سیستمهای کمک رانشی ثابت بادی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای

مقدمه

تغییر اقلیم کره زمین یکی از اضطراری ترین مسائل زمان ما است و صنعت دریایی به دلیل تأثیرات زیست محیطی قابل توجه و پتانسیل بالای فناوری در آن، نقشی حیاتی در این زمینه دارد. یکی از راهبرد های کلیدی برای کاهش ردپای کربن و کمک به مبارزه با تغییرات آب و هوایی، نیروی محرکه بادی است. پیشرفت های متعدد فناوری می تواند موید فرصت های بسیار خوبی در این زمینه باشد. بر این اساس، ایجاد سیستم های پیشران بادی موثر و مقرون به صرفه می تواند در بسیاری کشورها، در خدمت این راهبرد قرار بگیرد.

انرژی باد علاوه بر کمک به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، مزایای اقتصادی قابل توجهی را با کاهش هزینه های سوخت ارائه می دهد. در نتیجه اگر این زاویه به موضوع نگریسته شود، اجرای راه حل های پایدار اینچنینی، برای رفع چالش های زیست محیطی، بسیار مهم و حیاتی خواهد بود.

نیروی باد

باد به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر که هم رایگان و هم در دسترس همگان است، شناخته می شود. پیشرفت‌های فناوری، توسعه توربین‌های بادی را کارآمدتر و قابل اعتمادتر کرده است که می تواند حتی در شرایط وزش بادهای آرام تر، برق تولید کنند.

در صنعت دریانوردی، نیروی رانش بادی می تواند فرصتی منحصر به فرد برای مقابله با چالش های کربن زدایی، که بر اساس مقررات بین المللی و درخواست های عمومی ایجاد شده اند، به ما ارائه دهد. علاوه بر این، نوسانات قیمت سوخت، مالکان کشتی ها را علاقمند به تغییر سیستم های رانش خود برای کاهش هزینه ها، نموده است.

نمی توان این موضوع را نادیده گرفت که کشتی هایی که در دریاها و اقیانوس های ما حرکت می کنند ممکن است بتوانند از بادبان ها یا بالک های کمکی همراه با سیستم های رانش شان، استفاده کنند. در مسیرهای طولانی تر، به دلیل آنکه بادهای محیطی همواره در دسترس هستند، استفاده از فناوری های کمک رانشی بادی، منجر به حرکت با هزینه های کمتر خواهد شد. همچنین، سیستم های انرژی هیبریدی برای استفاده همزمان از انرژی های تجدید پذیر دیگر مانند نور خورشید یا سوخت های جایگزین کم کربن نیز می تواند منجر به افزایش اثرگزاری این راه حل گردد.

علاوه بر اینها، اقدامات پایدار جدیدی مانند کاهش توان موتورها، استفاده از سیستم های ایجاد حباب، تمیزکاری مکرر بدنه و نصب پروانه های بازطراحی شده، نیز وجود دارند. نیروی بادی تنها راه حلی است که پس از نصب روی کشتی، شکلی کاملاً جدید و بدون کربن از نیروی رانش را ارائه می دهد.

انواع سیستم های کمک رانشی بادی

امروزه سه نوع اصلی از فناوری سیستم کمک رانشی بادی وجود دارد. روتور فلتنر، بادبان های بادبادکی و بادبان های صلب که می توانند بر روی عرشه نصب گردند. احتمالاً بادبان های صلب (Wing Sail) معروف ترین آنها هستند.

روتور فلتنر ها (Flettner rotor)

این نوع سیستم های کمک رانشی بادی در واقع متشکل از یک استوانه بزرگ هستند که به صورت عمودی نصب شده و به صورت مکانیکی حول محور خود می چرخند و از طریق پدیده ای معروف به اثر مگنوس (Magnus Effect)، نیروی رانش ایجاد می کنند. اختراع فناوری به کار رفته در این سیستم ها به سالها قبل و در دهه 1920 بر می گردد. از آن زمان تاکنون استفاده از این فناوری محدود بوده اما با توجه به چالشهای فعلی، دوباره احیا شده است. به عنوان مثال می توان به فله بری به نام Afros (وزن مرده 64000تن) اشاره کرد که در سال 2018 ساخته شده و چهار روتور متحرک توسط Anemoi Marine Technologies بر روی عرشه آن، نصب شده است. با استفاده از این فناوری، کشتی مذکور توانست به صرفه جویی 12.5 درصدی در مصرف سوخت بین نانتونگ و ونکوور، برسد. ادعا می شود که روتورهای نصب شده توسط شرکت نورث پاور بر روی شناورهای گوناگون، کاهش مصرف سوخت بین 5 تا 20 درصدی را در پی خواهند داشت.

شکل 1 – روتور فلتنر

مکانیزم عملکردی روتور فلتنر ها

هنگامی که یک جسم در حال چرخش در جریان آب یا هوا قرار می گیرد، اثر مگنوس رخ می دهد. شکل 1 بردار های نیرویی را نشان می دهد که به دو دسته لیفت و درگ تقسیم شده اند. جهت نیروی بالابری (لیفت) به جهت چرخش بستگی داشته و عمود بر جهت جریان است. نیروی کشش (درگ) کوچکتر بوده و موازی با جهت جریان است. مانند شرایطی که یک توپ می چرخد، برهم نهی بردارهای نیرو، نیروی رانشی را  به دست خواهد داد. بدیهی است که به دلیل آنکه روتور ثابت شده است، کشتی نیروی رانشی به سمت جلو را احساس می کند. لازم به ذکر است که اختلاف فشاری مشابه آنچیزی در بالهای هواپیما رخ می دهد، به دلیل چرخش روتور، ایجاد می شود.

باد مستقیم برای این سیستم، می تواند دردسر ساز باشد. اما بادی که با زاویه 10 تا 15 درجه از خط مرکزی شناور بوزد، برای روتور کافیست تا مقدار قابل توجهی نیروی رانش تولید کند. در شکل 1، عملکرد روتور به عنوان تابعی از باد واقعی نمایش داده شده است. باید این موضوع را به خاطر سپرد که روتور بادی را تجربه می کند که حاصل برهم نهی باد واقعی محیطی است و حداکثر نیروی رانش زمانی به دست می آید که باد ظاهری در زاویه ای نزدیک به 90 درجه نسبت به روتور، بوزد. بنابراین، بیشترین نیروی رانشی در شکل 1 در زاویه وزش کمتر از 90 درجه ایجاد می شود.

مواد به کار رفته در ساخت روتور با توجه به تحقیقات صورت گرفته در سالیان دراز، به مرور تغییر کرده است. هدف از این تحقیقات به کارگیری مواد دارای استحکام بالاتر در عین حال سبک که قابلیت عملیات در محیط دریایی را داشته باشند، بوده است. بر این اساس، محققان استفاده از چوب و الیاف شیشه را نیز بررسی کردند. مهمترین ملاحظات در این روتور ها، حرکات دینامیکی کشتی (چرخش یا غلتش)، ارتعاشات بر روی شناور و شرایط محیطی مانند دریای مواج، آب و هوای نامناسب، دما و رطوبت، است.

روتور حاوی یک فضای توخالی است تمام تجهیزات و سنسورهای لازم در داخل آن تعبیه می شوند و به همین دلیل از تأثیرات محیط بیرونی در امان می مانند. سیلندر تنها قسمت چرخان در فلتنر روتور است. دیگر قسمت های داخلی همگی بدون حرکت هستند. در قسمت پایه این سیستم یک ورودی وجود دارد. البته خدمه کشتی نیازی به وارد شدن به این فضا را ندارند. روی دریچه وسیله ای برای توقف اضطراری روتور نصب شده تا در زمانی که شخصی درون آن باشد، روتور روشن نشود.

چالش ها و ملاحظات

به طور کلی چالش هایی پیش روی استفاده از این سیستم وجود دارد که در این قسمت به آنها اشاره می کنیم.

شرایط باد: کارایی روتور های فلتنر بسیار به شرایط وزش باد بستگی دارد. هنگامی که شرایط باد مساعد نیست، کشتی های ممکن است همچنان به موتورهای سنتی برای تولید نیروی رانش، نیاز داشته باشند.

هزینه های اولیه: مقاوم سازی یک کشتی برای نصب روتور های فلتنر، می تواند هزینه های اولیه قابل توجهی به همراه داشته باشد. با این حال این هزینه ها ممکن است با صرفه جویی که در مصرف سوخت و مزایای زیست محیطی در طول زمان به دست می آیند، جبران شوند.

اندازه و فضای لازم: اندازه روتور و فضای موجود عرشه می تواند نصب روتورهای فلتنر را بر روی کشتی های کوچکتر محدود کند.

تحقیق و توسعه: با وجود تمام پیشرفت های صورت گرفته، ادامه تحقیق و توسعه برای بهینه سازی طراحی و کارایی سیستم های روتور فلتنر، ضروری است.

در سال‌های اخیر، به عنوان بخشی از تلاش‌ها برای پایدارتر کردن حمل‌ونقل دریایی، علاقه دوباره به فناوری روتور فلتنر افزایش یافته است. شایان ذکر است که روتورهای فلتنر تنها یکی از چندین فناوری نیروی محرکه با کمک باد هستند که در صنعت کشتیرانی مورد بررسی قرار می گیرند و پذیرش آنها ممکن است همچنان به رشد خود ادامه دهد زیرا بخش دریایی به دنبال راه حل های نوآورانه برای کاهش اثرات زیست محیطی خود است.

بادبان های بادبادکی (Kite Sail)

بادبان های بادبادکی که به عنوان سیستم های پیشرانه با کمک بادبادک (کایت) نیز شناخته می شوند، یک فناوری جدید و نوآورانه در قلمرو سیستم های رانش بادی هستند. این سیستم ها از بادبادک های بزرگ یا بادبان های متصل به کشتی برای مهار نیروی باد و کمک به پیشرانه، استفاده می کنند. در اینجا به نحوه عملکرد و اهمیت آنها اشاره می شود.

شکل 2 – بادبان بادبادکی (کایت)

بادبان های بادبادکی چگونه کار می کنند

این سیستم کمک رانشی بادی، عموماً بادبادک های بزرگ و آئرودینامیکی هستند که برای جذب و استفاده از نیروی باد طراحی شده اند. آنها در شکل ها و اندازه های مختلفی طراحی می شوند. برخی همانند بادبان های سنتی بوده، در حالی که برخی دیگر ممکن است طراحی های منحصر به فردی داشته باشند.

این بادباک های عظیم بر روی عرشه شناور نصب شده و دارای یک سیستم راه اندازی مخصوص به خود هستند. اتصال به کشتی توسط کابل هایی سبک و مستحکم انجام می شود که نکته مهم در آن، زاویه ای است که باید با باد محیطی ایجاد شود تا نیروی آن به صورت بهینه جذب و تبدیل به نیروی رانش گردد. نیروی بالابری (لیفت) تولید شده همانند حالتی است که یک بادبادک عظیم، شخصی را از زمین بلند می کند.

با تولید نیروی رانش، کشتی به سمت جلو حرکت می کند. خدمه کشتی می توانند زاویه و موقعیت آن را کنترل کرده و تأثیرات بهینه نیروی بالابری را بر روی سرعت کشتی ایجاد نمایند.

مزایای استفاده

بهره وری سوخت: بادبان بادبادکی کاهش قابل توجهی در مصرف سوخت برای کشتی ها در پی خواهد داشت. با استفاده از نیروی باد، کشتی ها می توانند وابستگی خود را به موتورهای سنتی سوخت فسیلی کاهش دهند که منجر به صرفه جویی در هزینه و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای می شود.

مزایای زیست‌محیطی: استفاده از بادبان بادبادکی یک روش پایدار است که با تلاش‌ها برای کاهش ردپای کربن صنعت دریایی همسو است. این فناوری می تواند به کشتی ها کمک کند تا قوانین زیست محیطی سخت گیرانه تری را رعایت کنند و تأثیرات مخرب آنها بر محیط زیست کاهش یابد.

گسترش برد: بادبان‌های بادبادکی می‌توانند برد حرکتی کشتی را با ایجاد نیروی محرکه اضافی در شرایط مساعد بادی، افزایش دهند. این موضوع می تواند به ویژه برای سفرهای طولانی مدت، ارزشمند باشد.

تطبیق پذیری: بادبان های بادبادکی همه کاره هستند و می توانند در انواع مختلف کشتی ها از جمله کشتی های کانتینری، کشتی های فله بر و حتی کشتی های کوچکتر استفاده شوند. آنها را می توان به کشتی های موجود اضافه کرد یا در طراحی کشتی های نوساز، ادغام نمود.

کاهش هزینه های عملیاتی: در حالی که مطمئناً سرمایه گذاری اولیه در فناوری بادبان بادبادکی وجود دارد، صرفه جویی در هزینه های عملیاتی طولانی مدت، به ویژه از نظر مصرف سوخت، می تواند این فناوری را از نظر اقتصادی جذاب کند.

ایمنی: سیستم بادبان بادبادکی با در نظر گرفتن ایمنی طراحی شده است. آنها را می توان به راحتی در صورت نیاز انبار یا آماده به کار کرد. عملکرد آنها را می توان از راه دور کنترل کرد تا از ایمنی خدمه و کشتی اطمینان حاصل نمود.

بادبان های صلب (Wing Sail)

بادبان های صلب، همچنین به عنوان بادبان های بال جامد نیز شناخته می شوند، یک فناوری انقلابی در بادبانی هستند که مزایای متعددی را نسبت به بادبان های نرم سنتی ارائه می دهند. آنها برای مهار نیروی باد به طور کارآمد طراحی شده‌اند و معمولاً در انواع مختلف کشتی‌ها از جمله قایق‌های بادبانی، قایق‌های تفریحی و حتی کشتی‌های تجاری استفاده می‌شوند. در ادامه به بررسی اجمال بادبان های صلب پرداخته می شود.

شکل 3 – بادبان صلب

طراحی و عملکرد

بر خلاف بادبان های نرم معمولی ساخته شده از پارچه، بادبان های صلب دارای ساختاری سفت و سخت شبیه به بال هواپیما هستند. آنها معمولاً از مواد سبک وزن مانند فیبر کربن، آلومینیوم یا مواد کامپوزیت ساخته می شوند. این سختی امکان کنترل دقیق شکل و زاویه بادبان را فراهم می کند. بادبان های صلب با شکل ایرفویل، شبیه به بال هواپیما طراحی شده اند. این طرح با جریان باد بر سطح رویی و اطراف آن نیروی بالابری ایجاد می کند و در نتیجه نیروی رانش رو به جلو برای کشتی تولید می شود.

یکی از ویژگی های کلیدی بادبان های صلب، توانایی آنها در تنظیم زاویه حمله و پیچش در طول خود است. این انعطاف‌پذیری به ملوانان امکان می‌دهد تا عملکرد آن را مطابق با شرایط باد بهینه کنند، دقیقاً مانند تنظیم فلپ‌ها و ایلرون‌ها در بال هواپیما.

بادبان های صلب در تبدیل انرژی باد به حرکت رو به جلو بسیار کارآمد هستند. آنها نسبت به بادبان های سنتی نیروی بالابری و کشش کمتری ایجاد می کنند و این نکته آنها را برای قایقرانی و مسابقه مناسب می کند.

مزایای بادبان های صلب

افزایش عملکرد: بادبان های صلب می توانند سرعت و عملکرد بیشتری را در مقابل باد نسبت به بادبان های نرم ارائه دهند. توانایی آنها در حفظ شکل ثابت و ایجاد نیروی بالابری حتی در بادهای خفیف، یک مزیت قابل توجه است.

کاهش حرکت عرضی کشتی (Heel): قایق‌های بادبانی مجهز به بادبان‌های صلب، در مقایسه با قایق‌های با بادبان‌های سنتی، حرکات عرضی کمتری را تجربه می‌کنند که منجر به افزایش ثبات و راحتی برای مسافران و خدمه می‌شود.

کنترل پیشرفته: ساختار سفت و سخت بادبان های صلب اجازه کنترل دقیق بر شکل و جهت بادبان را می دهد که منجر به مانورپذیری و واکنش بهتر آنها، می شود.

کارایی در شرایط مختلف باد: بادبان های صلب می توانند در طیف وسیعی از شرایط بادی، از نسیم ملایم تا بادهای شدید، عملکرد خوبی داشته باشند، و آنها را برای محیط های مختلف قایقرانی، همه کاره می کند.

تعمیر و نگهداری کمتر: بادبان های صلب در مقایسه با بادبان های سنتی به نگهداری کمتری نیاز دارند زیرا کمتر مستعد ساییدگی و پارگی ناشی از قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش و سایر عوامل محیطی هستند.

پایداری: افزایش راندمان بادبان‌های صلب می‌تواند منجر به کاهش مصرف سوخت در سیستم‌های رانش با کمک بادبان یا هیبریدی شود که به پایداری در حمل‌ونقل دریایی کمک می‌کند.

چالش ها و ملاحظات

هزینه: هزینه اولیه طراحی و ساخت بادبان صلب در مقایسه با بادبان های سنتی می تواند نسبتاً بالا باشد.

وزن: در حالی که مواد سفت و سخت بادبان های صلب را بادوام و کارآمد می کنند، اما می توانند به وزن کلی شناور اضافه کنند که ممکن است بر پایداری آن نیز تأثیر بگذارند.

پیچیدگی: بهره برداری و نگهداری بادبان های صلب می تواند پیچیده تر از بادبان های سنتی باشد و به دانش و تجهیزات تخصصی نیاز دارد.

پذیرش: بادبان های صلب در کشتی های با کارایی بالا و مسابقه ای رایج تر است. پذیرش گسترده در حمل و نقل تجاری ممکن است نیاز به پیشرفت های فناوری بیشتر و کاهش هزینه ها، داشته باشد.

بادبان های صلب  نشان دهنده پیشرفتی امیدوارکننده در فناوری سیستم های کمک رانشی بادی هستند که کارایی و عملکرد را در طیف وسیعی از کاربردهای قایقرانی ارائه می دهند. با ادامه پیشرفت فناوری و کاهش هزینه‌ها، این امکان وجود دارد که در آینده شاهد استفاده گسترده‌تر از بادبان‌های صلب در شناورهای تفریحی و تجاری نیز باشیم. اگرچه این تجهیزات دارای درجه بالایی از اتوماسیون هستند، اما فرمانده شناور و خدمه نیاز به آموزش های اضافی در مورد نرم افزار ناوبری برای بهینه سازی و عملکرد ایمن آنها، خواهند داشت.

نتیجه

صنعت حمل و نقل با چالش بزرگی روبرو است که چگونه می تواند به لحاظ اقتصادی مقادیر فزاینده ای از کالاها و انرژی مورد نیاز جهان را حمل کند و در عین حال اثرات زیست محیطی آن را کاهش دهد. مزایای قابل توجه در پذیرش، آزمایش و هدایت فناوری‌های نوآورانه مانند بهره‌گیری از انرژی باد برای نیروی رانش، نویدی واقعی در کمک به صنعت کشتیرانی برای مقابله با این چالش خواهد بود.

از آنجایی که سیستم های کمک رانشی بادی در واقع ماشین آلاتی مجزا با عملکرد مستقل هستند، هر گونه خرابی آنها، باعث خرابی پیشرانه نمی شود.

به لطف آخرین پیشرفت‌ها در نرم‌افزار، تحقیقات در علم مواد و مهندسی کنترل، جدیدترین سیستم‌ها دارای وزن سبکتر، کاربری ساده تر هستند. در مورد تجهیز شناورهای موجود نیز روش نصب آنها، ساده و سریع است.

انتظار می‌رود که مقررات زیست‌محیطی در آینده سخت و سخت‌تر شود و هزینه‌های سوخت افزایشی باشد. بنابراین، استفاده از این سیستم ها گزینه مناسبی برای کاهش آلایندگی و صرفه جویی در هزینه ها خواهد بود.