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 1929 بــاز می‌گردد.

امروزه ساخــت نیــروگاه‌های (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 1800 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.

تکنولوژی‌های 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 و نباتات بدست می‌آید. قبل از پیشرفت صنعت این منابع تنها شکل انرژی قابل استفاده توسط انسان بود. طی 150 سال اخیر شهرنشینی به طور روز افزون وابسته به سوختهای فسیلی، زغال سنگ و گازهای 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 می‌کنیم ؟

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

1. استفاده از منابع ایمن، محلی و دوباره تجدید شونده

2. کاهش بستگی به انرژی‌های تجدید ناپذیر

3. کمک به پاکیزه نگه داشتن هوا ، آب و خاک

4. کاهش تولید دی اکسید کربن و دیگر گازهای گلخانه ای

5. ایجاد اشتغال در صنعت

یک بررسی آماری

نمودار  شکل -1 انرژی حاصل از منابع مختلف را در جهان نشان می دهد . 13/3درصد از این سوختها از انرژی تجدید پذیر بوده که 2/2 درصد آن از انرژی توان آبی 10/6درصد از مواد سوختی تجدید شونده و 0/5 درصد دیگر از منابع تجدیدپذیر شامل 0/0005 درصد جذر و مدی , 0/0151 درصد باد, 0/039درصد خورشید و 0/416درصد ژئو حرارتی است.

شکل -1 تولید انرژی از منابع مختلف در جهان

منابع تجدیدپذیر طی 33 سال اخیر رشد سالیانه 3/2 درصدی داشته اند . گونه دیگر انرژی تجدید پذیر در نمودار شکل -2 که از آن به تجدید شونده‌های جدید یاد می‌شود، آمده است که شامل: ژئوحرارتی، خورشیدی، بادی و جذر و مد است و رشد سالیانه 8 درصدی داشته است.

شکل -2 رشد سالیانه انرژیهای تجدید شونده

منابع تجدید پذیر سومین رتبه در تولید الکتریسیته جهانی را دارد. در سال 2003 سهم آنها %18 بوده است که پس از زغال سنگ (40%) و گاز طبیعی (19%) و قبل از منابع هسته ای (16%) و نفت (7%) قرار دارند. اکثر الکتریسیته تولیدی از نیروگاه‌های توان آبی (90%) می‌باشد. شکل -3.

شکل -3 سهم تولید الکتریسته از منابع مختلف

انرژی را میتوان به چهار صورت از اقیانوس استخراج کرد‌:

1. انرژی جریان‌های آبی  Marine current energy

2. انرژی موج  Wave energy

3. انرژی جذر و مدtidal energy

4. تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس ocean thermal energy conversion

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

1- انرژی جریان‌های آبی

آب اقیانوس مدام درحال حرکت است. جریان‌های 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 800 برابر چگالتر از هواست بنابراین برای مساحت سطح یکسان , آب با سرعت 12 مایل بر ساعت همان فشاری اعمال می کند که باد با سرعت 110 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 تنگه‌ها و گذرگاه‌های 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 مولفه‌های مختلف جذر ومدی دارد . سایتهایی که برای بهره برداری مناسب‌اند، از لحاظ اقتصادی به صرفه‌اند و ماکزیمم سرعت جریان‌های بیش از 5/1 دارند. برای سایتهای با جریانات غیر نوسانی, ماکزیمم سرعت جریان ممکن است 1 باشد.

منابع در بیشتر اروپا و در اطراف انگلستان , ایرلند , یونان ,فرانسه و ایتالیا قرار دارند. دراین نواحی 106 محل مشخص شده است و تخمین زده می شود که با استفاده از تکنولوژی روز بتوان 48 (تریلیون وات ساعت بر سال ) از برق اروپا را تامین کرد . محل‌هایی 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 می‌شود. این امر با تبدیل و توزیع مجدد از استوا به سمت قطب‌ها با حرکت جریان‌های هوا و آب و درنهایت تمرکز جریانات اقیانوسی روی لبه‌های غربی اقیانوس (یا سواحل شرقی) با چرخش زمین انجام می‌شود. Gulf Stream در اقیانوس اطلس, kuroshi در اقیانوس آرام (ژاپن) و Agul as-somali در سواحل شرقی آفریقا سیستم‌های جریان دریایی اصلی را تشکیل می‌دهند.

1-1 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 -4 آمده است.

شکل -5 یک توربین محور افقی را نشان می دهد. در آبهای کم عمق (عمق 30-20 متر ) قرار دادن توربین در بستر دریا مناسب تر است در حالی که ساختار شناور در آبهای کم عمق و عمیق (عمق بیش از 50 متر) هر دو مناسب است.

شکل -4 توان قابل استخراج بصورت تابعی از قطر چرخنده توربین برای چندین سرعت جریان

شکل-6 دستگاهی با kw 300 بنام sea flow را در انگلستان نشان می دهد. سرعت جریان در این دستگاه 5/2 متر بر ثانیه است.

شکل -7 یک توربین با توان kw 130 را در ایتالیا نشان میدهد, در حالی که سرعت متوسط جریان 5/1 متر بر ثانیه و عمق آب 20 متر است.

برای استفاده از انرژی جریانات چالشهایی وجود دارد از جمله:

1. ایجاد حفره (cavitation)روی دستگاه‌ها باعث افت بازدهی می شود.

2. تاثیر روی محیط زیست دریا و تغییر الگوی انتقال رسوب

3. قابلیت اطمینان (زیرا هزینه نگهداری بالاست )

4. خوردگی و فرسایش دستگاه‌ها در آب به علت شوری محیط

شکل -7 یک توربین با توان kw130

برنامه‌ریزی استفاده از انرژی جریانات نیاز به محافظت از گونه‌های آبی از آسیب دیدن در اثر چرخش پره‌های 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 گونه‌های 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 100 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 -8 الگوی جهانی امواج

توان جهانی امواج حدود 80000-8000 تریلیون وات ساعت بر سال (Tw10-1) تخمین زده می‌شود که از همان مرتبه بزرگی مصرف انرژی الکتریکی جهان است  نواحی با امواج مطلوب و مناسب درعرض جغرافیایی 30  قرار دارند، جایی که باد‌های منظم می وزد. توان موجود متناسب با مربع ارتفاع موج و دوره تناوب موج است. انرژی موج در ماه‌های 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 می‌برد.

2-1 تکنولوژی استحصال انرژی از امواج

گرچه طراحی‌های 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 دستگاه‌های مورد استفاده برای بهره برداری از انرژی امواج را بر طبق مکان قرار گیری آنها طبقه بندی می‌کنیم:

1. دستگاه‌های ساحلی (shoreline)

2. دستگاه‌های نزدیک ساحل (near –shore) (ثابت شده در کف اقیانوس)

3. دستگاه‌های دور از ساحل (off shore)

دستگاه‌های ساحلی:

ستون آب نوسان کننده oscillating water column

یک ساختار زیر آبی است که در آن هوای بالای سطح آب بدام می‌افتد و امواج ورودی باعث نوسان ستون آب می‌شود که باعث می شود توربین به حرکت در آید شکل -9.