1- مقدمه

در سراسر دنیا، تحقیقات پیرامون فناوری‌های مرتبط با انرژی‌های نو دنبال می‌شود. گرچه، انرژی باد به عنوان مهم‌ترین منبع جدید انرژی شناخته می‌شود، اما بررسی‌ها در مورد دیگر روش‌های استحصال انرژی پیوسته انجام می‌گردد. در سال‌های اخیر، انرژی جنبشی جریان‌ آب اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها و تالاب‌ها به عنوان منبع انرژی سازگار با محیط‌زیست و قابل پیش‌بینی مورد توجه قرار گرفته است. جریان‌های جزرومدی به عنوان یک گزینه بالقوه برای استحصال انرژی تجدیدپذیر و پاک شناخته شده است. به‌علاوه، بر خلاف بسیاری دیگر از منابع تجدیدپذیر، انرژی جزرومد به نظر بسیار قابل پیش‌بینی می‌باشد. این‌گونه پیش‌بینی می‌شود که انرژی بالقوه جزرومدی موجود در کل جهان چیزی در حدود 3 ترا وات^[1] است که یک ترا وات از این مقدار، در محل‌هایی در دسترس قرار دارد که می‌توان در آنها تجهیزات استحصال انرژی را نصب کرد (Hall, 2012).

بخش انرژی ایران عمدتاً وابسته به نفت خام و گاز طبیعی است. جدول (1) سهم 99 درصدی نفت و گاز را در تأمین انرژی کشور نشان می‌دهد. با توجه به روند کاهشی ذخایر سوخت فسیلی، دولت تصمیم گرفته است مصرف انرژی خصوصاً در بخش‌های خانگی و تجاری را کنترل و کاهش دهد. در سال‌های اخیر، دولت ایران توجه خاصی به استفاده از دیگر انواع انرژی، خصوصاً انرژی تجدیدپذیر، نشان داده است (Mohammadnejad and et al., 2011). ایران با داشتن ظرفیت تولید برق 70 گیگاواتی، پتانسیل عظیمی در زمینة انرژی‌های تجدیدپذیر دارد. دولت ایران قصد دارد ظرفیت تولید انرژی‌های تجدیدپذیر را تا سال 2020 به 5 گیگاوات برساند که حدود 5% کل تولید برق سالانة این کشور خواهد بود (تسنیم؛ 1395).

کشور ایران با داشتن جمعیت 78 میلیون نفری و مساحتی بالغ بر 1.648.000 مترمربع، دارای سرانه تولید برق 3394 کیلووات ساعت به ازای هر نفر (میانگین جهانی 2800 کیلووات ساعت به ازای هر نفر) می‌باشد که به طور میانگین از رشد سالانة 5.9 درصدی برخوردار است^[2] (Tavanir Holding Company, 2014). تعداد نیروگاه‌های فعال سیکل ترکیبی، حرارتی، آبی، بادی و گازی ایران به ترتیب 18، 19، 44، 2 و 32 می‌باشد که ظرفیت تولید آنها حدود 70 گیگاوات می‌باشد. با در نظر گرفتن رشد 8 درصدی تقاضای الکتریسیته، انتظار می‌رود انرژی الکتریکی موردنیاز کشور در سال 2025 به رقم 195 گیگاوات برسد (Rashid, 2012). با تمام این تفاسیر، با توجه به رشد فزایندة تقاضای انرژی و کاهش منابع رایج و سنتی انرژی در ایران، می‌توان دریافت که در 15 تا 20 سال آینده رویکرد این کشور به سمت استفاده از دیگر منابع انرژی، خصوصاً منابع تجدیدپذیر خواهد بود.

جدول (1): سهم انواع مختلف انرژی از میزان کل تأمین انرژی کشور

در ادامه، ابتدا مفاهیم اولیة استحصال انرژی جزرومد و روابط مربوطه مطرح می‌شود و سپس، متدولوژی مشخصی برای انتخاب چینش بررسی و معرفی می‌شود و دست‌آخر، مطالب جمع‌بندی و نتیجه‌گیری ارائه می‌گردد.

1-1- مروری بر ادبیات فنی

1-1-1- مفاهیم استحصال انرژی از جزرومد

جزرومد، ناشی از اثرات گرانشی خورشید و ماه بر روی آب‌های سطح زمین می‌باشد. حرکت خورشید و ماه نسبت به زمین، باعث صعود و نزول بدنة عظیمی از آب‌های سطح زمین می‌شود. هر چند استحصال انرژی از جریان‌های جزرومدی شباهت بسیاری به استحصال انرژی باد دارد، ولی کاربرد هیدرودینامیک، چالش‌های جدیدی را برمی‌انگیزد و ملاحظات فیزیکی متفاوتی را دربر می‌گیرد. صنعت انرژی جزرومد هنوز در ابتدای راه خود قرار دارد، حال‌آنکه صنعت استحصال انرژی باد از نزدیک به سه دهه پیش شکل گرفته و تا به امروز پیشرفت‌های بسیاری داشته است. طبعاً پیش از اینکه تجهیزات گوناگون نصب شود و اجازة استحصال این نوع از انرژی را پیدا کند، ابتدا باید تحقیقات بیشتری پیرامون شناخت بهترین الگوها برای جذب انرژی هیدروسینتیک دریا صورت گیرد؛ به‌گونه‌ای که روش مذکور بهینه باشد و کمترین هزینة اقتصادی و زیست‌محیطی را در پی داشته باشد.

1-1-2- معادلات و روابط حاکم در جزرومد

انرژی جنبشی جریان:

انرژی جنبشی حاصل از جریان‌های جزرومدی از رابطة (1) به دست می‌آید:

که در این رابطه ρ چگالی سیال (آب دریا)، A مساحت مقطع عرضی جریان عبوری و V سرعت سیال (جریان جزرومد) می‌باشد. نکته جالب اینجاست که با وجود سرعت متوسط کمتر جزرومد (2 تا 3 متر بر ثانیه) نسبت به سرعت باد (12 متر بر ثانیه)، از آنجا که آب 850 برابر چگال‌تر از هوا می‌باشد باعث می‌شود که پتانسیل قابل ملاحظه‌ای برای استحصال انرژی حتی در سرعت‌های پایین داشته باشد.

بازده:

فرض کنید از مساحت مقطع عرضی A، جریانی با سرعت V عبور می‌کند. حجم جریان عبوری در مدت زمانی مشخص، فلاکس حجمی، Q، نامیده می‌شود که برابر است با:

و چگالی جرمی برابر خواهد بود با:

رابطه (4) کل انرژی موجود در جزرومد را به‌دست می‌دهد. اگر دستگاه در تئوری، کل انرژی را دریافت می‌کرد، آنگاه جریان متوقف می‌شد که امکان‌پذیر نیست و به همین دلیل ضریب انرژی C_p تعریف می‌شود تا نسبت انرژی جذب‌شده توسط دستگاه را بیان کند:

بر مبنای تحقیقات بتز^[3] مشخص شد که مقدار بازده کل هیچ‌گاه نمی‌تواند از مقدار حداکثر C_P,max= 0/59 تجاوز کند (Carcangiu, 2008). در ارتباط با اصطلاح بازده در فرآیند بهینه‌سازی آرایش توربین‌ها، مهم این است که چه میزان فلاکس انرژی جنبشی از موقعیت مشخصی عبور می‌کند (بازده جانمایی آرایش) و هر دستگاه چگونه به صورت بهینه قادر به استحصال انرژی از انرژی جنبشی موجود در آن موقعیت خواهد بود (بازده محلی). برای تعریف بازده محلی نیاز به کمّی‌سازی فلاکس انرژی جنبشی ورودی به صفحه هر روتور (P_avail) داریم. این فلاکس بر مبنای سرعت متوسط‌گیری‌شده در صفحه‌ای هم‌مساحت با مساحت جاروب‌شده توسط روتور و در فاصله بالادست 2R (V_local) محاسبه می‌شود. فاصله 2R به این دلیل انتخاب شده است که بررسی ها نشان داده تقریباً در این فاصله سرعت میان‌گیری‌شده محلی با سرعت متوسط جریان آشفته‌نشده برابر خواهد شد (Mozafari, 2014).

1-1-3- نسبت سرعت نوک پره

نسبت سرعت نوک پره^[4] (TSR) یکی از پارامترهای کلیدی در مطالعة توربین‌های هیدروسینتیک است؛ عمدتاً به این دلیل که تأثیر مستقیم روی توزیع زاویه برخورد (AoA) در طول پره دارد (Serre, 2013). تعریف TSR به‌صورت زیر است:

در اینجا  سرعت زاویه‌ای در نوک پره (R شعاع است) و   سرعت جریان آزاد است.

می‌توان نسبت محلی  به‌ گونه‌ای در نظر گرفت که در آن r فاصله از هاب باشد. برای مقدار مشخصی از TSR، دامنة مقادیری که این نسبت در طول پره اختیار می‌کند به‌ خوبی مشخص می‌باشد (تنها r تغییر می‌کند). این نسبت به‌صورت زیر در رابطه AoA ظاهر می‌شود:

که  نشان‌دهندة پیچش^[5] است و از ریشه تا نوک تغییر می‌کند و  گام پره^[6] می‌باشد. در شکل (1)، زاویه بین جهت جریان و صفحه دوار برابر است با:

شکل (1): صفحه پره (نمایش زوایای مختلف موجود در صفحه)

اگر TSR کاهش یابد، نسبت  به‌صورت کلی افزایش می‌یابد و در نتیجه تلاقی جریان (و AoA) نیز افزایش خواهد یافت. افزایش TSR می‌تواند مناسب باشد زیرا AoA و در نتیجه ضریب لیفت را افزایش می‌دهد. ولی این مورد تا زمانی درست است که AoA به مقدار بحرانی خود نرسیده باشد. نقطة بحرانی جایی است که جدایی از پره اتفاق می‌افتد. رخداد این پدیده در ریشه بیش از همه محتمل است زیرا در اینجا بزرگ‌ترین مقادیر AoA متمرکز می‌شوند.

طبق رابطه AoA، تلاقی زیاد بین جهت جریان و صفحه روتور ( ) می‌تواند توسط مقادیر بزرگ‌تر گام پره ( ) جبران شود. افزایش گام، هنگامی‌که TSR در حال کاهش است باعث می‌شود که مقادیر بزرگ AoA و در نتیجه جدایی اتفاق نیافتد.

1-1-4- مدل VBM [7]

VBM این قابلیت را در ANSYS FLUENT فعال می‌کند که انرژی استحصال‌شده از هر توربین و میدان جریان متعاقب آن را محاسبه و شبیه‌سازی کند. مدل VBM، پیاده‌سازی تئوری BEM [8] از طریق نرم‌افزار ANSYS FLUENT صورت می‌پذیر که ابتدا توسط زری و راجاگوپلان (Zori and Rajagopalan, 1995)، به دلیل کاربردهای آن در روتورهای هلیکوپتر توسعه داده شد (‍Cerisola, 2012) ئ اثر پره‌های چرخنده روی سیال را با اعمال یک نیروی حجمی بر دیسک سیال، شبیه‌سازی می‌کند. دیسک سیال، همان مساحت جاروب‌شده سیال توسط توربین می‌باشد. مقدار این نیروی حجمی از طریق میان‌گیری زمانی نیروهای محاسبه‌شده توسط BEM در یک سیکل انجام می‌شود. مدل BEM پیچیدگی کمتری نسبت به مدل‌های مشابه از قبیل SRF دارد و در نتیجه دارای هزینه محاسباتی کمتری می‌باشد. این مدل بر اساس تئوری المان پره^[9] است. در این تئوری، پره‌های چرخنده توربین به وسیله دیسکی کامل مدل می‌شود که فرآیند مش‌زنی بسیار ساده‌تری نسبت به هندسه کامل پره دارد.

2- تجزیه و تحلیل داده‌ها

در این مطالعه، توربین مدل DOE RM1 که توسط آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر آمریکا توسعه داده شده است، استفاده شد. هدف از ارائه این مدل، یکسان‌سازی و همگام‌کردن مطالعات انرژی جزرومد در سراسر جهان و ارائه مدلی واحد برای این معادلات می‌باشد. بر اساس مطالعات انجام‌شده در پژوهشکده انرژی دانشگاه واشنگتن (Mozafari, 2010)، در شکل (2) اطلاعات حاصل از 60 شبیه‌سازی مختلف با استفاده از پیکربندی‌های متنوع توربین‌ها برای بررسی اثر فواصل روی بازده توربین نشاده داده شده است. نتایج نشان می‌دهد که انرژی استخراج‌شده به وسیله توربین، با فلاکس محلی انرژی جنبشی رابطه خطی دارد. اینکه تمامی اطلاعات در راستای شیب یکسانی قرار گرفته‌اند به این مفهوم است که صرف نظر از موقعیت آنها در چینش مورد نظر، بازده محلی تمام توربین‌ها ثابت است. مقدار این بازده برای توربین موردمطالعه برابر 22% است. گرچه این نتیجه مفهوم فیزیکی ندارد اما می‌تواند به میزان قابل‌توجهی از هزینه محاسباتی بکاهد. بازده محلی ثابت این امکان را می‌دهد که بدون نیاز به تعداد شبیه‌سازی‌های بالا برای یافتن تمامی موقعیت‌های محتمل توربین‌های پایین‌دست، موقعیت مناسب را تنها بر مبنای میدان جریان پشت توربین‌های بالادست تعیین کنیم. برای درک اهمیت این قابلیت، توجه به این نکته حائز اهمیت است که مدل SRF محدود به شبیه‌سازی آرایش‌های هم‌محور است و زمان مورد نیاز برای شبیه‌سازی آرایش‌های حتی کوچک در آن هفته‌ها طول می‌کشد. روش sliding mesh قادر به شبیه‌سازی توربین‌های دارای فاصله جانبی است، اما این‌گونه شبیه‌سازی‌ها حتی در ابعاد کوچک مزرعه، ماه‌ها زمان خواهد برد. در نقطه مقابل، شبیه‌سازی‌های BEM برای مزرعه‌ای با چندین ردیف توربین حتی یک روز نیز طول نمی‌کشد.

شکل (2): انرژی استحصال‌شده به وسیله HAHT به صورت تابعی

از فلاکس انرژی جنبشی موجود در فاصله 2R بالادست

در ادامة این مطالعه، بر مبنای امکان‌سنجی فنی و اقتصادی انجام‌شده در مطالعات پیشین نویسندگان (Radfar and et al., 2015)، به منظور احداث مزرعة پایلوت برای این نوع خاص از توربین‌ها، جزیره هنگام به عنوان محل مناسب انتخاب شد. مهم‌ترین عامل محدودکننده در این منطقه، محدودیت‌های زیست‌محیطی است. به هر حال این محدودیت برای توسعه تمامی انواع نیروگاه‌ها و مزارع جزرومدی در تمام دنیا مطرح است (مانند توسعة تالاب‌های جزرومدی^[10] در سوانزی انگلیس (Proposed Tidal Lagoon Development in Swansea Bay, 2012)، اما می‌توان با انجام مطالعات لازم و اتخاذ تصمیمات مقتضی از این اثرات کاست. سه محدودیت مهم موجب می‌شود که ابعاد مزرعه انتخابی محدود باشد:

(1) با توجه به دسترسی ایران به منابع عظیم نفت و گاز و اینکه استحصال انرژی جزرومد در حال حاضر نیاز به سرمایه‌گذاری هنگفتی دارد، این‌گونه به نظر می‌رسد که چنانچه قرار بر سرمایه‌گذاری در این حوزه باشد، باید در فاز اول منطقة محدودی به عنوان مزرعه پایلوت انتخاب، و توربین‌های جزرومدی در آن پیاده شود.

(2) همان‌گونه که پیشتر عنوان شد، جزیره هنگام با محدودیت‌های زیست‌محیطی روبرو است و از این رو دست سرمایه‌گذاران برای انتخاب مزرعه‌ای با ابعاد قابل ملاحظه باز نیست و حتما با مخالفت‌هایی روبرو خواهد شد.

(3) بر مبنای توصیه شرکت SgurrEnergy برای مطالعة چینش توربین‌ها می‌توان در جهت ساده‌سازی و کاهش هزینة محاسباتی از اثر تغییرات اندک پروفیل بستر صرف نظر کرد (Bai and et al., 2009). انتخاب مزرعه‌ای با ابعاد محدود در منطقه‌ای که مشخصات جریان و پروفیل بستر تقریباً ثابت است موجب می‌شود تا این فرض با واقعیت انطباق بیشتری داشته باشد و استفاده از یک خطای محسوس در محاسبات دخیل نباشد. بر همین مبنا مزرعه‌ای با ابعاد 280*125 متر و با عمق ثابت 30 متر در نظر گرفته شد. موقعیت این مزرعه در شکل (3) نشان داده شده است.

شکل (3): موقعیت چهار کنج مزرعه جزرومدی در جنوب جزیره هنگام

همان گونه که پیشتر بیان شد، طول و عرض و عمق مزرعه به ترتیب 280، 125 و 30 متر می‌باشد. محدودیت‌های فنی ایجاب می‌کند که حداقل به اندازة یک شعاع، فاصله نوک تا نوک بین دو توربینِ یک ردیف قائل شویم. در این مطالعه، مقدار 1.5R برای این منظور لحاظ شده است. حال، گام به گام بر مبنای متدولوژی در راستای پیشنهاد چینش مناسب حرکت می‌کنیم:

گام اول: با توجه به محدودیت‌های طبیعی ناشی از عرض مزرعه و محدودیت فنی (فاصله نوک تا نوک برابر 1.5R)، حداکثر سه توربین می‌توانند در یک ردیف جای گیرند. شکل (4) چینش توربین‌های ردیف اول را نشان می‌دهد. همان‌گونه که در شکل (4) مشاهده می‌شود، فاصله 4R از ورودی اتخاذ شده است که این فاصله بر مبنای مقدار توصیه شده در مراجع اختیار شده است (Tessier and Tomasini, 2010).

شکل (4): چینش سه توربین ردیف اول در مزرعه

گام دوم: در این مرحله با توجه تنظیمات جدول (2) یک مرحله شبیه‌سازی برای سه توربین ردیف اول انجام می‌شود تا میدان جریان در پایین‌دست آنها به دست آید.

جدول (2): تنظیمات اعمال‌شده در نرم‌افزار ANSYS Fluent v16.2

با توجه به تنظیمات جدول (2) و پس از انجام مدل‌سازی، میدان سرعت در صفحه میانی (z=0) به صورت شکل (5) در خواهد آمد.

شکل (5): میدان سرعت در صفحه z=0 برای شبیه سازی سه توربین

نتایج حاصل از این شبیه‌سازی، شامل میزان انرژی هر یک از سه توربین و حداقل و حداکثر زاویة برخورد، در جدول (3) ارائه شده است. توجه شود که روال شماره‌گذاری توربین‌ها در هر شبیه‌سازی به این صورت است که عدد سمت چپ، شمارة ردیف و عدد سمت راست، شمارة توربین را در آن ردیف و از راست به چپ نشان می‌دهد.

جدول (3): نتایج حاصل از شبیه‌سازی اول برای سه توربین

گام سوم: با استفاده از رابطة (9)، که رابطة خطی میان فلاکس انرژی جنبشی در فاصله 2R بالادست توربین و انرژی آن توربین در روش VBM را نشان می‌دهد، می‌توان محل قرارگیری توربین‌های پایین‌دست را تعیین کرد.

نکته‌ای که در متدولوژی پیشین مغفول مانده این است که این رابطه یک رابطة عمومی نیست. همان‌گونه که پیشتر بیان شد این متدولوژی تنها به صورت مفهومی ارائه شده بود، اما توسعه‌دهندگان این متدولوژی پس از بررسی 60 چینش مختلف، رابطة (9) را به عنوان یک رابطة عمومی پیشنهاد دادند. حال آنکه مزیت بزرگ این متدولوژی نه شکل خود رابطه بلکه مسئله خطی بودن رابطه میان میان فلاکس انرژی جنبشی در فاصله 2R بالادست توربین و انرژی آن توربین در روش VBM می‌باشد. بر همین مبنا، در این مطالعه این بند از متدولوژی مذکور به این صورت اصلاح و توسعه داده شد: "در روش VBM می‌توان بین فلاکس انرژی جنبشی در فاصله 2R بالادست توربین و انرژی آن توربین در روش VBM رابطه‌ای به فرم Y=mX پیشنهاد کرد که m در این رابطه، میانگین بازده محلی توربین‌های ردیف اول مزرعه می‌باشد."

در نتیجه، با توجه به نتایج جدول (3) می‌توان رابطه (10) را برای تخمین انرژی توربین‌های پایین‌دست ردیف اول پیشنهاد داد:

شکل (6): کانتورهای انرژی جنبشی موجود مزرعه در اثر میدان جریان توربین‌های ردیف اول

گام چهارم: در ادامه و برای انتخاب محل توربین‌های ردیف دوم، سه مسئله باید مد نظر قرار می‌گرفت: (1) توربین‌ها در محلی قرار گیرند که بیشترین انرژی را استحصال کنند، (2) اثرات آشفتگی در محلی که توربین‌ها در آن قرار می‌گیرند به میزانی نباشد که موجب آسیب به بدنه و تجهیزات آنها شود و (3) فاصلة توربین‌ها به اندازه‌ای باشد که در بهترین حالت، امکان عبور بزرگ‌ترین جاندار دریایی آن ناحیه را بدهد. دست آخر، با توجه به گام‌های طی‌شده، متدولوژی مورد نظر برای توسعه ردیف‌های توربین مزارع انرژی جزرومدی به دست آمد.

3- نتیجه‌گیری

هر نوع بارگذاری تناوبی قادر است در طولانی‌مدت ایجاد خستگی و ترک سازه‌ای کند و توربین‌های جزرومدی نیز از این قاعده مستثنی نیستند. آشفتگی، یکی از بارگذاری‌های اثرگذار روی این نوع توربین‌ها می‌باشد. آشفتگی به معنای مؤلفة سرعت نوسانی اضافه‌شده بر سرعت میانگین است. این سرعت نوسانی به عنوان یک بارگذاری دینامیکی روی توربین در تعداد چرخه‌های بسیار زیاد و در کسری از ثانیه عمل می‌کند (Sæterstad, 2011). آیین‌نامه DNV بیان می‌دارد که معمولا انتظار می‌رود تغییر در میدان جریان محلی و شدت آشفتگی پیرامونی، ناشی از آن اثر wake توربین‌های بالادست باشد. اثرات wake، آشفتگی اضافی قابل ملاحظه‌ای را دیکته می‌کند که تأثیر آن در افزایش انحراف معیار سرعت‌های جریان دیده خواهد شد. این آیین‌نامه در ادامه تصریح می‌کند که این اثر، حتی در حالتی که فاصله طولی بیش از 10 برابر قطر توربین باشد نیز قابل توجه خواهد بود (DNVGL-ST-0164 Standard, 2015). از آنجا که با توجه به تحقیقات موجود، هنوز این آثار قابل کمی‌سازی نیستند در نتیجه یک عدم‌قطعیت برای انتخاب محل مناسب توربین‌های پایین‌دست وجود خواهد داشت. چنانچه تعداد توربین‌های موردبررسی افزایش پیدا کند، استفاده از یک تقریب صنعتی می‌تواند در کاهش تلاش محاسباتی بسیار راه‌گشا باشد. از آنجا که مفاهیم توربین‌های جزرومدی برای توربین‌های بادی نیز قابل تعمیم‌اند، استفاده از یک رابطة خطی ساده‌سازی‌شده در این‌گونه مزارع می‌تواند ارزشمند باشد. دو موردی که در بالا به آن اشاره شد، مزیت استفاده از رابطة خطی ساده‌سازی‌شده بر مبنای متدولوژی اصلاح‌شده را بیش از پیش نمایان می‌کند. به خصوص اینکه نتایج نشان دادند خطای این تقریب، زیر 3% است.