این پایان‌نامه به طراحی، مدل‌سازی، تحلیل و بهینه‌سازی یک سامانه برداشت انرژی نوسانی برای وسایل نقلیه زیرآبی بدون‌سرنشین (UUV) می‌پردازد؛ سامانه‌ای که با استفاده از ارتعاشات و شتاب‌های طبیعی ایجادشده در حین حرکت یا شناوری وسیله در آب، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. هدف اصلی پژوهش، ارائه راهکاری نوآورانه برای افزایش استقلال انرژی این وسایل و کاهش وابستگی آن‌ها به باتری‌های اصلی است. با توجه به اینکه وسایل نقلیه زیرآبی امروزی عمدتاً از باتری‌های قابل شارژ تغذیه می‌شوند و مدت زمان مأموریت آن‌ها مستقیماً به ظرفیت باتری وابسته است، افزایش برد عملیاتی و کاهش نیاز به بازیابی یا شارژ مجدد همواره یکی از مهم‌ترین چالش‌های این حوزه محسوب می‌شود. این پژوهش تلاش می‌کند نشان دهد که آیا می‌توان بخشی از انرژی هدررفته ناشی از حرکت وسیله در محیط دریایی را بازیابی کرده و به عنوان یک منبع تغذیه کمکی مورد استفاده قرار داد.

تاریخچه برداشت انرژی از ارتعاشات مکانیکی به بیش از دو دهه گذشته بازمی‌گردد. در این مدت پژوهش‌های فراوانی در حوزه سامانه‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS)، مبدل‌های پیزوالکتریک و مبدل‌های انرژی امواج انجام شده است. بیشتر سامانه‌های اولیه بر پایه نوسانگرهای خطی طراحی شده بودند که تنها در نزدیکی فرکانس تشدید عملکرد مطلوبی داشتند. اگرچه این سامانه‌ها در شرایط آزمایشگاهی راندمان مناسبی از خود نشان می‌دادند، اما در محیط‌های واقعی با تحریک‌های غیرایستا و دارای طیف فرکانسی گسترده، کارایی آن‌ها به شدت کاهش می‌یافت. محیط دریایی نیز دقیقاً چنین شرایطی دارد؛ زیرا امواج دریا، حرکت وسیله و تغییرات وضعیت عملیاتی، دارای فرکانس‌ها و دامنه‌های متغیر هستند. به همین دلیل طی سال‌های اخیر پژوهشگران به سمت توسعه سامانه‌های غیرخطی، تک‌پایدار و دوپایدار حرکت کرده‌اند تا محدودیت‌های سامانه‌های خطی را برطرف کنند.

یکی از مشکلات اساسی که این پایان‌نامه به دنبال حل آن است، عدم امکان استفاده مؤثر از انرژی ارتعاشی موجود در وسایل نقلیه زیرآبی برای تولید برق است. در شرایط فعلی، تمامی انرژی مورد نیاز سامانه‌های ناوبری، حسگرها، تجهیزات مخابراتی و سامانه‌های مأموریتی از باتری تأمین می‌شود. با کاهش شارژ باتری، وسیله مجبور به بازگشت، بازیابی یا شارژ مجدد خواهد بود که این موضوع هزینه عملیاتی را افزایش داده و مدت مأموریت را محدود می‌کند. علاوه بر این، در شرایط اضطراری که وسیله روی سطح آب شناور می‌شود و باتری اصلی تخلیه شده است، امکان از کار افتادن فرستنده موقعیت‌یاب نیز وجود دارد. بنابراین ایجاد یک منبع انرژی مستقل که بتواند از حرکت طبیعی وسیله در اثر امواج دریا برق تولید کند، اهمیت بسیار زیادی دارد.

در این پژوهش ابتدا ساختار یک برداشت‌کننده انرژی نوسانی جدید طراحی شده است. این سامانه از دو بخش اصلی شامل استاتور و جرم متحرک تشکیل شده است. جرم متحرک شامل مجموعه‌ای از آهنرباهای حلقوی نئودیمیومی است که به صورت متناوب قطب‌بندی شده‌اند و در امتداد یک محور حرکت می‌کنند. با حرکت این مجموعه در داخل سیم‌پیچ‌های سه‌فاز، میدان مغناطیسی متغیر ایجاد شده و مطابق قانون القای فارادی، ولتاژ و جریان الکتریکی تولید می‌شود. انرژی تولید شده پس از عبور از یک یکسوساز سه‌فاز به جریان مستقیم تبدیل شده و قابلیت شارژ باتری یا تغذیه مصرف‌کننده‌های الکتریکی را خواهد داشت.

برای تحلیل عملکرد این سامانه، مدل ریاضی جامعی تدوین شده است که تمامی نیروهای مؤثر بر جرم متحرک را در نظر می‌گیرد. این نیروها شامل نیروی تحریک ناشی از شتاب وسیله، نیروی میرایی الکترومغناطیسی، نیروی فنر، نیروی ضربه‌گیرهای انتهایی و نیروی آهنرباهای انتهایی هستند. سپس معادلات حرکت سامانه استخراج شده و با استفاده از نرم‌افزار MATLAB و حل‌کننده ODE45 پاسخ دینامیکی سامانه در شرایط مختلف شبیه‌سازی شده است. همچنین برای طراحی میدان مغناطیسی و محاسبه شار مغناطیسی از نرم‌افزار FEMM و برای طراحی مکانیکی از نرم‌افزار SolidWorks استفاده شده است.

یکی از نقاط قوت این پژوهش استفاده از داده‌های واقعی یک وسیله زیرآبی Bluefin-21 است. برخلاف بسیاری از مطالعات که از تحریک‌های سینوسی ایده‌آل استفاده می‌کنند، در این پایان‌نامه اطلاعات واقعی شتاب، سرعت و موقعیت وسیله در یک مأموریت دریایی واقعی مورد استفاده قرار گرفته است. داده‌های ثبت‌شده توسط سامانه ناوبری این وسیله شامل حرکت در حالت غوطه‌ور و همچنین شناوری روی سطح آب بوده و به کمک تقریب سری فوریه به توابع پیوسته تبدیل شده‌اند تا بتوانند به عنوان ورودی مدل دینامیکی مورد استفاده قرار گیرند. این موضوع باعث شده نتایج تحقیق به شرایط عملیاتی واقعی بسیار نزدیک‌تر باشند.

در ادامه چهار معماری مختلف برای برداشت‌کننده انرژی طراحی و با یکدیگر مقایسه شده‌اند. نخستین معماری، سامانه شناور آزاد است که در آن جرم متحرک بدون استفاده از فنر یا آهنربای انتهایی آزادانه حرکت می‌کند. این ساده‌ترین ساختار محسوب می‌شود و به عنوان مبنای مقایسه سایر مدل‌ها انتخاب شده است. معماری دوم، سامانه تک‌پایدار خطی است که با استفاده از فنر، جرم متحرک همواره به موقعیت مرکزی بازمی‌گردد. معماری سوم، سامانه تک‌پایدار غیرخطی است که به جای فنر از آهنرباهای دافعه استفاده می‌کند و رفتار غیرخطی ایجاد می‌شود. در نهایت معماری چهارم، سامانه دوپایدار است که با ترکیب آهنرباهای جاذبه و فنرها دو نقطه تعادل پایدار ایجاد کرده و امکان برداشت انرژی از نوسانات بزرگ‌تر را فراهم می‌کند.

برای هر یک از این چهار ساختار، ضرایب میرایی، سختی فنر، نیروی آهنرباها و سایر پارامترهای طراحی بهینه‌سازی شده‌اند تا بیشترین توان قابل برداشت حاصل شود. نتایج نشان دادند که سامانه تک‌پایدار خطی در شرایط شبیه‌سازی‌شده بیشترین توان متوسط را تولید می‌کند، اما اختلاف عملکرد آن با سامانه شناور آزاد بسیار اندک است. از سوی دیگر، سامانه‌های غیرخطی و دوپایدار اگرچه از نظر تئوری قابلیت عملکرد بهتری در برخی شرایط دارند، اما نسبت به تغییر طیف فرکانسی امواج حساس‌تر بوده و در عمل همیشه عملکرد بهتری ارائه نمی‌دهند. همچنین پیچیدگی ساخت، هزینه بیشتر و نیاز به تنظیم دقیق از دیگر نقاط ضعف آن‌ها محسوب می‌شود.

در بخش دیگری از پژوهش، امکان استفاده از راهبردهای کنترل فعال نیز بررسی شده است. ایده اصلی این بود که با استفاده از آهنرباهای الکترومغناطیسی یا چرخش آهنرباهای انتهایی، زمان آزاد شدن جرم متحرک کنترل شود تا بیشترین انرژی از هر سیکل نوسان استخراج گردد. اگرچه شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که کنترل فعال می‌تواند انرژی برداشت‌شده را تا حدود سه برابر افزایش دهد، اما انرژی مصرفی سامانه کنترل از انرژی تولیدشده بیشتر بود. به همین دلیل استفاده از کنترل فعال از نظر اقتصادی و انرژی مقرون‌به‌صرفه تشخیص داده نشد و کنار گذاشته شد.

یکی دیگر از بخش‌های مهم پایان‌نامه، تحلیل توان نظری قابل دستیابی است. بر اساس نتایج محاسبات، هنگام حرکت وسیله در عمق آب، میزان انرژی قابل برداشت بسیار ناچیز است؛ زیرا دامنه شتاب‌ها کوچک است. اما زمانی که وسیله روی سطح آب شناور بوده و تحت تأثیر امواج قرار می‌گیرد، مقدار انرژی قابل برداشت بیش از دو مرتبه بزرگی افزایش می‌یابد. این نتیجه نشان می‌دهد که بهترین شرایط بهره‌برداری از برداشت‌کننده انرژی، زمان شناوری وسیله روی سطح آب است؛ زمانی که معمولاً وسیله در انتظار بازیابی یا ارسال موقعیت خود قرار دارد.

نتایج نهایی نشان دادند که اگرچه توان تولیدشده برای شارژ مجدد باتری اصلی وسیله کافی نیست و نمی‌تواند نقش یک منبع اصلی انرژی را ایفا کند، اما برای تغذیه تجهیزاتی با توان مصرفی پایین، به‌ویژه فرستنده‌های اضطراری تعیین موقعیت، بسیار مناسب است. در واقع این سامانه قادر است تا زمانی که وسیله روی سطح آب شناور است، انرژی لازم برای ارسال مداوم سیگنال موقعیت را فراهم کند. چنین قابلیتی می‌تواند احتمال یافتن وسیله در مأموریت‌های نظامی، تحقیقاتی و امدادی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

از دیدگاه اقتصادی نیز هزینه ساخت سامانه مورد بررسی قرار گرفته است. بخش عمده هزینه مربوط به آهنرباهای نئودیمیومی است و سایر اجزا شامل شفت، یاتاقان‌ها، ضربه‌گیرها و تجهیزات الکترونیکی هزینه نسبتاً پایینی دارند. هرچند هزینه اولیه ساخت سامانه قابل توجه است، اما در کاربردهایی که افزایش قابلیت اطمینان، بازیابی سریع وسیله و کاهش احتمال از دست رفتن تجهیزات اهمیت دارد، این هزینه قابل توجیه خواهد بود.

در پایان، نویسنده پیشنهادهایی برای ادامه تحقیقات ارائه می‌دهد. از جمله این پیشنهادها می‌توان به بهینه‌سازی بیشتر طراحی مغناطیسی استاتور و جرم متحرک، افزایش جرم مؤثر، بررسی آرایه‌ای از برداشت‌کننده‌های کوچک به جای یک سامانه بزرگ، توسعه راهبردهای کنترل هوشمند با مصرف انرژی پایین، انجام آزمایش‌های عملی روی نمونه واقعی و ارزیابی عملکرد سامانه در شرایط مختلف دریایی اشاره کرد. همچنین اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی از طریق آزمایش‌های میدانی می‌تواند گام مهمی در تجاری‌سازی این فناوری باشد.

به طور کلی، این پایان‌نامه نشان می‌دهد که برداشت انرژی از نوسانات وسایل نقلیه زیرآبی، اگرچه راهکاری برای شارژ مستقیم باتری اصلی نیست، اما می‌تواند به عنوان یک منبع انرژی کمکی قابل اعتماد، ساده و مستقل برای تجهیزات حیاتی مورد استفاده قرار گیرد. پژوهش حاضر با ارائه یک طراحی نوآورانه، مدل‌سازی دقیق، استفاده از داده‌های واقعی، مقایسه جامع چهار معماری مختلف و تحلیل اقتصادی، مسیر مناسبی برای توسعه نسل آینده سامانه‌های برداشت انرژی در وسایل نقلیه دریایی هوشمند ترسیم کرده است.
“`html

“`

وقتی امواج دریا باتری می‌سازند؛ ایده‌ای که می‌تواند آینده زیردریایی‌های بدون‌سرنشین را تغییر دهد

وسایل نقلیه زیرآبی بدون‌سرنشین هر سال هوشمندتر، سریع‌تر و کارآمدتر می‌شوند؛ اما هنوز یک محدودیت قدیمی گریبان آن‌ها را رها نکرده است: باتری. هرچه مأموریت طولانی‌تر باشد، نگرانی درباره تمام شدن انرژی نیز بیشتر می‌شود. اما اگر خودِ حرکت دریا بتواند بخشی از انرژی موردنیاز این وسایل را تأمین کند چه؟ این دقیقاً همان ایده‌ای است که در این پژوهش بررسی شده؛ ایده‌ای که شاید در نگاه اول شبیه داستان‌های علمی‌تخیلی باشد، اما بر پایه اصول دقیق مهندسی شکل گرفته است.

حرکت‌های به ظاهر بی‌فایده، منبعی برای تولید برق هستند

هر وسیله زیرآبی هنگام حرکت یا شناور بودن روی سطح آب دائماً تحت تأثیر امواج و شتاب‌های مختلف قرار می‌گیرد. این حرکات معمولاً تنها به‌عنوان اغتشاش یا مزاحمت در نظر گرفته می‌شوند، اما پژوهش حاضر دیدگاه متفاوتی دارد.

ایده اصلی این است که جرم متحرکی در داخل وسیله قرار گیرد تا همزمان با نوسانات دریا حرکت کند. این حرکت باعث عبور آهنرباها از میان سیم‌پیچ‌ها شده و انرژی مکانیکی را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

چرا این موضوع مهم است؟

زیرا به جای مقابله با ارتعاشات، از همان انرژی هدررفته برای تولید برق استفاده می‌شود؛ رویکردی که یکی از جذاب‌ترین مفاهیم مهندسی انرژی در سال‌های اخیر محسوب می‌شود.

برخلاف بسیاری از تحقیقات، همه چیز با داده‌های واقعی آزمایش شد

یکی از نقاط قوت این پژوهش، استفاده از اطلاعات واقعی یک وسیله زیرآبی Bluefin-21 است.

به جای اینکه شبیه‌سازی‌ها بر اساس موج‌های کاملاً منظم و ایده‌آل انجام شوند، داده‌های واقعی مأموریت دریایی شامل سرعت، شتاب و موقعیت وسیله وارد مدل شده‌اند. این موضوع باعث شده نتایج به شرایط واقعی دریا بسیار نزدیک‌تر باشند.

این تفاوت شاید در ظاهر ساده به نظر برسد، اما در تحقیقات مهندسی اهمیت بسیار زیادی دارد؛ زیرا بسیاری از مدل‌های آزمایشگاهی هنگام ورود به محیط واقعی عملکرد کاملاً متفاوتی پیدا می‌کنند.

همه طراحی‌های پیچیده الزاماً بهترین نیستند

شاید انتظار داشته باشید پیچیده‌ترین سامانه، بیشترین انرژی را تولید کند؛ اما نتایج این تحقیق دقیقاً خلاف این تصور را نشان می‌دهد.

چهار نوع برداشت‌کننده انرژی طراحی و با یکدیگر مقایسه شدند:

• شناور آزاد
• تک‌پایدار خطی
• تک‌پایدار غیرخطی
• دوپایدار

در پایان مشخص شد که طراحی بسیار ساده «شناور آزاد» تقریباً همان عملکرد مدل‌های پیچیده‌تر را ارائه می‌دهد و حتی در شرایط واقعی احتمالاً قابل اعتمادتر نیز خواهد بود.

این نتیجه یادآوری می‌کند که در مهندسی، سادگی اغلب یک مزیت بزرگ است، نه یک ضعف.

امواج سطح دریا، گنجینه واقعی انرژی هستند

یکی از جالب‌ترین یافته‌های پژوهش این است که محل قرارگیری وسیله اهمیت بسیار زیادی دارد.

هنگامی که وسیله در عمق آب حرکت می‌کند، میزان انرژی قابل برداشت بسیار ناچیز است؛ اما زمانی که روی سطح آب شناور می‌شود، انرژی قابل استخراج بیش از دو مرتبه بزرگی افزایش پیدا می‌کند.

این یافته نشان می‌دهد که اگر هدف برداشت انرژی باشد، شناوری روی سطح آب فرصت بسیار ارزشمندتری نسبت به حرکت در اعماق محسوب می‌شود.

این سامانه قرار نیست باتری اصلی را شارژ کند

شاید بزرگ‌ترین شگفتی پایان‌نامه همین باشد.

پس از تمام شبیه‌سازی‌ها و بهینه‌سازی‌ها، پژوهشگر صادقانه نتیجه می‌گیرد که این سامانه برای شارژ کامل باتری اصلی وسیله مناسب نیست.

اما این به معنی شکست ایده نیست.

برعکس، انرژی تولیدشده برای تغذیه تجهیزات کم‌مصرفی مانند فرستنده‌های اضطراری، چراغ‌های هشدار یا سامانه‌های مکان‌یابی کاملاً کافی است.

همین موضوع می‌تواند در عملیات‌های دریایی تفاوت بین پیدا شدن یا گم شدن یک وسیله میلیون دلاری را رقم بزند.

کنترل هوشمند همیشه راه‌حل بهتر نیست

در بخش دیگری از تحقیق، امکان استفاده از کنترل فعال نیز بررسی شده است.

ایده این بود که با کمک آهنرباهای کنترل‌شونده، حرکت جرم داخلی دقیق‌تر مدیریت شود تا انرژی بیشتری تولید گردد.

نتیجه اولیه بسیار امیدوارکننده بود؛ میزان انرژی برداشت‌شده تقریباً سه برابر افزایش یافت.

اما یک مشکل بزرگ وجود داشت.

سامانه کنترل برای انجام این کار انرژی بیشتری نسبت به برق تولیدشده مصرف می‌کرد.

این نتیجه یکی از مهم‌ترین درس‌های مهندسی را دوباره ثابت می‌کند: افزایش راندمان، زمانی ارزشمند است که هزینه آن از سودش کمتر باشد.

گاهی ارزان‌ترین طراحی، بهترین انتخاب است

یکی دیگر از نتایج ارزشمند پژوهش، تحلیل اقتصادی آن است.

اگرچه استفاده از آهنرباهای نئودیمیومی هزینه اولیه سامانه را افزایش می‌دهد، اما سایر اجزای دستگاه نسبتاً ساده و ارزان هستند.

از سوی دیگر، طراحی ساده شناور آزاد علاوه بر هزینه کمتر، نگهداری آسان‌تر و حساسیت پایین‌تری نسبت به تغییر شرایط دریا دارد.

همین موضوع باعث شده پژوهشگر این طراحی را به‌عنوان مناسب‌ترین گزینه برای کاربردهای واقعی پیشنهاد کند.

آینده این فناوری هنوز آغاز راه است

پژوهش حاضر تنها نقطه شروع محسوب می‌شود.

نویسنده پیشنهاد می‌کند در آینده از آرایه‌ای از برداشت‌کننده‌های کوچک به جای یک سامانه بزرگ استفاده شود، طراحی مغناطیسی بهینه‌تر گردد، جرم متحرک افزایش یابد و نمونه‌های واقعی در شرایط مختلف دریایی آزمایش شوند.

اگر این مسیر ادامه پیدا کند، شاید در آینده وسایل زیرآبی بتوانند بخشی از انرژی موردنیاز خود را بدون وابستگی کامل به باتری تأمین کنند؛ موضوعی که می‌تواند مدت مأموریت، قابلیت اطمینان و ایمنی آن‌ها را به شکل قابل توجهی افزایش دهد.

جمع‌بندی

این پایان‌نامه نشان می‌دهد که حتی کوچک‌ترین نوسانات امواج دریا نیز می‌توانند به یک منبع ارزشمند انرژی تبدیل شوند. شاید این فناوری هنوز نتواند باتری اصلی یک وسیله زیرآبی را شارژ کند، اما برای تأمین برق تجهیزات حیاتی، یک راهکار هوشمند، کم‌هزینه و قابل اعتماد به شمار می‌آید.

و شاید مهم‌ترین پرسشی که این پژوهش مطرح می‌کند این باشد:

اگر بتوانیم از انرژی‌هایی که امروز نادیده می‌گیریم استفاده کنیم، فردا چه فناوری‌های دیگری امکان‌پذیر خواهند شد؟