده انجام‌گرفته است (استفاده از پتانسیل ارتفاع آب). آسیب­های زیست‌محیطی ناشی از این روش، باعث نشده استفاده‌کنندگان از این منبع مهم انرژی چشم­پوشی کنند، بنابراین دانشمندان علم هیدرودینامیک بر آن شدند تا قابلیت مهم سرعت جریان­های جزرومدی در تولید انرژی را پیشنهاد دهند. در این بخش از مطالعات با توجه به همین رویکرد و با اهتمام به دستورالعمل (ارزیابی منابع انرژی جزرومدی)[5] مرکز انرژی‌های دریایی اروپا (EMEC) در قالب «راهنمای استحصال انرژی­های تجدیدپذیر دریایی» در سال 2009 انتشاریافته، به شرح عناوین زیر، محاسبه انرژی در تنگه خوران بررسی شده است. مراحل اجرای این بخش از مطالعات به شکل زیر تقسیم‌بندی می‌شود.

1) با توجه به نتایج به‌دست‌آمده در فصل شبیه­سازی بهترین محدوده­های مستعد استحصال انرژی انتخاب می­گردد.

 2) چند محدوده نمونه بر اساس ویژگی­های هندسی و هیدرودینامیکی انتخاب‌شده و در هر محدوده توزیع فراوانی سرعت (  محاسبه می‌شود. سپس بهترین محدوده ­از میان محدوده­های انتخاب‌شده، برگزیده می­گردد.

 3) برای هر محدوده میانگین چگالی نیرو[6] محاسبه می‌شود.

4 ) کل انرژی موجود در مقطع محاسبه شده و سپس انرژی قابل استحصال توسط یک توربین به دست می­آید.

 5) انرژی قابل‌تولید سالیانه[7] برای یک دستگاه توربین محاسبه می­شود.

ازآنجاکه رعایت موازین آئین‌نامه‌ای الزامی است. اشاره به برخی از این موازین، طراحی نیروگاه به شرح زیر مناسب است (2009,EMEC). برای نصب این توربین­ها، که با نام اختصاریTECSشناخته می­شوند، لازم است از تاج توربین تا سطح آزاد آبحداقل 5 متر فاصله آزاد وجود داشته باشد و همین‌طور فاصله بستر دریا با زیر این توربین­ها باید حداقل 5 متر یا 25% عمق آب (بر اساس LAT) ـ هرکدام بیشتر است ـ باشد. فاصله جانبی مرکز تا مرکز توربین­ها نیز حداقل 5/2 برابر قطر «روتور» و فاصله طولی آنها نیز حداقل 10 برابر قطر «روتور» در نظر گرفته می­شود.

4-2- انتخاب مقاطع نمونه

 با حصول اطمینان از عملکرد مناسب مدل ساخته‌شده، پیش‌بینی ارتفاع سطح آب و سرعت جریان در هر نقطه‌ای از محدوده موردمطالعه، امکان‌پذیر است. بر اساس داده­های دریافت شده از خروجی­های مدل، سرعت جریان در شرق باریک‌ترین پهنه موردمطالعه (کانال حدفاصل بندر پهل در سرزمین اصلی و بندر لافت در جزیره قشم) از مقدار بیشتری برخوردار است. دونقطه که دارای بیشترین پتانسیل استحصال انرژی می­باشند به ترتیب زیر برگزیده شد و در بخش استحصال انرژی به قابلیت تولید انرژی در آن نقاط پرداخته شد. مشخصات این دونقطه به شرح زیر است.

1) همان­طور که در شکل (13) مشخص است ناحیه­ای که در طول جغرافیای 773377/55 و عرض جغرافیایی 959283/26 با عمق 3/16- واقع‌شده دارای بیشترین سرعت جریان، در حدود 6/1 متر بر ثانیه و میانگین سرعت جریان در حدود 85/0 متر بر ثانیه است. این ناحیه به‌عنوان ناحیه برگزیده با بیشترین احتمال وقوع سرعت معرفی می­گردد.

2) ناحیه دوم در غرب نقطه اول و در باریک‌ترین پهنه تنگه در طول جغرافیایی 746801/55 و عرض جغرافیایی 960514/26 و در عمق 5/31- متری واقع شده است. با بیشترین سرعت جریانی در حدود 41/1 متر بر ثانیه به‌عنوان ناحیه برگزیده با عمق مناسب جهت نصب توربین معرفی شده است.

جهت جریان ازآن‌رو دارای اهمیت ویژه‌ای است که جهت نصب دستگاه­های تولید انرژی را تعیین می­کند. زیرا دستگاه­هایی که تولید انرژی در آنها بر مبنای گردش روتور است، بهترین بازدهی را در شرایطی خواهند داشت که جریان در راستای محور توربین برقرار باشد.اطلاعات سطح آب در محدوده جغرافیایی و در بازه زمانی مدل‌سازی به جهت در نظر گرفتن رواداری کافی بین تاج توربین و سطح آزاد آب در تصمیم‌گیری برای محل نصب توربین­ها مهم است.

الف

ب

ج

شکل (13): به ترتیب از بالا به پایین بیانگر: الف- کم­ترین سرعت جریان، ب- میانگین سرعت جریان و ج- بیش‌ترین سرعت جریان در هر نقطه از محدوده جغرافیای و در بازه زمانی مدل‌سازی است.

4-3- مشخصات سرعت جریان در مقاطع نمونه

 ازآنجاکه عامل تولید انرژی سرعت جریان است، بنابراین از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. در بخش گذشته دو ناحیه که دارای پتانسیل ویژه در محدوده موردمطالعه بودند انتخاب شدند. ناحیه اول، دارای عمق کم (در حدود 16 متر) ولی از بیشترین سرعت جریان در محدوده موردمطالعه برخوردار بود. ناحیه دوم از عمق مناسب (حدود 31 متر) برخوردار بود و سرعت جریان در آن مقدار قابل قبولی داشت. دلیل انتخاب ناحیه دوم آن است که در بین نواحی دارای عمق مناسب بیشترین سرعت جریان را دارد. در ادامه، این دو ناحیه به‌صورت جزئی‌تر بررسی می‌شود، درنهایت بهترین ناحیه بین این دو برگزیده خواهد شد. شکل (14) ناحیه اول با عنوان «ناحیه با بیش‌ترین سرعت جریان» و شکل (15) ناحیه دوم را با عنوان «ناحیه کارا» نشان می­دهد.

شکل (14) محل وقوع بیش‌ترین سرعت جریان بر اساس خروجی مدل

شکل (15) محل دارای عمق و سرعت مناسب در غرب محل اول

برای شروع این مقایسه، هیستوگرام سرعت در هر دو ناحیه رسم می­گردد. این هیستوگرام که درواقع، درصد زمان‌های وقوع سرعت­های مختلف است، با   نمایش داده شده است. برای تهیه نمودار   به‌طور استاندارد،  در عرض هرکدام از نواحی، یک مقطع انتخاب می­گردد و در طول هر مقطع سه‌نقطه مشخص می­شود. سپس خروجی سرعت جریان، در هر 10 دقیقه و در مدت تقریبی یک ماه برای سه‌نقطه انتخاب‌شده در مقطع، استخراج‌شده و در هر 10 دقیقه میانگین سرعت این سه‌نقطه محاسبه می­گردد. این سرعت میانگین که برای هر 10 دقیقه محاسبه‌شده به‌عنوان توزیع سرعت ناحیه انتخاب‌شده در نظر گرفته می­شود. در ادامه درصد وقوع سرعت­های مختلف به ازای گام­های 1/0متر بر ثانیه تعیین و سپس نمودار پراکندگی آن رسم می­گردد. جدول (7 ) و شکل (16) توزیع سرعت را بر اساس توضیحات فوق نشان می­دهند. همان‌طور که ملاحظه می­گردد، مساحت زیر نمودار شکل (16) نسبت مستقیمی با APD مقطع مورد مطالعه دارد. هردو نمودار قرمز و آبی تا حدود سرعت 5/0 متر بر ثانیه تقریباً بر هم منطبق هستند. و در سرعت­های بالاتر مشاهده می­گردد علی‌رغم آنکه دامنه نمودار قرمز به سمت سرعت­های بالای نمودار کشیده شده ولی قله نمودار آبی به سمت f(ui) های بیشتر افراشته شده و هردو نمودار قرمز و آبی مساحت­های تقریباً یکسانی را در زیر خود محاط کرده­اند. بنابراین تأکید می­گردد که بیشترین رکورد سرعت جریان به‌تنهایی، APD بیشتری تولید نمی­کند و فراوانی سرعت جریان بالا عامل مهم در تولید انرژی است.

جدول (7) توزیع سرعت

شکل (16) نمودار توزیع سرعت برای دونقطه برگزیده

4-4- میانگین چگالی نیرو

 میانگین چگالی نیرو که با APDمعرفی می­گردد، در واحد سطح مقطع در نظر گرفته‌شده و بر اساس معادله زیر محاسبه می­شود (Marine Renewable Energy Guide) " (2009,EMEC).

 APD= . . )     (kw/ ) ( 1)                                                      

میانگین چگالی نیرو به‌طور مستقیم و دقیق­تر به‌وسیله سری زمانی به‌دست‌آمده از خروجی مدل در محل موردمطالعه از معادله زیر به دست می­آید.(Marine Renewable Energy Guide) " (2009,EMEC):

APD= . .ρ. )       (kw/ )               (2)                                                                 

بر اساس معادله فوق و با استفاده از خروجی­های مدل در نقاط برگزیده با در نظر گرفتن ρ = 1مقدار APD برابر است با:

=0.5*1*3003.418/4000

 = 0.375 (kw/ )

عدد 418 /3003 مجموع مکعب سرعت­ها در ناحیه اول، عدد 4000 تعداد گام­های استخراج‌شده از خروجی مدل که در هر 10 دقیقه و در حدود 28 روز انجام شده است.

=0.5*1*2413.612/4000

 = 0.301 (kw/ )

عدد 612/2413 مجموع مکعب سرعت­ها در ناحیه دوم است.

4-5- انرژی موجود در مقطع

 انرژی موجود در هر مقطع از روش فلاکس به دست می­آید. این روش مبتنی است بر محاسبه انرژی جنبشی در سطح مقطع و مقدار آن برابر است با حاصل‌ضرب APD به‌دست‌آمده در کل سطح مقطع موردنظر:

= APD. .    (kw)   

APD= average power density(kw/ )

= depth of  the cell (m)

= with of the cell (m)

با توجه به انتخاب دو ناحیه، فلاکس انرژی برای هر دو ناحیه محاسبه می­گردد. ازآنجاکه مقایسه این دو مقطع نیز مدنظر است به جهت برآورد مناسب، کمترین عرض مقطع بین دو ناحیه، که مربوط به ناحیه اول (ناحیه دارای بیشترین سرعت جریان) است در محاسبات منظور گردیده است. به‌عبارت‌دیگر برای هردو ناحیه یک عرض در نظر گرفته شده است.

برای ناحیه اول با عمق حدود 16 متری محل موردمطالعه و عرضحدود 375 متری محل، P_flux از رابطه زیر به دست می­آید. شکل (17) عرض ناحیه اول را نشان می­دهد.

= 0.375*16*375

=2250  kw

شکل (17): پهنای ناحیه اول (منطقه با سرعت جریان بالاتر)

و برای ناحیه دوم با توجه به عمق 5/30 متری و با عرض مشابه (به جهت مقایسه، عرض‌ها مشابه در نظر گرفته‌شده، درحالی‌که پهنای این ناحیه چندین برابر بیشتر است). انرژی موجود در مقطع به‌صورت زیر محاسبه می­شود.

= 0.301*30.5*375

=3442  kw

ملاحظه می­گردد که بالا بودن APD ملاک مناسبی برای قضاوت در رابطه با تولید انرژی نیست و عوامل عرض و عمق نیز باید در کنار ملاک APD مبنای قضاوت قرار گیرند.

4-6- انرژی قابل استحصال

با توجه به اطلاعات جامع به‌دست‌آمده اکنون با توجه به دستورالعمل کاربردی «انرژی­های تجدید پذیر دریایی MarineRenewable Energy Guide) »(2009,EMEC) اقدام به احداث یک نیروگاه استحصال انرژی نمونه می­گردد. همان‌طور که مشخص است پارامترهای زیادی در عدم حصول کامل تمام فلاکس انرژی به انرژی قابل بهره­برداری وجود دارد، از آن جمله به راندمان TECS ها می‌توان اشاره کرد. هم‌محور بودن دقیق جهت جریان با روتورها، تأثیرات خارجی مؤثر بر جریان، عدم توانایی استفاده از تمامی سطح مقطع عمود برجهت جریان و عدم قطعیت‌های دیگر نام برد. ازآنجاکه در این مطالعات از ابتدا سعی بر کاربردی بودن خروجی‌ها بوده، لازم است برای اثبات این ادعا، نمونۀ کاملی با در نظر گرفتن تمام عدم قطعیت­های متصور طراحی کرد. توضیحات زیر و جداول (8) و (9) روند طراحی را روشن کرده است.

 1) در محل موردنظر جهت نصب نیروگاه استحصال انرژی، سه‌نقطه در نظر گرفته شد و میانگین سرعت این نقاط، سرعت مبنای محاسبات قرارگرفت.

2) ازآنجاکه قطر توربین­های رایج در حدود 20 متر است، با توجه به موارد ذکرشده در بخش تولید انرژی (فاصله 5 متری آزاد از روی تاج توربین تا سطح آب و فاصله­های آزاد ذکرشده از کف توربین تا بستر دریا و...)، برای جانمایی مکان موردنظر به‌ناچار از نقطه دوم در نظر گرفته‌شده استفاده می‌شود. این نقطه اگرچه دارای بهترین سرعت جریان نیست ولی با توجه به وسعت مکانی جریان با سرعت مناسب، موقعیت مناسبی برای احداث یک نیروگاه استحصال انرژی است.

3) TECS انتخاب‌شده در این نمونه یک توربین با قطر 19 متر فرض می­شود؛ بنابراین مساحت مقطع دستگاه برابر 5/283 مترمربع است. با توجه به توضیحات بند 2 ملاحظه می‌شود که فقط در ناحیه دوم (Efficient zone) قابلیت نصب نیروگاه وجود دارد.

4) بالاترین سرعتی که در طراحی در نظر گرفته می­شود 71% بیشترین سرعت خروجی مدل در محل مورد نظر است. ازآنجاکه میانگین بالاترین سرعت در ناحیه Efficient zone برابر 414/1 است، بالاترین سرعت در نظر گرفته‌شده در طراحی از حاصل‌ضرب 71/0 در عدد 414/1 برابر 005/1 حاصل می­گردد.

5) بر اساس دستورالعمل ذکرشده  (راندمان دستگاه‌های TECS در سرعت‌های زیر 5/0 متر بر ثانیه برابر صفر در نظر گرفته می­شود و برای سرعت‌های برابر 5/0 متر بر ثانیه و  بیش از آن، راندمان موردنظر از 38% شروع و به‌طور پله‌ای با نرخ 1% افزایش پیدا نموده و حداکثر این راندمان برابر 45%  در بالاترین سرعت طراحی در نظر گرفته می_­شود. (بالاترین سرعت طراحی دربند 4 تعریف شده است.) در طراحی ناحیه موردنظر در این مطالعات ازآنجاکه بالاترین سرعت طراحی 005/1 است، با رجوع به جدول 8 ملاحظه می­گردد که بیشترین  به 43% محدود می­گردد.

6) برای هر گام یک ضریب کاهنده دیگر با نام "راندمان میانگین قطار نیرو" که با  نمایش داده می­شود، لحاظ می­گردد که مقدار آن 90% است. ضریب کاهنده 9/. در ستون آخر جدول 8 اعمال گردیده است.

7) نیروی استحصالی در نظر گرفته‌شده برای هر توربین، در هر گام سرعت (گام­های سرعت 1/0 متر بر ثانیه تعریف شده است) از رابطه Pav(i)= .ρ.A.   تعیین می­گردد. اندیس i نشان‌دهنده گام سرعت مشخصه است. (ستون دوم جدول (8 ) )

شکل (18) مقایسه مشهودی از پتانسیل توان مقطع و توان قابل استحصال ارائه می­کند.

جدول (8) محاسبه توان الکتریکی در هر گام سرعت

شکل (18) مقایسه پتانسیل توان در تمام مقطع (ستون 2 جدول (8 ) و توان قابل استحصال (ستون 4 جدول  ( 8)

 8) برای به دست آوردن توان الکتریکی متوسط سالانه از رابطه   =     استفاده می­گردد.

9) درنهایت برای محاسبه انرژی تولیدشده سالیانه  از رابطه AEP=8760. .  استفاده می­گردد. در این معادله  از جمع ستون آخر جدول(9 ) و عدد 8760 مجموع ساعات یک سال و    که بر اساس درصد است، ضریب در اختیار بودن توربین را بیان می­کند که به ساعات خارج از سرویس بودن یک دستگاه به دلایل تعمیر نگهداری و مواردی ازاین‌دست مربوط است.

جدول (9 ) محاسبه توان الکتریکی متوسط

انرژی تولیدشده سالیانه توسط یک دستگاه TECS:

                                                                                              AEP=8760*30.086

                                                                                           (Kw) AEP=263553

این مطالعات جنبه­های بارزی نسبت به دیگر مطالعات انجام‌شده در این رابطه دارد که به شرح زیر دسته­بندی می­شود:

1) در بعد استحصال انرژی در ایران اولین مطالعاتی ازاین‌دست است که به تولید انرژی مبتنی بر آخرین دستورالعمل­های صادرشده در اروپا با دقت و اعمال کلیه ضرایب کاهنده پرداخته است.

2) در بعد برپاسازی مدل، تلاش شد که بیشترین دقت ممکن در آن بکار گرفته شود. به‌طوری‌که در محدوده مطالعاتی موردنظر بیش از 980 هزار نقطه هیدرو گرافی شده به‌عنوان ورودی به مدل داده شده است. نگارنده مدل دیگری را با این چگالی نقاط هیدرگرافی­شده تا این تاریخ سراغ ندارد.

3) این مطالعات تنها مطالعاتی در ایران بوده که مناسب­ترین نقطه را در یک محدوده مطالعاتی جهت استحصال انرژی برمی­گزیند. دیگر مطالعات انجام‌شده معمولاً بر مبنای سرعت جریان در محدوده موردمطالعه تصمیم‌گیری نموده است و پارامترهای عمق و سرعت نقطه‌به‌نقطه بررسی نشده است.

5- نتیجه‌گیری

1) درروند مطالعات مشخص شد که مؤلفه‌های جزرومدی ارائه‌شده از سوی سازمان نقشه‌برداری برای مدل‌سازی، تصمیم‌گیری و مواردی ازاین‌دست کافی نیست و لااقل مؤلفه N2 که توسط سازمان ارائه نمی‌شود به‌اندازه مؤلفه O1 ایفای نقش می­کند.

2) همان‌طور که گفته شد بیشتر بودن سرعت جریان­های رکورد شده به‌تنهایی، به مفهوم داشتن APD بیشتر نیست و فراوانی سرعت جریان‌های بالا، عامل مهم در تولید انرژی است.

3) این مطالعات نشان می­دهد که صرف استفاده از فرمول APD که در واحد سطح اعمال می­گردد:

APD= . .ρ. )       (kw/ )

و مبنای قضاوت استحصال انرژی در پایان­نامه­ها قرارگرفته مبنای ناقصی است. زیرا بر اساس این فرمول بدون در نظر گرفتن شرایط عرض و عمق محل، ممکن است نتایج غیرعملی حاصل گردد. بنابراین باید از فرمول کامل شده    استفاده نمود:

= APD. .    (kw)

4) انرژی تولیدشده از یک دستگاه معادل:

AEP=263553

به دست آمد، با توجه به عرض محدوده و قطر دستگاه، با احتساب فاصله 5/2 برابر قطر توربین مابین هر دستگاه، قابلیت طراحی یک نیروگاه با حداقل 7 توربین در عرض و در 2 ردیف، توان تولیدی سالانه برابر است با:

= 263553  * 14

= 3689742   (Kw)

که حتی با احتساب 50%=  مقدار توان تولیدی برابر یک هزار و هشت‌صد و پنجاه مگاوات ارزیابی می­گردد. تولید این مقدار انرژی فوق­العاده ایدئال است و مقادیر بسیار کمتر از این، دولت­های پیشرو را به احداث چنین نیروگاه‌هایی ترغیب کرده است. 

این مقدار انرژی تولیدی مرهون فناوری جدید استحصال انرژی در کانال­های باز است. این توان در مقایسه با بیش‌ترین نیروگاه‌های که تاکنون با روش حوضچه­های بسته ساخته‌شده هم بالاتر است و هم با محیط‌زیست سازگارتر است.