1- مقدمه

انرژی به‌صورت­های مختلفی ازجمله گرما، نور، مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی و هسته­ای وجود دارد، اما بهره­وری از انرژی­های تجدیدپذیر دریایی در سراسر جهان در حال افزایش است. در سال 2014 میلادی، ایران با جمعیت 5/78 میلیون نفر 9996 گیگاژول انرژی مصرف کرده است، که این مقدار برابر با 31 درصد از کل انرژی مصرفی در خاورمیانه در همان سال است. درصورتی‌که ایران در تأمین انرژی خود، کاملاً خودکفا است (مقبلی و همکاران، 1395). میزان الکتریسیتۀ تولیدی ایران در سال 2014 میلادی 276 تراوات ساعت بوده ،که نسبت به سال پیش از آن، 8/4 درصد افزایش یافته است. میزان الکتریستۀ مصرفی در داخل کشور در سال 2014 میلادی 226 تراوات ساعت بوده، که در مقایسه با سال 2000، این میزان 3 /6 درصد رشد داشته است (روحانی و فرخ‌نیا، 1392). سهم انرژی­های تجدید­پذیر در تولید الکترسیته در سال 2014 میلادی 5/5 درصد بوده است. این میزان نسبت به سال 2000 میلادی، 3/4 درصد افزایش داشته، اما در مقایسه با سال پیش از آن، رشد منفی 2/2 درصدی را به خود اختصاص داده است. بیشترین میزان مشارکت در زمینۀ تولید انرژی به ‌کمک انرژی­های تجدید­پذیر در سال 2006 میلادی برابر با 5/9 درصد بوده است. این میزان مشارکت به گونه‌ای است، که ایران در سال 2012 میلادی مبلغی درحدود 160میلیون دلار صرف سرمایه‌گذاری در زمینۀ انرژی‌های تجدید‌پذیر کرده است. مبدل­های انرژی دریایی براساس نوع کارکرد می­توانند از منابع گوناگون برای تولید انرژی استفاده کنند. این منابع شامل موارد مختلفی مانند امواج ساحلی و فراساحلی، جریانات جزرومدی، شیو/ گرادیان‌های گرمایی و چگالی، نیروی جاذبه و موارد دیگر می­شود، بر این مبنا مبدل‌های انرژی دریایی مختلفی تاکنون توسعه یافته‌اند. سامانه‌های تبدیل انرژی امواج دریا به الکتریسیته انواع مختلفی دارند، که در داخل یا خارج از کشور تولید می‌شوند و به‌کار می‌روند. برخی از این سامانه‌ها شناوه/ بویۀ[1] انرژی، ستون نوسانی آب، سامانۀ آونگی، مبدل ارشمیدسی و مبدل انرژی موج پلامیس هستند. برای مثال، بویۀ انرژی سامانه‌ای مبتنی بر چند بویۀ مجزا است، که در آن حرکت نوسانی امواج موجب حرکت سازۀ بویه می‌گردد و حرکت رفت و برگشتی بویه توسط سیم‌پیچ تعبیه‌شده در آن، باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی درون سیم‌پیچ می­شود. مبدل انرژی موج پلامیس یک مبدل موج اسکاتلندی است، که از شش قطعه سیلندر به قطر 5/3 متر و به طول 30 متر و قطعات متصل به چهار سیلندر به قطر 5/3 متر و طول 5 متر (ماژول‌های انرژی) تشکیل شده است. هر یک از چهار ماژول یک مولد الکتریکی 250کیلوواتی دارد، که توان کلی 750 کیلووات را برای هر واحد پلامیس به ارمغان می­آورد. مبدل ارشمیدسی یک سیلندر شبیه به بویه است، که حداقل در عمق شش متری در زیر سطح دریا مهار شده است، موج گذرنده، هوای انباشته‌شده در بالای پوشش را در خلاف سیلندر مهارشدۀ کم‌ارتفاع‌تر به حرکت در می­آورد، و درنهایت، حرکت نوسانی (بالا-پایین) به ایجاد انرژی مکانیکی می­انجامد.

با پیشرفت علم، و دخیل شدن علم مواد در زمینۀ تولید انرژی، از مواد پیزوالکتریکی[2] نیز در زمینۀ تولید انرژی استفاده شده است. مدل تیر با صفحات پیزوالکتریکی: پژوهشگران با پیاده‌سازی صفحات پیزوالکتریکی بر روی مدل تیر برنولی و تیر تیموشینکو با محاسبۀ ولتاژ و قدرت مولد/ ژنراتور و بررسی پاسخ فرکانسی از ارتعاش تیر، مدل تیر تیموشینکو را برای آزمایش‌های خود انتخاب کردند، که در پی آن مدل L شکل تیر پیزوالکتریکی ارائه­ گردید. تولید انرژی از صفحات ساکن پیزوالکتریکی در آب: در این روش، در حالت اول صفحات پیزوالکتریکی به‌صورت افقی (موازی بستر آب) و در حالت دوم، صفحات به‌صورت عمودی (عمود بر بستر آب) قرار داده می‌شوند. بر همین مبنا، تلاش شده است تا با یک طراحی کاملاً نوآورانه مبدلی ساخته شود، که بتواند در ساحل فعالیت کند و انرژی امواج را جذب و به الکتریسیته تبدیل نماید.

در ادامه، به بررسی مواد پیزوالکتریکی، روابط حاکم بر آنها و روش به‌کارگیری آنها در تولید از انرژی امواج دریا و شرایط محیطی خلیج‌فارس و فیزیک محیط فعالیت مبدل پرداخته می­شود.

2-1- مبانی نظری پژوهش

2-1-1- خاصیت فشاربرقی/ پیزوالکتریکی

دو متغیر تعیین‌کننده در میزان انرژی نهفته‌ در امواج، طول موج و ارتفاع موج است. باتوجه‌به اینکه در خلیج‌فارس طول موج، زیاد و ارتفاع موج، کم است، انرژی موجود برای بهره‌برداری نیز کوچک خواهد بود. به‌همین‌ دلیل، سعی شده است که از خاصیت فشاربرقی/ پیزوالکتریکی مواد استفاده ­شود. تولید اختلاف‌پتانسیل الکتریکی در برخی از بلورهای نارسانا مانند کوارتز تحت کشش یا فشار، اثر پیزوالکتریکی است. قطبیت پتانسیل دو وجه بلور در دو حالت تنش و کُرنش ، اختلاف‌پتانسیل تولید‌شده به‌صورت خطی را بیشتر خواهدکرد. اثر معکوس پیزوالکتریکی نیز در این معنی، تغییر شکل بلور میزان الکتریکی بین دو وجه روبه‌روی آنها است. اثر فشاربرقی یا پیزوالکتریکی، خاصیت برخی از سرامیک­ها، کریستال­ها و بسپارها است، تا به‌کمک آن انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل شود. این خاصیت حاصل از قطبی‌شدن ساختار این نوع مواد است. ازآنجاکه در ساختار این نوع مواد، تقارن مرکزی وجود ندارد، نیروی خارجی اعمال‌شده سبب قطبش می‌شود؛ به‌گونه‌ای‌که قطب مثبت در یک سو، و قطب منفی در سوی دیگر قرار می­گیرد. در نتیجۀ این قطبش، یک میدان الکتریکی به وجود می‌آید. عکس این رفتار نیز، جزئی از خاصیت فشاربرقی است؛ به‌طوری‌که با اِعمال اختلاف‌پتانسیل به موادی که خواصی از این دست دارند، عکس­العمل­های مکانیکی ایجاد می­شود. در شکل (1)، سازوکار اثر پیزوالکتریکی به‌صورت طرح‌واره‌ای نشان داده شده است.

شکل (1): اثر پیزوالکتریک

مادۀ پیزوالکتریکی به‌کاررفته در مبدل انرژی موج ابداعی کوارتز (سکه‌ای) به ضخامت 5/. میلی‌متر است. دلیل انتخاب کوارتز، قیمت ارزان و قابلیت دسترسی آسان به آن و همچنین، وجود رابطۀ مستقیم بین تنش/ فشار وارده از موج با بزرگی الکتریسیتۀ تولیدی است. به این معنا، که هر چه میزان کشش یا فشار بیشتر باشد، جریان الکتریکی تولیدی نیز بیشتر خواهد شد. به ‌دلیل خاصیت کشسانی، این ماده در مقابل جذب ضربه و کرنش زیاد خروجی بیشتری در تولید الکتریسته، به‌ویژه در این مبدل انرژی موج خواهد داشت. کوارتز در مکانی که عمود بر محور منشوری خود  باشد، اثر فشاربرقی نسبتاً زیادی دارد. شایان ذکر است، الکتریستۀ تولیدی توسط کوارتز، متناوب است و ممکن است بدون نیاز به صرف هزینۀ اضافه به مصرف شهری یا صنعتی برسد. در حقیقت، این خود مزیتی است که بر ارزش استفاده از این مواد می­افزاید. در شکل زیر، نوع کوارتز استفاده‌شده به نمایش درآمده است. هر یک از کوارتز­های نشان‌داده‌شده در شکل (2) به‌طور میانگین 8/3ولت در ازای اثر نیروی 12نیوتونی تولید می‌کند.

شکل (2): کوارتز سکه‌ای به‌کارگرفته‌شده در نمونه آزمایشگاهی مبدل

2-1-2- روابط حاکم بر مواد پیزوالکتریکی

روابط موجود بین خواص مکانیکی و الکتریکی عناصر تشکیل‌دهندۀ مواد پیزوالکتریکی، که توسط استاندارد IEEE ارائه شده است، به‌صورت روابط (1) و (2) بیان می‌شوند:

                                                                                           (1)                                             

                                                                                        (2)                                                     تعریف نمادهای به‌کاررفته در این رابطه‌ها در جدول (1) نشان داده شده است:

جدول (1)" تعریف نمادها

شاخص‌ها/ اندیس‌های i، j، k و l جهت بردار را در مجموعۀ سه محور متعامد X، Y و Z بیان می­کنند. در اینجا، Z جهت قطبش الکتریکی است. با توجه به آزمایش‌های انجام‌شده توسط پژوهشگران و اندازه‌گیری جابه‌جایی الکتریکی با توجه به کرنش صفحات پیزوالکتریکیِ مورد‌نظر، در بسیاری از مقالات از PZT4 به‌عنوان مادۀ اصلی آزمایش استفاده می­شود.

2-1-3- فرایند ساخت و تولید مبدل

در طراحی و ساخت مبدل انرژی موج با استفاده از مواد پیزوالکتریکی، درابتدا همۀ اجزای دستگاه شامل صفحۀ ثابت اتصال به اسکله یا سکو، صفحۀ متحرک جاذب نیروی موج که پیزوالکتریک­ها به آن متصل می­گردند، و صفحۀ نیمه‌متحرک نگهدارندۀ گل‌میخ­ها طراحی شده­اند. این سه صفحه از نظر ابعاد و چیدمان عمومی سازه­ای یکسان هستند، و تنها تفاوت آنها در محل اتصال اجزای جانبی سازه است. هر سه صفحه حول یک محور مجازی دوران دارند و برای نصب در نقاط متخلف ساحل، اسکله و سازه­های فراساحلی قابل‌تنظیم هستند.

شکل (3): الف) نمای طراحی‌شده در نرم‌افزار کتیا   ب) نمایی از صفحه ساخته‌شده

همان­گونه که در صفحه­ها نیز نشان داده  شده است، به همۀ صفحه­ها دو عدد لولا متصل شده است، که وظیفۀ آنها اتصال سه صفحۀ ثابت، نیمه‌متحرک و متحرک به یکدیگر است. دوران صفحۀ نیمه‌متحرک و متحرک نیز، حول محور آنها انجام می­شود.

شکل (4): الف) نمای طراحی‌شده در نرم‌افزار کتیا   ب) نمایی از بازوی ساخته‌شده

در طراحی و ساخت مبدل انرژی امواج با استفاده از مواد پیزوالکتریکی، از دو بازو، یکی برای کنترل و میرایی (damping) حرکت پدال نیمه‌أمتحرک و یک بازوی قابل‌تنظیم برای اتصال به بویه شناور و انتقال حرکت خطی موج به پدال متحرک استفاده شده است.

                       شکل (5): الف) نمای طراحی‌شده در نرم‌فزار کتیا                                ب) نمایی از بویه ساخته شده

برای جذب انرژی امواج و انتقال آن به مبدل جهت تولید الکتریسیته، سازه باید در مقابل خوردگی آب دریا مقاوم باشد. در این راستا، برای جذب انرژی با استفاده از قانون شناوری ارشمیدس از یک بویۀ شناور از جنس لیف شیشه/ فایبرگلاس استفاده شده است. این بویه بر روی آب شناور می­ماند و انرژی جذب‌شده از امواج را به پدال متحرک انتقال می‌دهد. انرژی از طریق برخورد با پدال نیمه‌متحرک به مواد پیزوالکتریکی منتقل می‌شود و فرایند تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی در آنها انجام می­شود. با‌توجه‌به سطح خیس بویه، که در معرض اموج قرار گرفته است، می­توان انرژی جذب‌شده توسط بویه را برای امواجی با دامنه‌های مختلف محاسبه کرد.

2-1-4- شرایط حاکم بر فیزیک مسئله

مبدل ابداع‌شده برای شرایط دریایی خلیج‌فارس طراحی شده است، و هدف اصلی آن به‌کارگیری مبدل در ساحل و کاربردهای خاصی مانند تأمین انرژی بویه‌های دریایی و روشنایی خطوط ساحلی است. ازآنجاکه خلیج‌فارس دارای پتانسیل­های مختلف انرژی است، و شرایط جوّی در سراسر آن در بازۀ گسترده‌ای در حال تغییر است، فقط داده‌های پایگاه ثبت اطلاعات مطابق با شکل (6) در استان بوشهر مورد توجه قرار گرفته است.

شکل (6): موقعیت بندر بوشهر و پایگاه ثبت امواج در خلیج فارس

در این پایگاه، انرژی موج در طی 24 سال متمادی در محل قرارگیری پایگاه ثبت شده است. همان‌گونه که در شکل (7) مشاهده می­شود، در بین سال­های  1990 تا 2000 میلادی، انرژی موج در ناحیۀ موردنظر کاهش چشم­گیری داشته است. البته، این روند نزولی ادامه پیدا نکرده و از سال 2000 میلادی به بعد، سیر صعودی داشته است. تا جایی که این میزان انرژی به‌طور میانگین به kw/m 2 در سال 2006 رسیده است. شکل (4)، میزان انرژی امواج را در طی سال­های 1984 تا 2008 نشان داده است.

شکل (7): میزان انرژی موج ثبت‌شده در پایگاه در طی 24 سال

در شرایط دریایی خلیج‌فارس، ارتفاع موج بین 5/0 تا 5/1 متر، دورۀ تناوبی بین چهار تا پنج ثانیه خواهد بود. شناور موج‌نگار قرارگرفته در بندر بوشهر در موقعیتی با طول جغرافیایی 7387/50 و عرض جغرافیایی 8282/28 قرار گرفته است.

براساس اطلاعات محیطیارائه‌شده، بدیهی است که مبدل انرژی موج باید در جهت غالب انرژی امواج نصب گردد و به نحوی طراحی شود، که برای ارتفاع موج خلیج‌فارس مناسب باشد. شکل­های(8)، (9) و (10) نمودار مقدار متوسط ارتفاع امواج دریای خلیج‌فارس در بندر بوشهر را برای چهارماهۀ اول، دوم و سوم سال نشان می‌دهند.

شکل (8): متوسط ارتفاع مشخصه موج

شکل (9): متوسط ارتفاع مشخصه موج

شکل (10): متوسط ارتفاع مشخصه موج

شکل (11): گلباد سرعت یک ساله بوشهر

با توجه ‌به اطلاعات بویۀ موج‌نگار بوشهر، سرعت باد در موقعیت این بویه در جهت شمال غربی (شکل (11))، گاهی به بیش از 11 متر بر ثانیه می‌رسد. می‌توان به‌وسیلۀ اطلاعات نمودارهای گل‌باد انرژی، سرعت و همچنین، نمودارهایی که ارتفاع مشخصۀ موج را نشان می‌دهند و با توجه به خاصیت و مکانیک امواج، میزان انرژی امواج را محاسبه و بررسی نمود.

2-1-5- طراحی مبدل انرژی موج

مبدل طراحی‌شده کاملاً خلاقانه و بر پایۀ نوآوری بوده، و با پتانسیل موجود در سواحل استان بوشهر و به‌ویژه شهر بوشهر، سازگار است. در طراحی این مبدل، سعی شده است که بهره‌وری به حداکثر برسد. این مبدل قابلیت این را دارد، که در مساحتی معین در قالب یک مزرعه از مبدل‌ها مورد استفاده قرار گیرد. این مبدل با ابعادی درحدود 1×4/0×4/0 متر ساخته شده است. شکل­های (12) و (13) به‌ترتیب طراحی انجام‌شدۀ آن در نرم‌افزار کتیا و نمونۀ ساخته‌شده برای آزمایش را نمایش می­دهند.

شکل (12): طرح مدل قسمت بالایی مبدل در نرم‌افزار کتیا

شکل (13): تصویر مبدل ساخته‌شده

3- تجزیه‌وتحلیل داده‌ها

3-1- آزمایش میدانی در ساحل بوشهر

برای انجام آزمایش و اندازه­گیری توان خروجی از مبدل، درابتدا مکانی با ارتفاع مناسب برای نصب مبدل انتخاب شد و مانند شکل (13)، در ساحل نصب گردید. بازوی متصل به بویه و پدال متحرک به‌نحوی تنظیم شدند، که فاصلۀ گل‌میخ­ها از صفحات پیزوالکتریکی یک تا هفت سانتی‌متر باشد. این کار منجر به آزادی عمل پدال برای ضربه زدن و فشردن صفحات پیزوالکتریکی  می‌شود.

پس از نصب و قرارگیری مبدل در ساحل برای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان بر روی برد الکتریکی، سامانۀ پیزوالکتریکی مبدل بسته شد. در این آزمایش، که در طی سه مرحلۀ یک‌ساعته و در روزهای مختلف انجام شد، جریان و ولتاژ تولیدشده توسط مبدل با مادۀ پیزوالکتریکی کوارتز به ضخامت نیم‌میلی‌متر برحسب دامنۀ امواج به‌ترتیب در شکل‌های (14) و (15) نشان داده شده است.

شکل (14): نمودار تولید جریان برحسب دامنة موج (پیزوالکتریک کوارتز)

شکل (15): نمودار تولید ولتاژ برحسب دامنة موج (پیزوالکتریک کوارتز)

براساس مطالعات انجام‌شده بر روی مواد پیزوالکتریکی به‌عنوان عمل­گر، تولید توان در آزمایش‌های وای لیائو مواد پیزوالکتریکی دارای حد تولید هستند و برای تولید توان الکتریکی نمی­توان بیش از اندازه بر آنها نیروی مکانیکی اعمال نمود. زیرا علاوه بر اینکه مادۀ پیزوالکتریکی از دیدگاه جنس ماده و مکانیک جامدات نمی­تواند در مقابل نیروی اِعمالی دوام بیاورد و شکسته می­شود، از نقطه‌نظر تولید توان و قطبیده‌شدن نیز، محدودیت ساختاری دارد. براساس نمودارهای ارائه‌شده در شکل­های (14) و (15)، با افزایش نیروی اعمالی به مواد پیزوالکتریکی، پس از حد معینی، توان خروجی آنها تقریباً ثابت می‌ماند.

در صورت استفاده از مواد پیزوالکتریکی با ضریب پیزوالکتریسیتۀ بالاتر، حداکثر توان خروجی این مبدل به‌ازای هر جنس از مواد پیزوالکتریکی با اندازه و ضخامت برابر، نیم‌میلی‌متر تغییر خواهد کرد. بیشترین مقدار توان تولیدی بهPZN-9PT تعلق دارد، که تقریباً 1100 برابر کوارتز است.

4- نتیجه‌گیری

استفاده از مبدل­های پیزوالکتریکی می‌تواند بازده تولیدی فراوانی داشته باشد. در زمینۀ تولید الکتریسیته از امواج دریا با استفاده از مواد پیزوالکتریکی، که منبعی پاک و تجدید‌پذیر هستند، که می­توان­ پژوهش‌های بیشتری انجام داد. براساس نتایج به‌دست‌آمده در این پژوهش، بازدهی استفاده از مواد PZN-9PT به‌جای کوارتز، ممکن است 1100 برابر باشد. در این مبدل، با افزایش ارتفاع امواج، مقدار توان خروجی سامانۀ مبدل انرژی الکتریسیته افزایش می­یابد. الکتریسیتۀ تولیدی از مبدل پیزوالکتریکی کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارد.

باتوجه‌به اینکه نصب این سازه در ساحل بسیار آسان است و هزینه­های نصب آن به اندازۀ هزینۀ نصب مبدل‌های ساحلی و فراساحلی دیگر نیست، می­تواند برای تأمین انرژی بویه‌های دریایی، روشنایی پارک­ها و خطوط ساحلی نیز استفاده شود. برتری دیگر این نوع مبدل نسبت به مبدل‌های ساحلی و فراساحلی دیگر، عدم نیاز به انتقال الکتریسیتۀتولیدی به ساحل و استفاده از آن است.

همان‌طور که می‌دانیم، یکی از روش‌های تسریع تکثیر و رشد سریع مرجان‌ها استفاده از جریان‌های الکتریکی ضعیف است. این نوع مبدل‌ها باتوجه‌به تولید جریان الکتریکی در مقیاس میلی‌آمپر کارایی بسیاری در زمینۀ تکثیر و رشد سریع مرجان‌ها دارند. به ‌علاوۀ‌ اینکه با اتصال سازۀ این مبدل به قفس پرورش مرجان، انرژی امواج تا اندازه‌ای جذب می‌شود و به سازۀ قفس آسیب کمتری می‌رسد.

از استفاده‌های دیگر این نوع مبدل‌، استفاده از آن در سازه‌های فراساحلی نفتی و غیرنفتی است. علاوه‌براینکه استفاده از این نوع مبدل مانع آسیب رساندن امواج به سازه می‌شود، می‌تواند الکتریستۀ مناسب و جریان کافی را نیز برای جلوگیری از خوردگیِ سازه­های فلزی در معرض آب تولید نماید. این نوع حفاظت در برابر خوردگی که به حفاظت آندی موسوم است، باتوجه‌به‌اینکه الکتریسیتۀ موردنیاز برای جلوگیری از خوردگی را از انرژی امواج تأمین می‌کند، بسیار مقرون‌به‌صرفه است. تولید توان این مبدل به اندازۀ مبدل وابسته نیست، و با تغییر در ساختار مواد پیزوالکتریکی و وزن بویۀ شناور می­توان تولید توان را بالا برد.