این پژوهش در دو بخش مجزا اما مرتبط، به بررسی فناوری‌های نوین بهره‌برداری از انرژی‌های تجدیدپذیر در دریا می‌پردازد. بخش نخست به طراحی و امکان‌سنجی یک سکوی نیمه‌مستغرق از نوع پایه‌کششی (TLP) برای نصب توربین‌های برق‌آبی در آب‌های عمیق اختصاص دارد. بخش دوم نیز به تحلیل داده‌های هواشناسی و اقیانوس‌شناختی (مِتوئِکان) برای طراحی یک توربین بادی شناور ۱۵ مگاواتی در سواحل کالیفرنیا می‌پردازد. هدف نهایی، ارزیابی امکان‌پذیری فنی، پایداری سازه‌ای و عملکرد انرژی این سامانه‌ها در شرایط محیطی واقعی و گاهی بسیار شدید است.

در فصل نخست، یک سکوی سه‌پایه با سه توربین آبی طراحی شده که هر یک توان نامی ۵۰۰ کیلووات دارند و مجموع توان نصب‌شده به ۱۵۰۰ کیلووات می‌رسد. این سکو برای استقرار در اعماق ۵۰ تا ۱۵۰ متری طراحی شده و با استفاده از سه رشته کابل فولادی عمودی (تاندون) به لنگرهای کف دریا متصل می‌شود. کابل‌ها با کشش اولیه، سکو را در جای خود ثابت نگه می‌دارند و حرکت‌های عمودی (هِیو)، غلتش (رول) و حرکت طولی (پیچ) را به شدت محدود می‌سازند. در مقابل، سکو در حرکت‌های افقی (سِرْج و سوِی) و چرخش حول محور قائم (یاو) انعطاف‌پذیرتر عمل می‌کند که این ویژگی به کاهش تنش‌های ناگهانی کمک می‌کند.

یکی از چالش‌های اصلی در توربین‌های جریانی، نیروی رانش عظیمی است که از سوی آب به پره‌ها وارد می‌شود و سکو را به سمت پایین و عقب می‌کشد. برای مقابله با این نیرو، یک سیستم بالاست هوشمند در نظر گرفته شده است. با پر کردن مخازن بالاست در قسمت مخالف جهت جریان، گشتاور حاصل از رانش خنثی می‌شود و سکو در وضعیت متعادل باقی می‌ماند. تحلیل‌های ایستا نشان داد که با انتخاب زاویهٔ حداکثر ۲۰ درجه برای کج شدن سکو، ابعاد اصلی سازه شامل قطر اسپارها (۴٫۸ متر)، قطر مخازن بالاست (۱۰ متر) و فاصلهٔ مرکز سکو تا هر پایه (۲۲٫۵ متر) تعیین می‌شود. وزن کل سازه در حدود ۶۹۸ تن و نیروی شناوری اولیه ۱۳۰۳ تن برآورد شده است.

برای بررسی رفتار دینامیکی، مدل سه‌بعدی سکو در نرم‌افزار OrcaWave ساخته شد و تحت تأثیر امواج با ارتفاع ۷ متر و دورهٔ تناوب ۸ ثانیه (شرایط طوفانی) قرار گرفت. نتایج نشان داد که سکو در بدترین حالت، حدود ۴۲ متر در جهت افقی جابه‌جا می‌شود و حداکثر زاویهٔ کج شدن به ۲۲٫۷ درجه می‌رسد که همچنان در محدودهٔ قابل قبول است. تنش کششی وارد بر کابل‌های جلو (روبه‌روی جریان) بیشتر از کابل‌های عقب است و برای جلوگیری از تسلیم فولاد، قطر کابل‌ها باید از NPS 12 (قطر خارجی حدود ۳۲۴ میلی‌متر) بیشتر باشد. تحلیل ایمنی نشان داد که با این ابعاد، ضریب اطمینان در برابر تنش تسلیم برای حالت استاتیک حدود ۲ و برای حالت دینامیکی حدود ۱٫۴ است که برای طراحی اولیه قابل قبول ارزیابی می‌شود.

در بخش دوم تحقیق، داده‌های محیطی منطقهٔ RWE در سواحل شمال کالیفرنیا برای نصب یک توربین بادی شناور ۱۵ مگاواتی گردآوری و تحلیل شد. داده‌های باد از بویهٔ EEL RIVER (با فاصلهٔ ۱۶ مایل دریایی از منطقه) و داده‌های امواج از مدل عددی Spatial Hindcast تهیه گردید. سرعت متوسط باد در ارتفاع ۱۴۰ متری (ارتفاع هاب توربین) حدود ۸٫۹ متر بر ثانیه ثبت شده که برای تولید انرژی بادی بسیار مطلوب است. جهت باد غالب از شمال غربی (۳۵۰ تا ۳۶۰ درجه) بوده و بیشترین هم‌وقوعی سرعت باد با ارتفاع موج، در محدودهٔ ۴ تا ۶ متر بر ثانیه و ارتفاع موج ۱ تا ۲ متر رخ می‌دهد که نشان‌دهندهٔ شرایط نسبتاً آرام در اغلب فصول است.

با این حال، تحلیل رویدادهای حدی (Extreme Conditions) نشان داد که منطقه به طور منظم با طوفان‌های شدید مواجه می‌شود. با استفاده از روش اوج‌های بالای آستانه (POT)، ۲۶ رویداد با سرعت باد بیش از ۳۲ متر بر ثانیه شناسایی شد و توزیع مقدار حدی تعمیم‌یافته (GEV) برای برآورد دوره‌های بازگشت به کار رفت. بر این اساس، سرعت باد با دورهٔ بازگشت ۵۰ ساله حدود ۳۷ متر بر ثانیه و ارتفاع موج معادل با دورهٔ بازگشت ۱۰۰ ساله حدود ۱۲ متر برآورد گردید. جهت امواج در شرایط طوفانی عمدتاً از جنوب شرقی بوده و دورهٔ تناوب اوج آنها بین ۱۶ تا ۱۸ ثانیه است که با طیف دو-قلهٔ تورسهاگن به خوبی مدل می‌شود.

تحلیل طیف امواج نشان داد که حدود ۷۷ درصد مواقع، منطقه تحت سلطهٔ امواج بلند (Swell) با دورهٔ تناوب بلند است و تنها ۲۳ درصد مواقع، امواج تحت تأثیر باد محلی قرار دارند. این امر برای طراحی سازهٔ شناور اهمیت زیادی دارد، زیرا پاسخ دینامیکی سکو به امواج بلند با پاسخ به امواج کوتاه‌دوره تفاوت اساسی دارد. همچنین داده‌های جریان سطحی از مدل CMEMS نشان‌دهندهٔ سرعت متوسط ۰٫۱۶ متر بر ثانیه با جهت غالب جنوب غربی است. این سرعت در مقایسه با جریان‌های خلیج‌مکزیک (که به ۱ متر بر ثانیه می‌رسد) بسیار ناچیز است و تأثیر چندانی بر طراحی خطوط مهار یا بالاست ندارد، هرچند برای طراحی دقیق‌تر نیاز به بررسی بیشتر دارد.

در بخش زمین‌شناسی، بررسی نقشه‌های بستر دریا نشان می‌دهد که منطقهٔ RWE دارای شیب ملایم (میانگین ۱٫۷ درجه) و خاک عمدتاً از نوع ماسه‌رسی است. با این حال، وجود گسل‌های فعال کواترنری در نزدیکی منطقه و شتاب بیشینهٔ زمین (PGA) معادل ۳۰ تا ۴۰ درصد شتاب گرانش برای زمین‌لرزه با دورهٔ بازگشت ۵۰۰ ساله، ریسک لرزه‌ای قابل توجهی را نشان می‌دهد. این موضوع بر انتخاب نوع لنگر (مکشی یا وزنه‌ای) و طراحی خطوط مهار تأثیر مستقیم دارد و باید در مراحل بعدی با مطالعات ژئوتکنیک دقیق‌تر همراه شود.

در بخش ارزیابی عملکرد انرژی توربین‌های آبی، داده‌های جریان خلیج‌مکزیک از مدل HYCOM با تفکیک ۱/۲۵ درجه (حدود ۴ کیلومتر) برای سال‌های ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۲ استخراج شد. محل منتخب در فاصلهٔ ۳۰ کیلومتری شرق فلوریدا دارای سرعت متوسط جریان ۰٫۹۷ متر بر ثانیه و بیشینهٔ ۲٫۲ متر بر ثانیه است. با اعمال منحنی توان توربین (با ضریب توان ۰٫۳۷ و قطر ۱۸ متر)، توان متوسط هر توربین حدود ۶۴ کیلووات و توان سالانهٔ سه توربین حدود ۱۶۹۶ مگاوات‌ساعت برآورد شد که برای تأمین برق حدود ۱۱۳ خانوار فلوریدایی کافی است. ضریب ظرفیت (نسبت توان متوسط به توان نامی) برای این سامانه ۱۳ درصد است که نسبتاً پایین به نظر می‌رسد.

برای بهبود عملکرد، سناریوی کاهش توان نامی به ۲۵۰ کیلووات (با همان قطر ۱۸ متر) بررسی شد که ضریب ظرفیت را به ۲۶ درصد (دو برابر) افزایش می‌دهد و نیروی رانش بیشینه را تا ۳۷ درصد کاهش می‌دهد. این بهبود به معنای کاهش ابعاد سازه و هزینه‌های ساخت و نصب است. بنابراین، پیشنهاد می‌شود که در طراحی‌های آتی، به جای تمرکز بر توان نامی بالا، بهینه‌سازی توان متناسب با رژیم جریان منطقه در اولویت قرار گیرد. همچنین برای افزایش دقت، پیشنهاد می‌شود که تحلیل‌های دینامیکی به حوزهٔ زمان (Time Domain) گسترش یابند تا اثرات غیرخطی مانند نیروهای درگ ناشی از جریان و امواج همزمان بهتر شبیه‌سازی شوند.

در پایان، هر دو بخش این پژوهش نشان می‌دهد که فناوری سکوهای پایه‌کششی برای توربین‌های آبی و بادی در آب‌های عمیق، از قابلیت اجرایی بالایی برخوردار است، اما نیاز به بهینه‌سازی دقیق‌تر بر اساس شرایط محلی دارد. برای توربین‌های آبی، گلف‌استریم پتانسیل خوبی ارائه می‌دهد، هرچند بازدهی فعلی پایین است و باید با کاهش توان نامی یا افزایش قطر پره، عملکرد را بهبود بخشید. برای توربین‌های بادی شناور در کالیفرنیا، منابع باد بسیار غنی است اما خطرات لرزه‌ای و امواج شدید طوفانی، طراحی را پیچیده‌تر می‌کند. استفاده از مدل‌های عددی معتبر و داده‌های بلندمدت بویه‌ها برای کاهش عدم‌قطعیت توصیه می‌شود. همچنین پیشنهاد می‌شود که در گام بعدی، تحلیل‌های خستگی برای کابل‌ها و اتصالات انجام شود و اثرات مرتبهٔ دوم مانند جریان‌های دریفت و بارهای ناشی از موج در طراحی گنجانده شوند.

چرا سکوهای پایه‌کششی می‌توانند آینده انرژی‌های دریایی را دگرگون کنند؟

تصور کنید سکویی عظیم، در میان امواج طوفانی، با کابل‌های فولادی به کف اقیانوس متصل شده و همزمان با وزش باد و جریان آب، انرژی پاک تولید می‌کند. اما آیا این سازه می‌تواند در برابر خشم دریا دوام بیاورد؟ پژوهشی جدید، پاسخ این پرسش را با جزئیاتی شگفت‌انگیز و گاه غیرمنتظره واکاوی کرده است.

⚡ چالش پنهان در اعماق آب

بسیاری از پروژه‌های انرژی تجدیدپذیر دریایی با یک مانع بزرگ روبرو هستند: نیروی عظیم رانش که توسط جریان آب به پره‌های توربین وارد می‌شود. این نیرو، سکو را مانند یک آونگ واژگون به عقب می‌کشد و اگر مهار نشود، کل سازه را ناپایدار می‌سازد. راه‌حل چیست؟ استفاده از سامانه‌ی بالاست هوشمند: پر کردن مخازن آب در سمت مخالف جهت جریان، تا گشتاور حاصل از رانش خنثی شود. اما نکتهٔ جالب اینجاست که این بالاست، خود وزنی معادل ۱۸۱ تن به سکو اضافه می‌کند و طراحی را به مرزهای جدیدی می‌کشاند.

🌊 وقتی دریا از دو چهره سخن می‌گوید

یکی از یافته‌های شگفت‌انگیز این پژوهش، مربوط به طیف امواج در سواحل کالیفرنیا است. برخلاف تصور رایج که امواج معمولاً تحت تأثیر باد محلی شکل می‌گیرند، ۷۷٪ مواقع، منطقه تحت سلطهٔ امواج بلند (Swell) با دورهٔ تناوب ۱۶ تا ۱۸ ثانیه است. یعنی امواجی که از هزاران کیلومتر دورتر به ساحل می‌رسند و رفتار دینامیکی سکو را کاملاً متفاوت از پیش‌بینی‌های ساده می‌سازند. این یعنی طراحان باید نه فقط برای باد، بلکه برای مهمانان دوردست دریا نیز برنامه داشته باشند.

⛵ از خلیج‌مکزیک تا سواحل کالیفرنیا

این پژوهش دو روی سکه را نشان می‌دهد: در خلیج‌مکزیک، جریان خلیج‌استریم با سرعت متوسط ۰٫۹۷ متر بر ثانیه، پتانسیل تولید سالانهٔ ۱۶۹۶ مگاوات‌ساعت را فراهم می‌کند که برای تأمین برق ۱۱۳ خانوار کافی است. اما در سواحل کالیفرنیا، باد با سرعت متوسط ۸٫۹ متر بر ثانیه، نویدبخش انرژی بادی فراوان است، در حالی که گسل‌های لرزه‌ای با شتاب بیشینهٔ ۳۰ تا ۴۰ درصد شتاب گرانش، ریسکی جدی برای لنگرها ایجاد می‌کنند. این تناقض، طراحان را به چالش می‌کشد تا میان بهره‌وری و ایمنی تعادل برقرار کنند.

🔍 نگاهی به افق

نکتهٔ جذاب دیگر، پیشنهاد پژوهش برای گذار از تحلیل فرکانسی به تحلیل حوزهٔ زمان است. چرا؟ زیرا اثرات غیرخطی مانند نیروی درگ همزمان جریان و موج، در حوزهٔ فرکانس نادیده گرفته می‌شوند و ممکن است تنش‌هایی تا ۴۰٪ بیشتر از پیش‌بینی‌ها ایجاد کنند. به عبارت دیگر، آرامش ظاهراً سادهٔ امواج، در باطن پیچیدگی‌هایی نهفته دارد که تنها شبیه‌سازی‌های دقیق‌تر می‌توانند آشکارشان کنند.

📄 برگرفته از پایان‌نامه‌ای در دو رشتهٔ مهندسی معماری کشتی و مهندسی اقیانوس، دانشگاه MIT