انرژی امواج دریا و انرژی اقیانوسی

اقیانوس‌ها منابعی عظیم از انرژی حرکتی‌اند،که به صورت امواج، جزر و مد و جریانهای همیشگی سطحی یا زیر آبی، ناشی از اختلاف حرارت نقاط گوناگون، دیده می‌شود.

بررسی به‌کارگیری انرژی امواج پیشینه‌ای طولانی ندارد و تنها چند دهه است که پژوهش‌ها در این زمینه آغاز شده‌است، اما بهره‌گیری از انرژی حاصل از اختلاف حرارتی در اقیانوس‌ها، بــه ســال ۱۹۲۹ بــاز می‌گــردد.

امروزه ساخــت نیــروگاه‌هــای OTEC(Ocean Temperature Energy Conversion) رو به افزایش است که با تبدیل انرژی حاصل از اختلاف حرارت، به انرژی الکتریکی، گامی نو در تولید برق به شمار می‌رود، اما هنوز تنگناهایی در این راستا وجود دارد که باید رفع شود.

برای نمونه باید خط‌های انتقال نیرو را تا سواحل گسترس داد و بناهای تولید و انتقال را در برابر طوفانهای دریایی و آب و هوای ساحلی مقاوم ساخت و نیز، تجهیزات نیروگاه‌هایی از این دست هنوز بسیار پر‌هزیه است و حجم زیادی اشغال می‌کند.

با ساخت این نیروگاه‌ها می‌توان به مناطقی که به دلیل دور از دسترس بودن یا محصور بودن در آب، امکان وصل شدن به شبکه‌ی سراسری را ندارند، برق رساند و حتی آب شیرین این نواحی را نیز در کنار همین نیروگاه‌ها فراهم ساخت.

ایران نیز با داشتن خط ساحلی بسیار طولانی (بیش از ۱۸۰۰ کیلومتر در جنوب) وجزایر متعدد، از جمله کشورهایی است که می‌تواند بهره‌های فراوانی از این انرژی ببرد.

استفاده از انرژی حرکتی فراوان امواج دریا نیز گرچه فعلا” در ابعاد بزرگ امکان‌پذیر نمی‌باشد، اما نمونه‌های کوچک آن برای تولید برق مورد استفاده قرار گرفته است.در حال حاضر تولید انرژی از امواج دریا بسیار گران قیمت است و حرفه اقتصادی ندارد.

تکنولوژی های استحصال انرژی الکتریکی از جریانهای دریایی

انرژی تجدید شونده( انرژی نو و نا آلاینده)

انرژی تجدید شونده از منابع انرژی که پیوسته توسط طبیعت پر می شوند , خورشید , باد , آب,گرمای زمین و درختان ونباتات بدست می آید. قبل از پیشرفت صنعت این منابع تنها شکل انرژی قابل استفاده توسط انسان بود. طی ۱۵۰ سال اخیر شهرنشینی به طور روز افزون وابسته به سوختهای فسیلی , زغال سنگ وگازهای طبیعی شده است.

تکنولوژی انرژی تجدید شونده این سوختها را به انرژی قابل استفاده , اغلب به صورت الکتریسیته , گرما , مواد شیمیایی و توان مکانیکی تبدیل می کند.

چرا از انرژی تجدید شونده استفاده می کنیم ؟

به طور کلی استفاده از انرژی تجدید پذیر فواید بسیاری دارد که شامل موارد زیر می شود :

۱) استفاده از منابع ایمن , محلی و دوباره تجدید شونده

۲) کاهش بستگی به انرژی های تجدید ناپذیر

۳) کمک به پاکیزه نگه داشتن هوا ، آب و خاک

۴) کاهش تولید دی اکسید کربن و دیگر گازهای گلخانه ای

۵) ایجاد اشتغال در صنعت

یک بررسی آماری

نمودار  شکل -۱ انرژی حاصل از منابع مختلف را در جهان نشان می دهد . ۱۳/۳درصد از این سوختها از انرژی تجدید پذیر بوده که ۲/۲ درصد آن از انرژی توان آبی ۱۰/۶درصد از مواد سوختی تجدید شونده و ۰/۵ درصد دیگر از منابع تجدیدپذیر شامل ۰/۰۰۰۵ درصد جذر و مدی , ۰/۰۱۵۱ درصد باد, ۰/۰۳۹درصد خورشید و ۰/۴۱۶درصد ژئو حرارتی است .

شکل -۱ تولید انرژی از منابع مختلف در جهان

منابع تجدیدپذیر طی ۳۳ سال اخیر رشد سالیانه ۳/۲ درصدی داشته اند . گونه دیگر انرژی تجدید پذیر در نمودار شکل -۲ که از آن به تجدید شونده های جدید یاد می شود , آمده است که شامل : ژئوحرارتی , خورشیدی , بادی و جذر و مد است و رشد سالیانه ۸ درصدی داشته است.

شکل -۲ رشد سالیانه انرژیهای تجدید شونده

منابع تجدید پذیر سومین رتبه در تولید الکتریسیته جهانی را دارد . در سال ۲۰۰۳ سهم آنها %۱۸ بوده است که پس از زغال سنگ (۴۰%) و گاز طبیعی (۱۹%) و قبل از منابع هسته ای (۱۶%) و نفت (۷%) قرار دارند. اکثر الکتریسیته تولیدی از نیروگاه های توان آبی (۹۰%) می باشد . شکل -۳٫

شکل -۳ سهم تولید الکتریسته از منابع مختلف

انرژی را میتوان به چهار صورت از اقیانوس استخراج کرد :

۱-انرژی جریان های آبی  Marine current energy

۲-انرژی موج  Wave energy

۳-انرژی جذر و مدtidal energy

۴-تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس ocean thermal energy conversion

در ادامه هر یک از این منابع انرژی را مورد بررسی قرار می دهیم .

۱- انرژی جریان های آبی

آب اقیانوس مدام درحال حرکت است . جریان های اقیانوسی در الگوهای مختلفی حرکت   میکنند که تحت تاثیر باد , شوری آب , دما , نقشه کف اقیانوس و چرخش زمین قرار دارد. جریانات اقیانوسی توسط بادو گرمای آب نزدیک استوا در اثر خورشید ایجاد می شوند . گرچه برخی از این جریانات از اختلاف چگالی و شوری آب حاصل می شوند. این جریانات نسبتاً ثابت اند وتنها در یک جهت جریان دارند .گرچه جریانات اقیانوسی با سرعت کمتر از سرعت باد حرکت می کنند ولی بخاطر چگالی زیاد آب مقدار قابل توجهی انرژی حمل می کند. آب ۸۰۰ برابر چگالتر از هواست بنابراین برای مساحت سطح یکسان , آب با سرعت ۱۲ مایل بر ساعت همان فشاری اعمال می کند که باد با سرعت ۱۱۰ مایل بر ساعت .

توان کلی جریانات اقیانوسی حدود TW5 تخمین زده می شود که درهمان حد مصرف الکتریسیته جهانی است . بهر حال استخراج انرژی تنها در نواحی محدودی که جریانات نزدیک محیط اقیانوس(سواحل) متمرکز است , عملی است و یا در تنگه ها و گذرگاه های باریک بین جزایر Landform و پستی و بلندیها  . بنابراین تنها بخشی کوچکی از انرژی کل , قابل تبدیل به انرژی الکتریکی و یا صور دیگر انرژی است .

توان جریان متناسب با مکعب سرعت جریان است. برای جریانات جذر و مدی نزدیک ساحل مدخل رودخانه و در کانالهای بین خشکی و جزیره , سرعت جریان به صورت سینوسی با زمان تغییر می کند , با پریودی که بستگی به مولفه های مختلف جذر ومدی دارد . سایتهایی که برای بهره برداری مناسب اند – از لحاظ اقتصادی به صرفه اند – ماکزیمم سرعت جریان های بیش از ۵/۱ دارند. برای سایتهای با جریانات غیر نوسانی, ماکزیمم سرعت جریان ممکن است ۱ باشد .

منابع در بیشتر اروپا و در اطراف انگلستان , ایرلند , یونان ,فرانسه و ایتالیا قرار دارند. دراین نواحی ۱۰۶ محل مشخص شده است و تخمین زده می شود که با استفاده از تکنولوژی روز بتوان ۴۸ (تریلیون وات ساعت بر سال ) از برق اروپا را تامین کرد . محل هایی با پتانسیل بالا در فیلیپین , ژاپن , استرالیا, آفریقای شمالی و آمریکای جنوبی شناسایی شده است .

سریعترین جریانات غیر جذر و مدی اقیانوسی با فرآیندهای پیچیده شامل جذب تابش خورشیدی توسط اتمسفر و اقیانوس انجام می شود. این امر با تبدیل و توزیع مجدد از استوا به سمت قطبها با حرکت جریان های هوا و آب و درنهایت تمرکز جریانات اقیانوسی روی لبه های غربی اقیانوس ( یا سواحل شرقی ) با چرخش زمین انجام می شود. Gulf stream در اقیانوس اطلس , kuroshi در اقیانوس آرام (ژاپن) و Agul as-somali در سواحل شرقی آفریقا سیستم های جریان دریایی اصلی را تشکیل می دهند.

۱-۱ تکنولوژی استحصال انرژی از جریانهای آبی

روش بسیار متداول برای بهره برداری از جریانات استفاده از توربین است که عمود بر جهت

جریان در بستر دریا قرار می گیرد و یا از سکوی شناوری آویزان می شود. توان قابل استخراج بصورت تابعی از قطر پروانه توربین برای چندین سرعت جریان در نمودار شکل -۴ آمده است.

شکل -۵ یک توربین محور افقی را نشان می دهد. در آبهای کم عمق (عمق ۳۰-۲۰ متر ) قرار دادن توربین در بستر دریا مناسب تر است در حالی که ساختار شناور در آبهای کم عمق و عمیق (عمق بیش از ۵۰ متر) هر دو مناسب است.

شکل -۴ توان قابل استخراج بصورت تابعی از قطر چرخنده توربین برای چندین سرعت جریان

شکل-۶ دستگاهی با kw 300 بنام sea flow را در انگلستان نشان می دهد . سرعت جریان در این سایت ۵/۲ متر بر ثانیه است .

شکل -۷ یک توربین با توان kw 130 را در ایتالیا نشان میدهد , در حالی که سرعت متوسط جریان ۵/۱ متر بر ثانیه و عمق آب ۲۰ متر است .

برای استفاده از انرژی جریانات چالشهایی وجود دارد از جمله :

۱) ایجاد حفره (cavitation)روی دستگاه ها باعث افت بازدهی می شود.

۲) تاثیر روی محیط زیست دریا و تغییر الگوی انتقال رسوب

۳) قابلیت اطمینان (زیرا هزینه نگهداری بالاست )

۴) خوردگی و فرسایش دستگاه ها در آب به علت شوری محیط

شکل -۷ یک توربین با توان kw130

برنامه ریزی استفاده از انرژی جریانات نیاز به محافظت از گونه های آبی از آسیب دیدن در اثر چرخش پره های توربین دارد. و یا ملاحظات مربوط به کند شدن جریان با استخراج انرژی از جریان اثرات موضعی مانند تغییرات ترکیب مدخل رودخانه می تواند روی گونه های آبزی اثر بگذارد.

انرژی امواج

انرژی امواج را می توان یک شکل متمرکز شده از انرژی خورشید دانست. بادها در اثر اختلاف دمایی زمین ایجاد می شوند و با وزش روی ناحیه وسیعی از آب , قسمتی از انرژی آنها به موج تبدیل می شود. مقدار انرژی منتقل شده و اندازه موج حاصل بستگی به سرعت باد , مدت زمان وزش باد و مسافتی که باد روی آن وزیده دارد . توان خورشیدی تقریبی ۱۰۰ به امواجی با توان kw50-10 بر متر تبدیل می شود. نواحی که پر انرژی ترین امواج را دارند عبارتند از : سواحل غربی آمریکا , اروپا , استرالیا و نیوزلند.

شکل -۸ الگوی جهانی امواج

توان جهانی امواج حدود ۸۰۰۰۰-۸۰۰۰ تریلیون وات – ساعت بر سال (Tw10-1) تخمین زده می شود که از همان مرتبه بزرگی مصرف انرژی الکتریکی جهان است  نواحی با امواج مطلوب و مناسب درعرض جغرافیایی ۳۰  قرار دارند , جایی که باد های منظم می وزد . توان موجود متناسب با مربع ارتفاع موج و دوره تناوب موج است . انرژی موج در ماه های زمستان بیشترین مقدار خود را دارد .انرژی در موج به صورت تبدیل انرژی پتانسیل و جنبشی در موج است . حرکت چرخه ای موج , انرژی را به سمت جلو پیش می برد .

۲-۱ تکنولوژی استحصال انرژی از امواج

گرچه طراحی های زیادی انجام شده و آزمایشات تئوری و عملی زیادی صورت گرفته ولی تنها ابزار اندکی برای تست به کار گرفته شده است . چندین نیروگاه نمایشی تا کنون ساخته شده و یا در دست ساخت است . در اینجا دستگاه های مورد استفاده برای بهره برداری از انرژی امواج را بر طبق مکان قرار گیری آنها طبقه بندی می کنیم :

۱) دستگاه های ساحلی (shoreline)

۲) دستگاه های نزدیک ساحل (near –shore) (ثابت شده در کف اقیانوس )

۳) دستگاه های دور از ساحل (off shore)

دستگاه های ساحلی:

ستون آب نوسان کننده oscillating water column

یک ساختار زیر آبی است که در آن هوای بالای سطح آب بدام می افتد و امواج ورودی باعث نوسان ستون آب می شود که باعث می شود توربین به حرکت در آید شکل -۹ .

منبع : iranecs.com