طراحي بهينه، ساخت و آزمون مدل برداشت كننده نقطه اي دوبدنه اي انرژي موج دريا همراه با سيستم توانگير مكانيكي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مكانيك

دكتري

در سال‌هاي اخير منابع انرژي تجديدپذير، همانند انرژي خورشيدي، بادي، و امواج دريا، به دليل كاهش اثرات زيان‌بار زيست‌محيطي و كاهش وابستگي به سوخت‌هاي فسيلي، به طور فزاينده‌اي موردتوجه قرار گرفته‌اند. در اين ميان، انرژي امواج دريا به دليل چگالي انرژي بالا و پايداري بيشتر نسبت به ساير منابع انرژي تجديدپذير، از ظرفيت بالايي براي توليد انرژي الكتريكي برخوردار است. در اين راستا، پژوهش‌هاي گوناگوني در زمينه طراحي و ساخت سامانه‌هاي برداشت‌ انرژي از امواج دريا انجام شده‌است. برداشت‌كننده‌هاي نقطه‌اي دوبدنه‌اي يكي از سامانه‌هاي برداشت انرژي از امواج دريا هستند كه به دليل اندازه كوچك، عدم وابستگي به جهت انتشار موج و امكان نصب در عمق‌هاي مختلف دريا، از جمله سامانه‌هاي كارآمد در برداشت انرژي به شمار مي‌روند. در اين پژوهش، مدل يك برداشت‌كننده‌ي انرژي موج از نوع نقطه‌اي دو‌بدنه‌اي، با هدف كاركرد در موج منظم آزمايشگاهي، طراحي، ساخته و آزمايش مي‌گردد. پس از آن، بر اساس يافته‌هاي آزمون در موج منظم، يك برداشت‌كننده براي كاركرد در شرايط موج نامنظم دريا، طراحي مي‌شود. برداشت‌كننده دوبدنه‌اي از دو بخش اصلي، بدنه‌هاي نوسان‌كننده، و توانگير تشكيل شده‌است. بدنه‌هاي نوسان‌كننده كه از بدنه‌ي شناور در آب و بدنه¬ي غوطهور تشكيل شده‌است، انرژي جنبشي موج ورودي را دريافت و آن را به توانگير منتقل مي‌كنند. توانگير وظيفه تبديل انرژي جنبشي دريافتي از موج، به انرژي الكتريكي را برعهده دارد. طراحي برداشت‌كننده موردمطالعه، باهدف دريافت بيشينه انرژي از موج منظم، در سه ‌گام انجام شده‌است. در گام نخست، مدل رياضي ابتدايي برداشت‌كننده، با درنظرگرفتن معادله حركت آن استخراج، و توان قابل‌برداشت محاسبه گرديده است. سپس، با استفاده از روش رويه¬ي پاسخ، پنج اندازه‌ي اصلي برداشت‌كننده به‌گونه‌اي تعيين شده‌اند كه در شرايط موج منظم آزمايشگاهي، بيشترين توان را از موج ورودي دريافت كند. در مدل‌سازي ابتدايي برداشت‌كننده، توانگير به‌صورت يك فنر و ميراگر مدل شده‌است. نتيجه¬ي بهينه‌سازي اندازه‌هاي برداشت‌كننده نشان مي‌دهد كه قطر بويه شناور در آب بيشترين اثر را بر برداشت توان دارد. در گام بعد، طراحي مكانيكي اجزاي برداشت‌كننده صورت‌گرفته و يك نمونه توانگير مكانيكي با قابليت تبديل حركت نسبي بدنه‌هاي برداشت‌كننده به حركت دوراني با جهت ثابت، طراحي و ساخته شده‌است. توانگير طراحي شده به‌گونه‌اي بهينه شده‌است كه در زمان كاهش سرعت نسبي بدنه‌ها، از طريق جداسازي ژنراتور از مجموعه¬ي توانگير، به توليد انرژي الكتريكي ادامه دهد. براي افزايش توان خروجي و بهينه‌سازي عملكرد توانگير، مقاومت خارجي ژنراتور به‌عنوان يك پارامتر قابل‌تنظيم در نظر گرفته شده‌است. با انتخاب مقدار بهينه براي مقاومت خارجي، مي‌توان توان الكتريكي برداشت‌شده را بيشينه كرد. براي بررسي كارايي توانگير طراحي شده، يك سامانه نوسان‌ساز با امكان شبيه‌سازي موج منظم در فركانس و ارتفاع‌هاي گوناگون توسعه داده شد. در نهايت، برداشت‌كننده¬ي طراحي شده در حوضچه¬ي كشش دانشگاه صنعتي اصفهان مورد آزمايش قرار گرفته و توان الكتريكي برداشت شده توسط آن در موج منظم در فركانس‌ها و مقاومت‌هاي خارجي متفاوت، اندازه‌گيري شده‌است. در آزمون برداشت‌كننده از يك ژنراتور جريان مستقيم براي توليد توان الكتريكي بهره برده شده‌است. نتيجه تست برداشت‌كننده و توانگير نشان مي‌دهد توانگير يك‌طرفه¬ي طراحي شده، توان الكتريكي برداشت شده را تا 13 درصد افزايش مي‌دهد. همچنين، آزمون تجربي نشان مي‌دهد كه برداشت‌كننده طراحي شده در شرايط بهينه، توان الكتريكي ميانگين چهار وات را توليد مي‌كند. پس از آزمون برداشت‌كننده در موج منظم، يك برداشت‌كننده براي كاركرد بهينه در موج منظم در منطقه تنگه هرمز طراحي مي‌گردد. به جهت كاركرد بهينه برداشت‌كننده در منطقه موردنظر، نخست امواج دريا در محل نصب برداشت‌كننده، در بازه زماني دو‌ساله مورد بررسي قرار مي‌گيرند. نتايج مطالعه امواج تنگه هرمز نشان مي‌دهد كه فركانس غالب آن‌ها 25/0 هرتز است. براين‌اساس يك برداشت‌كننده با قطر بويه شناور چهار متر و با انتخاب اندازه‌هاي بهينه، به‌گونه‌اي طراحي مي‌گردد كه توان 8/2 كيلوات را از امواج دريافت كند. اين پژوهش گامي در جهت توسعه سيستم‌هاي برداشت انرژي امواج و كاربرد آن‌ها در شرايط فراساحلي است و مي‌تواند به‌عنوان مبنايي براي طراحي و بهينه‌سازي سيستم‌هاي مشابه در آينده مورداستفاده قرار گيرد.

234561

ساخت و توليد

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان