1- مقدمه

ذخیرۀ انرژی‌های فسیلی کرۀ زمین در حال تمام شدن است و منابعی که انسان‌ها تا به امروز از آنها استفاده کرده‌اند، دیر یا زود به اتمام خواهند رسید. از طرف دیگر، آلودگی‌های ناشی از استفاده از سوخت‌های فسیلی و انتشار گازهای گلخانه‌ای که منجر به گرم شدن کرۀ زمین می‌شود، تهدیدی اساسی است و لزوم تجدیدنظر در الگوی تولید و مصرف انرژی را تأیید می‌کند. تنها راه نجات برای نسل‌های آینده و بقای بشریت، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر است (Glickman, 2015).

انرژی تجدیدپذیر به انواعی از انرژی گفته می‌شود، که منبع تولید آن برخلاف انرژی‌های تجدیدناپذیر (فسیلی) قابلیت این را دارد، که توسط طبیعت در یک بازۀ زمانی کوتاه، بازتولید شود یا به عبارتی، تجدید شود. پتانسیل انرژی تجدیدپذیر سیارۀ ما در مقایسه با نیازهای بشر به‌طور چشمگیری نامحدود است. انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی هیدروالکتریکی، بیوانرژی (انرژی گیاهی) و انرژی زمین‌گرمایی تاکنون در مقیاس زیاد و از راه‌های مختلف استفاده شده‌اند. یکی از منابع تأمین انرژی تجدیدپذیر، رایگان و عاری از اثرات مخربِ زیست‌محیطی، انرژی خورشیدی است. انرژی خورشیدی به‌طور مستقیم از نورخورشید استفاده می‌کند. گرچه تمامی انرژی‌های مورد استفاده در زمین به‌‌استثنای انرژی هسته‌ای و انرژی زمین‌گرمایی به‌صورت مستقیم یا غیرمستقیم از خورشید تأمین می‌شود، اما عنوان انرژی خورشیدی برای سامانه‌هایی استفاده می‌شود که به‌طور مستقیم برای تولید گرما یا الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده می‌کنند. در سال‌های اخیر با توجه به بحران انرژی، این منبع تجدیدپذیر جایگزین انرژی‌های فسیلی شده است و به دلیل کاهش انتشار گازهای آلاینده با استقبال فراوانی مواجه شده است. تابش خورشید بزرگ‌ترین منبع تجدیدپذیر بر روی کرۀ زمین است، که اگر فقط از یک درصد از صحراهای جهان با نیروگاهی خورشیدی استفاده شود، همین مقدار برای تولید سالانۀ برق مورد نیاز کل جهان کافی خواهد بود (Ruiz, 2014).

انرژی‌ای که از خورشید به شکل نور مرئی، فروسرخ و فرابنفش به ما می‌رسد، 1000 وات بر مترمربع است (Frank, 2003). در حال حاضر، انرژی خورشیدی با تبدیل نور خورشید به الکتریسیته، به‌صورت مستقیم با استفاده از سامانۀ فتوولتائیک، یا غیرمستقیم، با استفاده از توان خورشیدی متمرکز به چرخۀ انرژی وارد می‌شود (Oswami et al., 2000). سامانه‌های توان خورشیدی متمرکز برای متمرکز کردن نور خورشید از عدسی و آینه و سامانه‌های ردیاب استفاده می‌کنند. همچنین، سامانه‌های فتوولتائیک نور را با استفاده از اثر فوتوالکتریک به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند (Lewis and Crabtree, 2005).

1-1- بیان مسئله

تولید استاندارد (در محدودۀ بهترین بازدهی) الکتریسیته در صفحات فتوولتائیک به تابش عمود نور خورشید بر سلول‌های فتوولتائیک وابسته است. با نگرشی کامل بر کلمات جملۀ قبل می‌توان سه مفهوم اساسی را برداشت کرد. اول اینکه فقط در روشنایی روز و در شرایطی که ابر یا سایۀ اجسام بر روی سلول‌ها نباشد، همچنین درصورتی‌که شرایط جوّی آفتابی باشد و خورشید به‌صورت عمودی به صفحات بتابد، برق موردانتظار تولید می‌شود. مقدار انرژی پرتوهای خورشید به شرایط جوّی وابسته است. خروجی الکتریکی یک سلول، با مقدار انرژی پرتوی خورشیدی که به آن برخورد می‌کند، متناسب است. در شرایط تابش مستقیم خورشید (تابش شدید خورشید و آسمان صاف)، خروجی در بالاترین مقدار خود قرار دارد در شرایط تشعشع‌های پراکنده (هوای ابری)، خروجی کمتر است. بیشینه توانی که یک سلول یا ماژول می‌تواند تولید کند، به‌عنوان بیشینه توان یا توان پیک (Wp) توصیف می‌شود. این توان به‌عنوان خروجی الکتریکی، برحسب وات و تحت شرایط استاندارد آزمایش (STC)، یعنی قرار گرفتن در معرض اشعه خورشید با انرژی 1000 وات بر مترمربع در دمای سلول 25 درجۀ سلسیوس و با جرم هوای 5/1 بیان می‌شود (موسی‌زاده و جوان‌بخت، 1389).

البته، دما نیز بر تولید الکتریسیته تأثیر‌گذار است. بازده سلول خورشیدی با افزایش دما کاهش می‌یابد. خروجی یک سلول بلورین با یک درجۀ سلسیوس افزایش دما، درحدود 5/0% کاهش می‌یابد. (موسی‌زاده و جوان‌بخت، 1389).

1-2- اهمیت و ضرورت پژوهش

در تولید انرژی توسط سلول‌های خورشیدی هنگامی که هوا ابری باشد، باید به جریان اندک تولیدی اکتفا کرد. اما در هنگام عمود بودن تابش خورشید، وضعیت به گونۀ دیگری است. با چرخش زمین به دور خود و به دور خورشید، تغییرات بسیار زیادی از دید ناظر زمینی در وضعیت تابش خورشید به وجود می‌آید. با ردیابی حرکت خورشید در آسمان می‌توان در هر لحظه ماژول را در جهت عمود بر تابش خورشید تنظیم نمود، تا بیشترین مقدار انرژی از تابش پرتوهای خورشید برداشت شود. به همین منظور، در این مقاله برای افزایش بازدهی سامانۀ تولید برق خورشیدی قایق ربات هوشمند پایش بنادر، طراحی و ساخت سامانۀ ردیاب خورشید بررسی شده است. همچنین، آزمون و ارزیابی سامانۀ ساخته‌شده و مقایسۀ آن با حالت ثابت پنل‌ها صورت گرفت. مقایسۀ بازدهی ردیاب خورشید در حالت ایستا و متحرک قایق ربات نیز برای بررسی تفاوت تولید انرژی سامانۀ مجهز به ردیاب صورت گرفته است. از دیگر اهداف ساخت ردیاب می‌توان به تمیز شدن آرایه در هنگام بارش و فروریختن آب باران در هنگامی که از حالت افقی خارج می‌شود، اشاره نمود. در اینجا، به مقایسۀ انرژی دریافتی در دو حالت شفاف و دارای جرم‌گرفتگی نیز پرداخته شده است. در نهایت، با جمع‌بندی نتایج می‌توان پیشنهاداتی برای تولید حداکثر انرژی ارائه نمود.

2- مواد و روش‌ها

هیدروگرافی، به معنای "مطالعه، تفسیر و نقشه‌برداری از اقیانوس‌ها، دریاها، دریاچه‌ها و رودخانه‌ها" می‌باشد. در هنگام محدودیت زمانی و مکانی، هیدروگرافی از اهمیت ویژه‌ای در عملیات لایروبی برخوردار است. برای تعیین میزان لایروبی و نظارت بر آن پس از انجام لایروبی، از هیدروگرافی استفاده می‌شود. قبل، بعد و در حین عملیات لایروبی، باید از منطقۀ موردنظر، هیدروگرافی صورت گیرد. برای ارزیابی میزان لای‌برداری انجام‌شده، لازم است که نقشه‌های هیدروگرافی تهیه شود. انجام عمل هیدروگرافی قبل و در حین لایروبی، در امر تعیین اثرات لایروبی بر محیط‌زیست دریایی کمک می‌کند. هیدروگرافی منطقۀ تخلیۀ مواد لایروبی‌شده، قبل از شروع تخلیۀ مواد و نیز به‌طور منظم و دوره‌ای صورت می‌گیرد. هیدروگرافی قبل از لایروبی برای بررسی دستیابی به اهداف طراحی‌شده ضروری است و تکرار آن، بررسی میزان کم‌عمقی را نشان خواهد داد. هیدروگرافی‌های تکراری و دوره‌ای کمک می‌کند تا الگوی رسوب‌گذاری منطقه و همچنین، استفادۀ اقتصادی از لایروب‌ها محقق شود. دقت و سرعت دو عامل ضروری در عمل هیدروگرافی می‌باشند (PMO, 2017).

هزینۀ زیاد و خطرات ناشی از این عملیات از یک‌سو و شرایط متفاوت آب‌وهوایی و نیاز به دقت بالا در این عملیات از سوی دیگر، باعث شده است تا در شیوه‌های متداول تجدیدنظر شود. ازاین‌رو، حرکت با قایق (با موتور درون‌سوز که دارای ارتعاش و آلودگی است) و انجام هیدروگرافی به‌صورت دستی و با حضور کاربر و وجود خطای انسانی بازدهی چندانی نخواهد داشت. اما با استفاده از قایق‌های خودران می‌توان این کار را با هزینۀ جانی و مالی کمتر و  با دقت بیشتر انجام داد. بنابراین، قایق ربات خودران مروارید به‌منظور کنترل، حفاظت و پایش حوضچه‌های بندرها و عملیات هیدروگرافی یا عمق‌سنجی به سفارش سازمان بنادر و دریانوردی کشور در دانشگاه تهران ساخته شد (شکل (1)).

اصلی‌ترین هدف قایق ربات مروارید عملیات هیدروگرافی در منطقۀ ویژۀ اقتصادی بندر امیرآباد واقع در شمال شهرستان بهشهر در استان مازندران است. بنابراین، همان‌طور که در شکل (2) دیده می‌شود، عملیات هیدروگرافی توسط قایق ربات باید در مساحت مشخص‌شده انجام شود.

در نهایت، با بررسی‌های مختلف بر روی انواع قایق‌ها بهترین گزینه برای ساخت قایق ربات که کمترین مصرف انرژی را داشته باشد، توسط گروه مروارید انتخاب، طراحی و ساخته شد. این گزینه بدنۀ کاتاماران است که در واقع نوعی قایق با دو بدنه یا دو موشکی است که توسط یک عرشه به هم متصل می‌شوند. بدنۀ کاتاماران، دارای پایداری بسیار مناسبی است که شرایط مناسبی را برای انجام عملیات عمق‌سنجی فراهم می‌کند. این بدنه تأثیرپذیری کمی در برابر امواج دارد. همچنین، این بدنه در مقایسه با سایر مدل‌ها پایداری دینامیکی بیشتری دارد، که تغییرات زاویۀ غلت آن را به حداقل می‌رساند. این مدل در مقایسه با سایر مدل‌ها ارزان‌تر است و به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارد. بدنۀ کاتاماران در مقایسه با همۀ مدل‌ها دارای مزایای هیدرودینامیکی است و در شرایط برابر به انرژی کمتری نیاز دارد. این بدنه از کمترین اصطکاک با آب برخوردار است، ازاین‌رو میزان اتلاف انرژی در این قایق‌ها نسبت به قایق‌های دیگر بسیار کمتر است. ساخت قایق توسط اعضای گروه مروارید و با همکاری کارگاه‌های گروه مکانیک ماشین‌های کشاورزی در سه مرحله انجام شد، که شامل ساخت موشکی‌ها، ساخت بدنه و ساخت عرشه است. پس از بررسی‌های مختلف، برای ساخت بدنه از فایبرگلاس استفاده شد.

2-1- تأمین انرژی قایق ربات

نیرو اولین نیاز هر متحرک برای حرکت است. استفاده از موتورهای الکتریکی در قایقی که وظایف مهمی در نزدیکی بنادر دارد، علاوه بر حفظ پاکیزگی محیط‌زیست به دقت کار نیز کمک می‌کند. در قایق ربات خودران نه‌تنها به رانش نیاز است، بلکه ضمن عملیات هیدروگرافی روش‌های مختلفی برای اجتناب از مانع و ناوبری (با چهار مد کاری) وجود دارد. به همین دلیل، از حسگرهای مختلفی برای انجام عملیات (اجتناب از برخورد با موانع و انجام امور هیدروگرافی) استفاده ‌شده است. از سوی دیگر، ناوبری، حسگرها و تحلیل داده‌ها و انتقال آنها به دفتر کار همگی در طول کار به انرژی نیاز دارند.

قایق ربات مروارید یک شناور سطحی هیبرید با تأمین منابع توان از صفحات فتوولتائیک و برق شهری (شارژی) است. برای ذخیرۀ انرژی خورشید یا شارژ و ایجاد ارتباط با مصرف‌کنندگان به منبع نیاز است. بنابراین، از باتری برای ذخیرۀ این انرژی استفاده شده است. اجزای الکترونیکی از سه ولتاژ کاری مختلف استفاده می‌کنند. توان مصرف‌کننده_‌های 5 ولت، 12 ولت و 24 ولت (موتورها یا اجزای قدرت ولتاژ) از یک باتری لیتیوم - یونی با ظرفیت 540 آمپرساعت تأمین می‌گردد.

برای تأمین توان قایق ربات مروارید از پنل‌های مونوکریستال استفاده می_‌شود. این پنل‌ها نسبت به پنل‌های پلی‌کریستال دارای بازدهی بیشتری هستند. پنل‌ها را می‌توان به‌صورت سری، موازی و سری ـ موازی به همدیگر متصل کرد. هنگامی‌که پنل‌ها به‌صورت سری به هم متصل می‌شوند جریان خروجی آرایه به‌ اندازۀ یک ماژول (در واقع کمترین مقدار) باقی می‌ماند، درحالی‌که ولتاژ خروجی با تجمیع ولتاژ تمامی پنل‌ها برابر است. مزایای این روش این است که با افزایش ولتاژ می‌توان از سیم‌هایی با قطر کوچک‌تر استفاده کرد و از اتلاف توان بیشتر جلوگیری نمود. اما اتصال سری معایبی نیز دارد. در این نوع اتصال، اگر پنل در سایه قرار گیرد، با توجه به اینکه توان تولیدیِ پنل تابع شدت تابش است و شدت تابش بر روی جریان اثر می‌گذارد، جریان کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، جریان کمتر تعیین‌کنندۀ جریان کل سامانه خواهد بود. ازاین‌رو، در سایه جریان بسیار کمی تحویل می‌دهد. اما در اتصال موازی جریان‌ها با هم جمع می‌شوند و ولتاژ یک پنل با ولتاژ کل برابر خواهد بود. بستن پنل‌ها به‌صورت موازی از مزایایی برخوردار است. برای مثال، اگر پنل در سایه قرار گیرد، جریان آن کاهش می‌یابد، اما این جریان با جریان پنل‌های دیگر جمع می‌شود. بنابراین، بسته به اندازه و تعداد سلول در محافظ هر پنل تعدادی دیود وجود دارد، که به آنها دیودهای کنارگذر گفته می‌شود. این دیودها با سلول‌های داخلی پنل به‌صورت موازی بسته می‌شوند و اجازه می‌دهند که جریان از کنار سلول در سایه قرارگرفته عبور کند. اما معایب موازی بستن پنل‌ها استفاده از سیم‌هایی با قطر بالا و اتلاف توان در سیم‌ها است. بنابراین، در سامانه‌های کوچک و مواردی که به سیم‌کشی طولانی نیاز ندارند و توان کم است، موازی بستن مقرون‌به‌صرفه است. در سامانۀ تولید انرژی قایق ربات مروارید نیز پنل‌ها به‌صورت موازی بسته شده‌اند. چهار پنل فتوولتائیک در شرایط استاندارد 1220 وات تولید می‌شوند و برای استفادۀ قایق به یک باتری ارسال می‌نمایند.

پنل‌های استفاده‌شده در این پروژه دو عدد دیود کنارگذر دارند. از آنجا که پنل 72 سلول دارد، هر دیود به‌صورت موازی با 36 سلول بسته می‌شود؛ و درصورتی‌که نصف یک پنل در سایه قرار گیرد یا پوشش آن به هر دلیلی کدر شود، فقط جریان 36 سلول کاهش می‌یابد. همچنین، با توجه به اینکه در هوای ابری شدت تابش کم می‌شود و جریان تولیدی پنل‌ها به شدت تابش وابسته است و ولتاژ از شدت تابش مستقل است، مزیت چیدمان موازی این است که جریان تولیدی در هوای ابری مجموع جریان پنل‌ها است.

سامانۀ تولید توان برای محافظت از باتری در مقابل خالی شدن و شارژ شدن بیش از حد و اطمینان از عمر طولانی‌مدت آن، به یک کنترل‌کنندۀ شارژ مجهز است. همچنین، کنترل‌کنندۀ شارژ از حرکت جریان به ‌سوی آرایۀ فتوولتائیک در شب یا جریان معکوس جلوگیری می‌کند. علاوه‌براین، در صورت نیاز تعویض باتری، این کنترل‌کنندۀ شارژ دارای رژیم شارژ مختلف برای انواع باتری است.. از سوی دیگر، وظیفۀ ردیابی نقطۀ بیشینۀ توان[1] نیز توسط کنترل‌کنندۀ شارژ انجام می‌شود. ردیابی نقطۀ بیشینۀ توان این اطمینان را فراهم می‌کند که ماژول به‌صورت بهینه عمل می‌کند.

2-2- افزایش بازدهی تولید انرژی

افزایش بازدهی پنل‌های فتوولتائیک با سه روش متداول امکان‌پذیر است. اولین روش بالا بردن کیفیت و بازدهی مواد مورداستفاده در سلول‌ها است، که با مطالعه و کار آزمایشگاهی صورت می‌گیرد. این روش به صرف سال‌ها زمان و مطالعه در آزمایشگاه‌ها توسط دانشمندان شیمی و علم مواد نیاز دارد. اما دو روش دیگر  ممکن است با اعمال برخی تغییرات و رعایت برخی اصول در محل اجرای پروژه اعمال گردند. یکی از آنها پایین آوردن دمای پنل‌های خورشیدی است، این حالت با عایق‌بندی و در مواردی، با نصب سامانۀ برودتی میسر می‌شود. دمای پنل‌ها به دلیل قرار گرفتن در مقابل تابش خورشید و واکنش الکتروشیمیایی که منجر به تولید الکتریسیته می‌شود، بالا می‌رود. از طرفی، پنل‌ها در دمای بالا با افت بازدهی مواجه خواهند شد، که البته با کنترل دمای پنل می‌توان از این افت جلوگیری نمود و درنتیجه، شاهد افزایش دریافت انرژی در پنل‌ها بود. روش سوم که یکی از موثرترین روش‌ها است، استفاده از دنبال‌کنندۀ خورشیدی است. تحقیقات نشان می‌دهد که بیشترین بازدهی هنگامی اتفاق می‌افتد که نور خورشید به‌صورت عمودی بر سلول‌ها می‌تابد. بنابراین، نصب سازوکاری که پنل‌ها را همواره به‌صورت عمود بر تابش خورشید نگه دارد، کارساز خواهد بود. همان‌طور که در بخش‌های قبل توضیح داده شد، این عمل با ایجاد تغییر در زاویۀ قرارگیری پنل‌ها میسر می‌شود.

استفاده از بیشترین مقدار انرژی تابشی خورشید در سامانه‌های مستقل از شبکه و به‌ویژه در قایق رباتی که بدون سرنشین بر روی آب اقدام به هیدروگرافی می‌نماید، حائز اهمیت است. ازاین‌رو، برای به دام انداختن بیشترین مقدار انرژی تابشی، طراحی و ساخت ردیاب خورشیدی در دستور کار پروژه قرار گرفت. برای بالا بردن بازدهی صفحات فوتوولتائیک به گردش این صفحات در مسیر خورشید نیاز است. ازاین‌رو، این صفحات بر روی محور قوطی استیل و دو بلبرینگ سوار شده‌اند. علاوه بر ردیابی، تمیز بودن سطح آرایه بازدهی تولید را بالا می‌برد و به مقدار استاندارد نزدیک می‌کند. به همین منظور، برای پیگیری اختلاف مقدار تولید انرژی، در هر دو حالت شفاف و غیرشفاف، مورد بررسی قرار گرفته است.

2-3- طراحی و ساخت ردیاب

اولین موردی که در طراحی ردیاب خورشیدی باید مورد توجه قرار گیرد، سازوکار ردیابی است. قایق ربات خودران مروارید یک وسیلۀ نقلیه متحرک است، که به‌طور دائم در طول انجام مأموریت تغییر مکان می‌دهد. در این صورت، سازوکار ردیابیِ حلقه ـ باز گزینۀ مناسبی نیست، چراکه به‌منظور ارائۀ اطلاعات نجومیِ حرکت خورشید به تحلیلگر سامانه برای ردیابی، به اطلاعات دقیقی از محل استقرار سامانه نیاز دارد. حتی اگر سازوکار ردیابیِ حلقه ـ باز، حسگرها و اطلاعاتی را که سامانۀ ناوبری قایق ربات دربارۀ محل استقرار خود دارد، در اختیار تحلیل‌گر ردیاب بگذارد، نتیجۀ کار دقت مطلوبی را نشان نخواهد داد. زیرا زمان زیادی صرف تحلیل داده‌هایی می‌شود که دائماً در حال تغییر هستند. در پایان نیز، پس از چند ثانیه نتیجه‌ای که در اختیار خواهد بود، در مکان فعلی کاربرد چندانی نخواهد داشت. اما از طرف دیگر، سامانۀ ردیابی حلقه ـ بسته در هر لحظه با استفاده از حسگرهای خود به‌طور مستقل می‌تواند خورشید را از محل لحظه‌ای قایق  دنبال نماید. به همین دلیل، استفاده از این سازوکار ردیابی مورد توجه قرار گرفت.

از نظر ساختار دنبال‌کننده، دنبال کردن خورشید به دنبال‌کننده‌های تک‌محوره و دومحوره تقسیم می‌شود. چالش بعدی انتخاب تعداد محور گردش صفحه است. بررسی این مورد با توجه به مزیت استفاده از انواع مختلف و مصرف موتورهای آنها انجام می‌شود. با توجه به متحرک بودن وسیله‌ای که سامانۀ ردیاب بر روی آن نصب می‌شود، استفاد از دو موتور باعث حرکت دائمی در نتیجۀ مصرف دائمی الکتریسیته با ارزش تولیدی می‌شود. از طرف دیگر، دنبال کردن حرکت افقی خورشید کمتر از ردیابی آن در زاویۀ ارتفاع مزیت دارد. یکی دیگر از دلایل انتخاب ردیاب تک‌محوره پایداری سامانه و قایق است. از آنجا که وسیلۀ نقلیه صنعتی و کاربردی باید در برابر امواج و باد و توفان مستحکم و مقاوم باشد، نمی‌توان به سادگی صفحۀ فتوولتائیک صدوبیست کیلوگرمی را در دومحور و با فاصله از بدنۀ قایق مهار کرد. با در نظر گرفتن این موارد، ردیاب خورشیدی تک‌محوره انتخاب مناسب‌تری به نظر می‌رسد.

گردش صفحۀ فتوولتائیک به سمت خورشید هنگامی اثربخش خواهد بود، که به‌منظور جذب تابش خورشید بتواند در مدت‌زمانی معین رخ دهد. بنابراین، به سرعت معقولی برای این گردش نیاز است. در سامانه‌های ردیابی منفعل زمان زیادی برای جابه‌جایی صفحه صرف می‌شود. ازاین‌رو، سامانۀ پویا (فعال) توصیه می‌شود. عملکرد صحیح ردیاب خورشیدی، علاوه بر طراحی، ساخت و نصب قسمت‌های مختلف به هماهنگی و ارتباط بین آنها نیز نیاز دارد. یکی ازعوامل تأثیرگذار بر ساخت و مونتاژ صحیح قطعات و استفادۀ بهینه از فضای موجود، مدل کردن و طراحی مجموعه پیش از پیاده‌سازی آن است. ارتباط میان اجزای ردیاب، به‌ویژه اجزای محدودۀ تحلیل و صدور فرمانی مبتنی بر قرار گرفتن آنها در یک محفظۀ واحد، در نرم افزار fritilizing مدل‌سازی شده و در شکل (‏3) نشان داده شده است.

پس از بررسی چگونگی ساخت و دستیابی به قسمت‌های مختلف ردیاب، یک طرح کلی از کار ردیابی بیان می‌شود. در ابتدا، مجموعه حسگرهای نوریِ سامانۀ ردیاب محل خورشید را در هر لحظه تشخیص می‌دهند و از طریق سیم‌های استاندارد روکش‌دار یا نوفه‌گیر و دارای پوشش ارت به جعبۀ الکترونیکی می‌فرستند. برد تحلیل‌گر با تشخیص زاویۀ تابش عمودی، فرمان حرکت را به گردانندۀ موتور می‌فرستد. گردانندۀ موتور نیز از یک طرف این فرامین را با PWM دریافت می‌کند و از طرف دیگر، برق 24 ولت ورودی از جعبۀ توان قایق را به موتور می‌دهد، تا فرمان اجرا شود. در صورتی این اتفاق رخ می‌دهد، که کلیدهای قطع‌کن در حالت باز قرار داشته باشند. درصورتی‌که آرایه از هر طرف به یکی از میکروکلیدها رسیده باشد، برای حفظ ایمنی قایق، مدار از کار می‌افتد. برای روشن‌تر شدن چگونگی ارتباط اجزا، شکل (4) طرح‌وارۀ ردیابی خورشید در قایق مروارید را نشان می‌دهد.

محیط کار قایق ربات خودران مروارید در فضای باز و مرطوب است، پس علاوه بر هماهنگی؛ آب‌بندی و مقاومت قطعات نیز حائز اهمیت است. ازاین‌رو، در ساخت اجزای فلزی همواره از استیل مرغوب و پیچ و مهره‌های استاندارد دریایی استفاده شد. برای محفوظ بودن تحلیل‌گر و بردهای الکترونیکی از رطوبت و ضربه، مطابق با شکل (‏5) یک جعبۀ الکترونیکی ضدآب تهیه و مونتاژ شد.

2-4- موارد اطمینان و کاربری صحیح

شیوۀ کار و نگهداری هر وسیله‌ یکی از وظایف مجموعۀ سازندۀ آن است. در این راستا، برای اطمینان از روند کار و تعمیر و نگهداری ردیاب خورشیدی و اجزای دیگر قایق ربات، کتابچه‌ای شامل موارد اطمینان، طرز کار دستگاه، نحوۀ تعمیر و نگهداری یا سرویس و تذکرات و توصیه‌های مربوط تهیه و چاپ شد و نمونه‌هایی از آن در اختیار سازمان سفارش‌دهنده قرار گرفت.

برای پایداری وسیله و طول عمر بیشتر آن در هنگام استراحت، حمل‌ونقل، و به‌ویژه استفاده در هوای توفانی قفلی تدارک دیده شده است، که در صورت استفاده از آن، آرایه ثابت می‌ماند و دیگر هیچ فشاری بر روی اجزای ردیاب و محور متحرک نیست. البته، باید دقت شود که در حالتی که قفل بسته است، از روشن کردن ردیاب خورشیدی به‌شدت پرهیز شود. چراکه منجر به کشیدگی و آسیب خواهد شد. همچنین، برچسب‌هایی به زبان انگلیسی تهیه شد، که در محل نصب ردیاب چسبانده شوند تا این موارد رعایت گردند. نمونه‌ای از این برچسب‌ها در شکل (‏6) آورده شده است.

توصیه می‌شود که فقط در روزهای آفتابی و بدون وزش باد و عبور امواج از ردیاب استفاده شود. از دیگر مواردی که برای دسترسی بیشتر به انرژی نور خورشید و در نتیجه توان بالاتر می‌توان به آن اشاره کرد، تمیز بودن سطح آرایه است. البته، با شیب‌دار کردن پنل‌ها به‌وسیلۀ ردیاب در هنگام فروریختن رطوبت و گرد و غبار آرایه به‌طور خودکار تمیز می‌شود. در هرحال، تمیز بودن آرایه برای گرفتن بهترین نتیجه ضروری است.

2-5- آزمون افزایش بازدهی ردیاب

یکی از عوامل تأثیر‌گذار بر موفقیت پروژههای علمی و صنعتی آزمایش‌ها و آزمون‌های صورت‌گرفته در طول انجام پروژه است. گروه مروارید نیز برای ارزیابی کار ساخت قایق ربات خودران پایش بنادر، در چهار نوبت اقدام به آزمون و ارزیابی نمود (شکل 7).

در طول آزمایش‌های صورت‌گرفته، به‌جز در آزمایش اول که سامانۀ تولید توان هنوز نصب نشده بود، داده‌برداری صورت گرفته است. داده‌های تولید انرژی از قبیل ولتاژ، آمپر و توان به‌صورت 24ساعته در MPPT ذخیره شده و از طریق نرم‌افزار EPSolar در قسمت SolarStationMonitor  قابل‌دستیابی است. برای اتصال MPPT به رایانه نیز از برد قابل‌حمل CC-USB-RS485-150U-3.81 که در شکل (8) نشان داده شده است، استفاده شد.

با در دسترس بودن داده‌های تأمین انرژی برای قایق می‌توان در بخش نتایج و بحث، به ارزیابی این داده‌ها  پرداخت. اما پیش از آن، بیان نکات و جزئیاتی در زمینۀ چگونگی شبیه‌سازی و روش انجام این آزمایش‌ها ضروری است. پیش از شروع آزمون‌های میدانی و ارزیابی عملکرد سامانۀ تولید توان و ردیابی خورشید، برای بررسی این دو بخش از مدل‌سازی و شبیه‌سازی پنل به‌وسیلۀ نرم‌افزار سیمولینک و نرم‌افزار متلب استفاده شد.

3- تجزیه و تحلیل داده‌ها

به‌‌منظور ارزیابی عملکرد سامانۀ ردیاب خورشیدی قایق ربات مروارید همان‌گونه که در بحش قبل نیز بیان شد، چهار مرحله آزمون، شبیه‌سازی و ارزیابی انجام شد. دو مرحلۀ اول در دریاچۀ چیتگر واقع در استان تهران انجام شد. دو مرحلۀ نهایی در منطقۀ ویژۀ اقتصادی بندر امیرآباد واقع در شمال شهرستان بهشهر در استان مازندران انجام شد. برای تعیین شدت تابش در هر نقطه، از نرم‌افزار هومر و سایت اینترنتیNASA  استفاده شد که می‌تواند میزان تابش خورشیدی را برای هر نقطه از کرۀ زمین با طول و عرض جغرافیایی مشخص تعیین نماید.

پیش از انجام آزمایش‌های عملی، با بهره‌گیری از اطلاعات به‌دست‌آمده از مدل‌سازی پنل‌ها در نرم‌افزار متلب و با استفاده از اطلاعات میزان تابش منطقه‌ای که در بخش قبل نیز به آن اشاره شد، حدود نتایج پیش‌بینی شد. در مرحلۀ اول، عملکرد آرایۀ خورشیدی یک روز در حالت کدر و پاک‌نشده، و یک روز در حالت شفاف و تمیز مورد ارزیابی قرار گرفت و نتایج حاصل از عملکرد پنل‌ها در شرایط واقعی با نمونۀ شبیه‌سازی پنل در سیمولینک مقایسه گردید. مطابق با اطلاعات، شدت تابش مردادماه در دریاچۀ چیتگر از ساعت 7 صبح تا 12 ظهر بین 600 تا 800 وات بر مترمربع تغییر می‌کند (شکل 9).

در هنگام انجام آزمون‌های مقرر، در روز اول با ساعت‌های آفتابی مناسب آزمون انجام شد. اما در روز دوم، به دلیل نیمه‌ابری بودن هوا و همچنین قرارگیری قایق زیر سایۀ یک پل برای چند ساعت باعث شد که اطلاعات با روز اول متناسبی نباشد. به همین دلیل، روز سوم به‌عنوان دومین روز از آزمون شفافیت پنل انتخاب شد. در هر حال، اطلاعات روز نیمه‌ابری نیز جمع‌آوری گردید و نمودار آن نیز رسم شد، تا اطلاعات روز نیمه‌ابری و آفتابی هم مقایسه شوند.

براساس شبیه‌سازی عملکرد آرایه در شکل (10-الف)، تولید توان در لحظه تقریباً بین صفر تا 1085 وات متغیر است. در این آزمایش، شدت تابش روزانه (شکل ‏9) در مردادماه از 6 صبح تا 8 عصر تقریباً بین صفر تا 800 وات بر مترمربع تغییر می‌کند. متوسط تولید توان در طی یک روز 609 وات بوده، که برابر با 5/8 کیلووات ساعت انرژی در طول ساعات آفتابی روز است. در این شکل، با مقایسۀ توان تولیدی در یک روز نیمه‌ابری، میزان انرژی اندک برداشت‌شده در چنین روزی و درنتیجه تأثیر بسیار کم ردیاب یادآوری، استفاده از آن در روزهای ابری جلوگیری می‌شود. گرچه در برنامۀ تحلیل‌گر ردیاب، میزان حساسیت در حدی است، که در هنگامی که ابر جلوی خورشید را گرفته است، اقدامی انجام ندهد، اما همان‌طور که از نمودار شکل (10) برمی‌آید، در روزهای ابری نیز گاهی (در ساعات 11:30 و 1:30)، خورشید چند دقیقه‌ نمایان می‌شود. متوسط توان تولیدی در روز نیمه‌ابری 273 وات بوده و به‌طور میانگین 8/3 کیلووات ساعت انرژی تولید شده است، که این مقدار کمتر از نصف انرژی تولیدشده در روزهای آفتابی است.

در روز اول ارزیابی (شکل 10-ب)، با آرایۀ پاک‌نشده و غیرشفاف بیشترین برداشت توان، 701 وات بوده است و برای مقایسه با آرایۀ تمیز و شفاف این مقدار به 917 وات هم می‌رسد. در این دو حالت، متوسط توان تولیدی به‌ترتیب 344 و 492 وات است. همچنین، با انتگرال‌گیری از منحنی‌های نمودار این شکل، مقدار میانگین تولید انرژی برای حالت شفاف 89/6 کیلووات ساعت و برای حالت غیر شفاف 82/4 کیلووات ساعت است. با این حساب، در صورت تمیز کردن آرایه 2070 وات ساعت، یا به عبارت دیگر در مقایسه با پنل‌های تمیزنشده، در تولید انرژی 43% افزایش خواهیم داشت. همان‌طور که در بخش ‏2-3 نیز توصیه شد، آرایه‌ها پیش از شروع به کار و به‌ویژه پیش از آغاز کار ردیاب خورشیدی تا حد ممکن باید تمیز شوند.

مهم‌ترین نتیجه پس از کار ساخت ردیاب خورشیدی بر روی قایق ربات خودران مروارید، بررسی انرژی تولیدی آرایه در دو حالت ردیابی و ثابت بود. براساس اطلاعات موجود در اطلاعات تابشی بیشترین مقدار تابش در ماه‌های پاییز و زمستان بین ساعت‌های 9 تا 15 روی می‌دهد. یعنی در طول این ماه‌ها به‌طور متوسط میزان تابش مفید در یک روز، شش ساعت است. اما در شش ماه اول سال، با توجه به طولانی بودن روز، شدت تابش بازه‌ای 11ساعته را پوشش می‌دهد. بنابراین، در شش ماه اول سال تعداد ساعات آفتابی در بنادر تقریباً دو برابر شش ماه دوم سال است. ازاین‌رو، در هنگام انجام آزمایش عملی، شدت تابش از کمترین مقدار ممکن برخوردار است. برای مقایسۀ تولید توان آرایه در حالت ردیابی و ثابت، چهار روز با ترافیک کاری کمتر بر روی قایق انتخاب شد. چراکه آزمایش میدانی فقط مخصوص سامانۀ ردیابی نبود و اجزا و سامانه‌های دیگر نیز درگیر آزمایش بودند. از سوی دیگر، دادۀ مربوط به روزهایی با ساعت‌های ابری زیاد، نمی‌توانست برای انجام این آزمون مفید باشد و این اتفاق در شمال ایران پرتکرار است. با این تفاسیر، تقریباً در طول 40 روز آزمایش، فقط چهار روز برای بررسی و و ارزیابی توان تولیدی در دو حالت مناسب بود.

با توجه به قرارگیری مدت آزمایش در کمترین حالت تابش منطقه‌ای، مقدار تولید انرژی حتی در حالت شبیه‌سازی هم چندان زیاد نبود. این مقدار به‌طور میانگین 162 وات توان برای آرایه و با تولید تقریباً 7/2 کیلووات ساعت انرژی در روز برآورد شد. همان‌گونه که در شکل (9) نمایان است، در بهترین حالت هم انرژی خورشید به 300 وات نمی‌رسد. درحالی‌که این مقدار در مردادماه به نزدیک 1000وات هم می‌رسد. با این وجود، تأثیر ردیابی حتی در این حالت هم قابل‌مشاهده و بررسی است. در دو روز بدون ردیابی به‌ترتیب درحدود 6/1 و 7/1 کیلووات ساعت انرژی تولید شد، که این مقدار برای حالت ردیابی در دو روز بعد درحدود 2/2 و 9/1 کیلووات ساعت بود. با این حساب، روز اول با ردیابی نسبت به روز دوم بدون ردیابی درحدود 30 درصد دارای افزایش بازدهی است.

4- نتیجه‌گیری

از یک سو، معایب استفاده از منابع فسیلی، و از سوی دیگر، پیشرفت‌های صنعتی و افزایش جمعیت و نیاز به انرژی، ضرورت استفاده از شکل‌های مختلف انرژی‌های تجدیدپذیر را نشان می‌دهند. یکی از این انرژی‌ها، انرژی خورشیدی است که برای تأمین توانِ وسایل نقلیه یا روشنایی و تولید انرژی نیروگاهی استفاده می‌شود. در بخش حمل‌ونقل، استفاده از خودروهای برقی روزبه‌روز در حال گسترش است. در این پژوهش که به همت گروه مروارید انجام شد و قایق ربات مروارید طراحی و ساخته شد، به‌منظور تأمین توان قایق از انرژی خورشیدی با بازدهی بالا استفاده گردید. در این پژوهش، سعی شد از حداقل فضای ممکن بیشترین استفاده ‌شود و بیشترین توان ممکن از فضای بالای قایق به دست آید؛ به‌طوری‌که نه‌تنها بیشترین پایداری قایق ربات مروارید در حین کارکرد حفظ‌ شود، بلکه با توجه به منطقۀ عملیاتی موردنظر که از لحاظ شدت تابش و شرایط آفتابی، مانند دیگر نقاط کشور از وضعیت تابشی خوبی برخوردار نیست، بیشترین توان برای مصرف قایق تولید گردد. روش‌های مختلفی برای نصب و راه‌اندازی سامانۀ ردیابی خورشید بر روی آرایۀ خورشیدی بررسی شد. درنتیجه، برای افزایش بازدهی سامانۀ تولید توان خورشیدی از سازوکار فعال حلقه ـ بسته در یک محور استفاده شد، که نسبت به سایر پیکربندی‌های ردیاب خورشیدی داری پایداری بیشتری است.

مقایسۀ نتایج ردیابی و عدم ردیابی حاکی از این است، که در برخی از موارد به دلیل ردیابی خورشید و با در نظر گرفتن مصرف موتور ردیاب، بازدهی سامانۀ تولید انرژی تا 28% افزایش پیدا می‌کند. در بیشتر آزمون‌های صورت‌گرفته، نتیجۀ ارزیابی سامانۀ تولید توان با کارکرد ردیاب خورشیدی به شبیه‌سازی نزدیک‌تر بود. با توجه به کاربری قایق ربات در هوای ابری، مناطق مرطوب و روی آب، تمام اجزا و قسمت‌های مختلف سامانة دریایی، استاندارد و ضدآب بود، تا در هوای بندر امیرآباد با کمترین آسیب روبه‌رو شود و با شدت تابش محدود بدون نیاز به منبع برق شبکه در طول روز، توان موردنیاز قایق ربات مروارید تأمین‌ شود. به‌طوری‌که در 40 روز آزمون انجام‌گرفته، قایق، انرژی موردنیاز خود را از پنل‌ها گرفت و به‌هیچ‌عنوان از برق شبکه به‌عنوان منبع دوم تأمین انرژی، استفاده‌ نشد. این در حالی است که در هنگام انجام آزمون سوم، شدت تابش خورشید در بندر امیرآباد (آذرماه و دی‌ماه) کمترین مقدار ممکن بود.

در نهایت، با توجه به اینکه در مدت ارزیابی، قایق ربات مروارید در ماه‌هایی با کمترین شدت تابش، به‌هیچ‌عنوان از برق شبکه برای تأمین توان استفاده نکرده است، پیش‌بینی می‌شود که در طول سال، به‌ویژه در شش ماه نخست سال، با توجه به نمودارهای شدت تابش خورشیدی و دو برابر شدن ساعات آفتابی در طی روز، تأمین توان توسط پنل‌ها سه برابر شود و با استفاده از سامانۀ ردیابی خورشید تا حدود 30% افزایش یابد. همچنین، در صورت تمیز ماندن آرایۀ خورشیدی همواره مقدار بیشتری انرژی حاصل می‌شود، که نتیجة اختلاف تمیز کردن پنل‌ها، درحدود 43% افزایش در تولید انرژی می‌باشد.