تحقیق انرژی جزر و مد دریا ها

فصل اول:

انرژی های قابل حصول از دریا

1-1- معرفی انرژی های قابل حصول از دریاها:

در این فصل انرژی های قابل حصول از آب دریاها و تکنولوژی استحصال از آنها به اختصار بیان می شود.

1- انرژی جزر و مد دریا

2- انرژی امواج دریا

3- انرژی حرارتی دریا

4- انرژی اختلاف غلظت نمک آب دریا

1-2- انرژی جزر ومد[1] دریا

در این فصل به اختصار به انرژی جزر و مد دریا ها پرداخته شده است و در فصل‌های بعد جامع تر بیان خواهد شد.

جزر و مد و جریانات جزر و مدی نتیجه اثر نیروهای جاذبه اجسام آسمانی است. این نیروها سبب افزایش ارتفاع سطح آب شده که این افزایش نیز سبب ایجاد جریانات افقی جزر و مدی می شود.

انرژی این جریانات افقی را می توان از طریق ساختن سدهایی در کنار دریاها مهار نمود. از نظر مقایسه انرژی حاصل از جزر و مد بسیار مشابه واحدهای برق- آبی است. مقدار انرژی بدست آمده از جریانات جزر و مدی بسیار قابل ملاحظه است.

1-3- انرژی امواج[2]دریا

ویژگی های منبع

انرژی امواج دریا عبارت است از انرژی مکانیکی منتقل شده از باد که امواجی با پریود کوتاه، آنرا بصورت انرژی پتانسیل و جنبشی در خود ذخیره می کنند.

در میان منابع متعدد انرژیهای اقیانوسی، انرژی حمل شده توسط امواج دارای بیشترین درصد انباشتگی است. بعنوان نمونه، انرژی موثر موج در حالت های عمومی، نسبت به انرژی حاصل از تابش مستقیم خورشید در شدیدترین تابش ها، از تراکم بسیار بالاتری برخوردار است. بنابراین ابزاری که بعنوان مبدلهای انرژی امواج مورد استفاده قرار می گیرند، انرژی خود را با چگالی به مراتب بالاتر نسبت به تجهیزات انرژی خورشیدی تولید و عرضه می نمایند.

موج ها بخاطر جرم آبی که نسبت به سطح متوسط دریا جابجا شده، انرژی پتانسیل و بخاطر سرعت ذرات آب، انرژی جنبشی با خود حمل می کنند. انرژی ذخیره شده از طریق اصطکاک و اغتشاش، و با شدتی که بستگی به ویژگی امواج و عمق آب دارد، تلف می شود. موجهای بزرگ در آبهای عمیق انرژی خود را با کندی بسیار از دست می‌دهند، در نتیجه سیستمهای امواج بسیار پیچیده هستند و اغلب هم از بادهای محلی و هم از طوفانهایی که روزهای قبل در دوردست اتفاق افتاده اند سرچشمه می گیرند.

امواج توسط ارتفاع، طول موج (فاصله بین قله‌های متوالی) و دوره تناوبشان (زمان بین قله های متوالی) مشخص می شوند. قدرت امواج معمولاً برحسب کیلووات بر متر بیان می شود که نمایانگر نرخ انتقال انرژی از عرض یک خط فرضی بطول یک متر و موازی با جبهه موج می باشد.

شکل موج دریا را می‌توان با یک تابع سینوسی بصورت زیر نشان داد:

Y=a.sin (mx-nθ)

m=2p/l

n=2p/t

l=C.t

Y: ارتفاع موج از سطح آب

θ: زمان به ثانیه

l: طول موج

t: پریود موج

C: سرعت انتشار موج

با توجه به شکل 1-1 ملاحظه‌می‌شود که مشخصه موج در زمان θ مشابه به آن در زمان O است. با این تفاوت که به اندازه فاصله x= θ/y= θ(n/m) نسبت به زمان O جابجا شده است. این موج دارای حرکت پیوسته‌ای در جهت x با سرعت  است. بنابراین امواج دریا دارای هر دو نوع انرژی پتانسیل و جنبشی خواهد بود.

کل انرژی یک موج برابر مجموع انرژی های پتانسیل و جنبشی آن می باشد که در نهایت چگالی توان (در واحد سطح) برابر است با:

P: پریونیت توان                                       g: شتاب جاذبه

A: واحد سطح                                         gc: ضریب تبدیل

ρ: چگالی آب                                          f: فرکانس موج

همانطور که ملاحظه می شود چگالی توان با مجذور دامنه (a2) مرتبط است.

   شکل موج با دامنه a و طول موج λ برای زمانهای θ و 0

شدیدترین بادهای بین عرض های جغرافیایی 40 تا 60 درجه در هر دونیمکره شمالی و جنوبی می وزند. همچنین بادهایی با سرعت کمتر در مناطق بادهای تجاری (بین عرض های جغرافیایی 30 درجه از خط استوا) بعلت نظم نسبی شان، وضعیت موجی بالقوه جذابی را ایجاد می کنند.

سواحلی که در معرض بادهای غالب و میدان وزش طولانی هستند، احتمالاً دارای بزرگترین دانسیته انرژی موجی می باشند.

بعنوان مثال، انگلستان، سواحل غربی ایالات متحده و سواحل جنوبی نیوزیلند بطور عالی در معرض عوامل فوق بوده و از وضعیت موجی بسیار خوبی برخوردارند. شکل 1-2 دانسیته انرژی امواج را در بعضی نقاط منتخب نشان می دهد.

انرژی سالانه امواج در مناطق خاص

1-3-1- مبدل های انرژی امواج

فکر استخراج انرژی از امواج دریا در طی قرن اخیر، گاه و بیگاه نظر بعضی ها را بخود جلب کرده است. ولی کوشش جدی برای بنیانگذاری یک تکنولوژی موثر، از اواسط دهه 1970 میلادی شروع شده از آن زمان تابحال تحقیقاتی در 13 کشور جهان انجام شد و دستگاهها و ماشین آلات زیادی ساخته شده اند.

دستگاهها را براساس نوع حرکت می توان دسته بندی کرد. این حرکت‌ها به دسته‌های زیر تقسیم می شوند:

1- بالا و پایین رفتن 

2- بالا و پائین رفتن و غلتیدن

3- غلتیدن، نوسان کردن ستون آب

4- پس زنی

در ادامه به اختصار روش کار سه نوع از مبدل های امواج ارائه شده است:

1- طرح ستون نوسانگر آب (OWC)

2- طرح ماشین شناور موج- نیرو

3- طرح ژنراتور نوع دلفین

1- طرح ستون نوسانگر آب[3] (OWC)

بعنوان یکی از رضایت بخش ترین روشهای استحصال انرژی اقیانوسی، گزینه‌ای است که در سالهای اخیر فعالیت های دامنه داری در جهت اجرا و بهینه سازی آن صورت پذیرفته است. در این روش، از تولید جریان هوای فشرده توسط حرکت رفت و بازگشتی سطح موثر موج، بعنوان عامل محرک یک توربین هوای متصل به ژنراتور استفاده می شود.

هندسه عمومی در طرحهای مختلف واحدهای نیروگاهی با ستون نوسانگر آب عبارت است از محفظه ای با دو انتهای باز که بصورت قائم در معرض امواج قرار می گیرد. سطح آزاد آب، حجم داخل استوانه را به دو ناحیه تقسیم می کند، بگونه ای که هردو ناحیه در یک انتهای خود، دارای بازشدگی با ابعاد مشخص می باشند. وضعیت نصب سازه به شکلی است که جهت بازشدگی تحتانی به سمت امواج قرار داشته و در نتیجه، در هنگام کار نیروگاه سطح آب داخل محفظه متأثر از تلاطم خارجی امواج، بصورت واداشته به نوسان در می آید. در اثر حرکت رفت و بازگشتی سطح آب داخل محفظه، حجم ناحیه فوقانی متناوباً تغییر نموده و متأثر از آن، فشار نسبی هوای محصور در این قسمت - متناسب با  تابع تغییرات حجم مزبور- بصورت ضربانی حول مقدار فشار سطح آزاد نوسان می‌نماید. مجرای تعبیه شده در منتهی‌الیه ناحیه فوقانی، جریان تحت فشار هوای داخل محفظه را به سمت یک توربین هوا هدایت می سازد. حاصل این فرآیند، انتقال انرژی جنبشی جریان هوای مزبور به محور یک ژنراتور الکتریکی و در نتیجه تولید برق خواهد بود.

در رابطه با طرحهای نیروگاهی اجرایی نیز در کشورهایی نظیر ژاپن، انگلستان، نروژ، پرتقال و ایرلند واحدهای آزمایشی و نمونه مختلفی با ساز و کار ستون نوسانگر آب به مرحله اجرا در آمده است.

در حال حاضر هند تنها کشوری است که برق حاصل از نیروگاه موجی خود را به شبکه برق سراسری متصل نموده و طرحهای کاربردی دیگری را در دست اجرا دارد.

2- طرح ماشین شناور موج- نیرو

همچنانکه شرح داده شد حرکت از لبه موج بصورت افقی است ولی ذرات آب بصورت عمودی جابجا می شوند با استفاده از شناورها می توان این حرکت عمودی را تبدیل به انرژی مکانیکی کرد یکی از طرحهای ارائه شده توسط آقای مارتین در شکل 1-3 آمده است.

 طرح یک ماشین شناور موج- نیرو

یک شناور 4 گوش که توسط 4 میله مهار شده است به سمت بالا و پائین می تواند حرکت کند. این مجموعه به 4 تانک معلق در زیر آب متصل شده است و براساس قانون نیروی شناوری در سطح آب به صورت پایداری قرار می گیرد. لذا این مجموعه نسبت به سطح آب ساکن خواهد ماند و فقط شناور براساس حرکت موج به سمت بالا و پائین حرکت می کند. این شناور به یک پیستون متصل است که براثر حرکت، هوا را از لوله بالایی گرفته و آن را در کمپرسور فشرده می سازد و آنگاه این هوای فشرده توسط لوله هایی به تانک های خالی پایه هدایت می‌شود. بنابراین 4 تانک پایه در واقع دو منظوره هستند، شناورکردن مجموعه و مخزن هوای فشرده.

هوای فشرده در این تانکها به نوبت برای راه اندازی یکی از توربین های هوا به کار می روند که این توربین یک ژنراتور را به حرکت درآورده و انرژی الکتریکی توسط کابلهای زیردریائی به ساحل انتقال داده می شود.

برای بهره برداری مناسب بایستی تعداد زیادی از این واحدها را عمود بر موج قرار داد چون در غیر اینصورت دامنه موج در جهت حرکت موج کاهش یافته و واحدهای قبلی موج را تخلیه می‌کنند تقریباً برای یک رشته یک مایلی (1610متر) از این واحدها، می توان 100 مگاوات یا بیشتر توان تولید کرد.

3- طرح ژنراتور نوع دلفین

طرح اولیه این موتور در مرکز تحقیقات TSU در ژاپن طراحی شد مولفه اصلی این سیستم که در شکل 1-4 نشان داده شده است شامل یک دلفین شناور، یک بازوی ارتباطی و دو ژنراتور الکتریکی است. یکی حرکت نوسانی افقی و دیگری حرکت نوسانی عمودی که در شکل آمده است.

شکل 1-4- طرح ژنراتور نوع دلفین

این حرکت ها توسط مبدل مکانیکی بصورت حرکت دورانی درآمده و موجب دوران بازوی ارتباطی و در نتیجه چرخش ژنراتور می گردد.

نمونه آزمایشی این طرح در سال 1980 در حوضچه آزمایش شده است. برای یک موج 90 وات مقدار 20 وات صرف تلفات مکانیکی و الکتریکی گردیده است و در نتیجه خروجی خاصل 70 وات تحویل داده است در این طرح یک شناور به ابعاد 5/0×1×3 متر، استفاده شده است که توان خروجی، یک رابطه بصورت زیر دارد:

P/L=1.74a2τ

P/L : توان در واحد طول، kw/m

a: دامنه موج ، m

τ: پریود موج، s

1-3-2- اثرات زیست محیطی

قدرت حاصل از امواج اساساً غیرآلاینده است و به هر میزان که جایگزین سوخت‌های هیدروکربنی شود منافع زیست محیطی حاصل شده است.

در مورد تجهیزات منفرد انرژی موجی از نوع شناور، صدمات زیست محیطی قابل توجهی پیش بینی نمی شود. خطری که احتمال وقوع آن وجود دارد و جلوگیری از آن ضروری است، تداخل با ترافیک دریایی است که با انتخاب صحیح محلهای استقرار و بکارگرفتن وسایل و علائم ناوبری قابل پیش گیری است.

توسعه زیاد سیستمهای موجی در یک قسمت از ساحل می تواند بحدی از امواج انرژی بگیرد که برجابجایی رسوبات و بارهای بستر دریا تأثیربگذارد. با توجه به ویژگی های محل ممکن است اختلاط، تشکیل لایه ها و گل آلودگی آبها نیز تحت تأثیر قرار بگیرد. چنین تغییراتی از نقطه نظر زیست محیطی ممکن است خوب یا بد تلقی شوند، که این امر نیز به مشخصات مکان بستگی دارد. از نظر زیبایی نیز ممکن است اثرات منفی ایجاد شود که بویژه در نواحی پرجمعیت و تفریحی دارای اهمیت خواهد بود.

1-3-3- نتیجه گیری

انرژی موجی از چندین نظر، جوان و تکامل نیافته به حساب می آید. با هیچ درجه ای از قطعیت نمی توان گفت که دستگاههایی که تابحال بکارگرفته شده اند از نظر فنی پیشرفته ترین بوده اند، یا اینکه دستگاههای بهتری در آینده جایگزین آنها خواهد شد. هنوز تجربه کافی برای پیش بینی طول عمر سیستمهای فعلی در شرایط واقعی کارکرد وجود ندارد. هنوز تجربه کافی در دست نیست که بتوان نیازهای بهره برداری و نگهداری را پیشگویی نمود و یا اینکه با طراحی مناسب، آنها را حداقل کرد.

در حال حاضر آمار و ارقام در مورد وضعیت بازاریابی فقط جنبه آزمایشی و پیشنهادی دارد، ولی چنین به نظر می رسد که تحت سناریوی نسبتاً مساعد، انرژی امواج بتواند تا سال 2020 هر ساله بالغ بر 12 تراوات[4] ساعت تولید کند. ارقام متناظر برای بدترین سناریو در حدود 1 تراوات ساعت در سال و برای مساعدترین سناریو (اما غیرمحتمل) تقریباً 100 تراوات ساعت می باشد.

این مقادیر به ترتیب معادل 5/2، 2/0 و 3/22 Mtoe[5]

1-4- انرژی حرارتی[6]دریا

ویژگی های منبع

انرژی حرارتی دریایی یا اقیانوسی، بصورت اختلاف دما بین آبهای گرم سطح دریا و آب های سرد اعماق آن وجود دارد. در اغلب نواحی حاره و نیمه حاره، اختلاف دمای موجود بین آب های سطح دریا و آبهای عمق 1000 متری به 20 درجه سانتیگراد می‌رسد که این اختلاف دما به عنوان حداقل اختلاف دمای مورد نیاز برای تبدیل عملی انرژی بشمار می رود.

بنابراین منبع انرژی حرارتی دریاها وسعتی در حدود 60 میلیون متر مربع و ظرفیت تولید دائمی و بی وقفه ای به میزان چندین تراوات را دارد.

البته مقدار انرژی قابل برداشت بسیار کمتر است، زیرا بسیاری از مناطق مناسب، خیلی دورافتاده اند و بعلاوه پروسه استخراج انرژی به لحاظ قوانین ترمودینامیکی به راندمانهای بسیار پائین محدود می شود. حتماً پس از به حساب آوردن تمام این فاکتورها، بازهم مقدار انرژی قابل برداشت بسیار عظیم است. بعلاوه دریاهایی که بیشترین اختلاف دما در آنها وجود دارد. در مناطق کشورهای درحال توسعه قرار دارند و یک منبع طبیعی و بومی برای آنها به شمار می روند.