انرژی جزر و مد

به هر حال موج می تواند مطابق دستورالعمل خاصی زمانی که به نواحی اقلیمی می رسد افزایش پیدا کند و حجم عظیمی از آب را به فواصل کوچک رودخانه ها و دهانه ی رودها در وار ساحلی سرازیر ماید. برای نمونه جزرومد در دهانه رودخانه  فاندی در کانادا با دامنه ای در حدود ۱۶و ۱۷ متر از کرانه دریا در دنیا ازسایر نواحی بیشتر است.                                                                  
 

جزر و مدهای عظیم از این نوع را در سایر نواحی در سراسر جهان می توان مشاهده نمود. نظیر کانال بریستول در انگلستان. ساحل کیمبرلی در استرالیا و دریای اخوستسک در روسیه. جدول 1 شامل گستره ی دامنه ی جزر و مد در مناطق با موج بلند است.                                           
 

اغلب جزر و مدهای ساحلی کشندی شامل دو طغیان و دو فروکش با یک دوره نیم روزی دوازده ساعت و بیست و پنج دقیقه ای هستند. از این رو  برخی از سواحل وجود دارند که در آنجا جزر و مد تا دو مرتبه از لحاظ زمان جزر و مد  روزانه طولانی تر هستند یا اینکه دست کم تلفیقی از هر دو با اختلاف و نابرابری روزانه. اما به هر حال همیشه در دورهء روزانه یا نیم روزی ثابت هستند. میزان جزر و مد  در هر ماه قمری متغیر است. بلندترین جزر و مد ها جزر و مدهای بهاری نامیده می شوند که زمانی رخ می دهد که ماه و زمین و خورشید از نظر موقعیت مکانی  در یک خط مستقیم قرار می گیرند. (استقرار نقطه سه گانه) یا کهکشند نامیده می شوند. و زمانی رخ می دهند که (neap)  کوتاهترین جزر و مد ها ماه و زمین و خورشید در زوایای قائم نسبت به یکدیگر قرار بگیرند. (تربیع ماه)
 

ایزاک نیوتن پدیده نخست را چنین فرموله کرد " هر روز اقیانوس می بایست دو مرتبه طغیان و فروکش کند و بیشترین ارتفاع آب نیز باید قاعدتاً در ساعت سوم پس از نزدیک شدن به نیمروز ظهر آن مکان اتفاق بیفتد." نخستین جدول جزر و مدی به همراه پیش بینی رویداد دامنه جزر و مد توسط نیروی دریایی انگلستان در سال 1833 میلادی متتشر گردید. هرچند اطلاعات راجع به نوسانات جزر و مد مدتها پیش از آن و در قرن چهارده میلادی در دسترس بود.
 

طغیان و فروکش جزر و مد در طول خط ساحلی منطقه می تواند به صورت زیر توضیح داده شود: ارتفاع کم موج جزر و مد از صدها کیلومتر در سطح اقیانوس ها براساس چرخش به دور زمین تا زمانی که امواج در آن اقلیم به لب دریا برخورد نماید زیر ماه امتداد پیدا می کند.
 

جرم آب توسط گرانش ماه کشیده می شود و دهانه رودخانه ها را پر می نماید. جایی که این جرم آب هیچ راهی برای گریز و پراکنده شدن در اقیانوس نمی یابد این امر به تداخل امواج و انباشته شدن آب در دهانه رودخانه ها منجر می شود. در نتیجه سطح آب بالا می آید (سیکل جزر و مد)
 

جزر و مد در مسیر حرکت ماه مجدداً فروکش می کند و از سمت اقیانوس دور شده به زمین نزدیک می شود و اثر این گرانش روی آب اقیانوس ها تدریجاً کاهش پیدا می کند. (سیکل فروکش)

توضیحات فوق تنها یک بیان شماتیک از گرانش ماه بود که بر اساس عوامل ﺗﺄثیرگذار در کشند و جزر و مد امواج بیان گردید. سایر عوامل که در گستره موج ﺗﺄ ثیر می گذارند عبارتند از: کشش خورشید نیروهای سانتریفوژی چرخشی در نتیجه گردش زمین و در برخی از موارد رزونانس و تشدید محلی خلیج دهانه و مدخل رودخانه ها.
 

انرژی امواج جزر و مد مشتمل بر دو ﻤﺅلفه است که پتانسیل و جنبشی نامیده می شوند. انرژی پتانسیل معادل کاری است که جرم آب را از سطح اقیانوس ها بلند می کند و به سمت خود میکشد.
 

این انرژی می توان از رابطه زیر محاسبه گردد:

 

که در آن E بیانگر انرژی، g بیانگر شتاب گرانشی، و ρ نمایانگر دانسیته و چگالی آب دریا که برابر با جرم واحد حجم می باشد. A سطح در نظر گرفته شده، Z بردار عمودی از سطح اقیانوس، h دامنه موج و برای آب دریا بطور میانگین به‌صورت زیر می باشد:

 که برای سیکل موج یک متر مربع از سطح اقیانوس می توانیم داشته باشیم:

یا

آب بیانگر ظرفیت و توانایی آن برای انجام کار با مشخصه سرعت  m  جرم T انرژی جنبشی می باشد که با رابطه زیر تعریف می گردد.  

T=0.5mV²

دانستن انرژی پتانسیل موج به منظور طراحی اصولی  نیروگاه موجی که از سد آب و ایجاد مصنوعی ارتفاع اجباری بهره می گیرد بسیار مهم است.
 

برخی از نیروگاهها از انرژی پتانسیلی که از ارتفاع گیری آب و سپس فرو ریختن آن ایجاد می شود بهره برداری می کنند. جهت طراحی نیروگاههای شناور یا دیگر انواع نیروگاههای موجی باید بدانیم در مقایسه انرژی جنبشی موجی که از آن نوع نیروگاهها بدست می آید در اینجا  انرژی موجی جریانات افقی آب  توسط جریانات موج آب ایجاد و مهارمی شود و مانند آنها مشتمل بر ایجاد سد و آب بند نمی باشد.
 

انسانها سالها پیش از میلاد مسیح نیز از جزر و مد و جریانات موج آب بهره می گرفتند. برای مثال از نوسانات دوره ای موج به آن خوبی آگاه بودند که می دانستند چه زمانی و کجا با جریانات آبی قوی مواجه خواهند شد. ﺗﺄسیسات و بناهای کوچک هیدرودینامیکی متعددی نظیر سیستمهای پمپاژ آب و آسیاب های بادی از قرون وسطی در سرتاسر جهان به جا مانده است.
 

برخی از این ابزار و وسایل هنوز و در دورانهای اخیر نیز استفاده می شوند. برای مثال چرخ آبی بزرگ برای پمپاژ آب در هامبورگ آلمان تا قرن نوزدهم همچنان مورد استفاده بود. شهر لندن از چرخ آبی بزرگی استفاده می کرد که در سال 1580 میلادی بر روی پل لندن تعبیه شده بود و بمدت 250 سال آب سالم برای شهر فراهم می نمود. هر چند که مطالعات جدی به منظور طراحی نیروگاههای موجی در مقیاس صنعتی برای استفاده و بهره گیری از انرژی موج در قرن بیستم با رشد سریع دانش الکتریک در صنعت آغاز گردید.
 

برق رسانی و الکتریکی کردن تمام جنبه های تمدن مدرن به توسعه مبدل های گوناگون جهت انتقال منابع انرژی پتانسیل به انرژی الکتریکی منجر شد.
 

به موازات نیروگاههای سوخت فسیلی و رآکتورهای اتمی که مسائل جدید آلودگی های زیست محیطی را ایجاد می کردند انرژیهای پاک تجدید پذیر جهت تولید انرژی الکتریکی دانشمندان و مهندسان را به سمت و سوی بهره گیری از این منابع تشویق نموده است.  انرژی جزر و مد و امواج به طور جزئی یکی از بهترین منابع تجدید پذیر در دسترس محسوب می شود. در مقایسه با سایر منابع انرژی پاک نظیر انرژی باد انرژی خورشیدی انرژی گرمایی زمین و غیره.
 

می توان پیش بینی کرد انرژی موجی و جزر و مد برای قرن های متمادی  از نقطه نظر زمانی و دامنه و گستره استفاده از سایر انرژی ها پیشی بگیرد. هر چند که مشکلات و دشواریهای عدیده ای برای گردآوری ابن منبع انرژی در قیاس با انرژی خورشیدی و انرژی باد که در مناطق وسیعی مرسوم شده اند وجود دارد.
 

علاوه بر این ﺗﺄسیسات مرسوم و رایج نیروگاههای ترکیبی موجی که شامل سدهای عظیم در اقیانوسهای آزاد می باشد به دشواری می تواند از نظر صرفه اقتصادی با آن دسته از نیروگاههای سوخت فسیلی و حرارتی که با ذغال سنگ و سوخت ارزان  در دسترس و فراوان کار می کنند رقابت کند.
 

این نیروگاههای حرارتی در حال حاضر ﻤﺅلفه های اصلی تولید انرژی الکتریکی در جهان هستند. ضمن آنکه به هر حال منابع نفت و ذغال سنگ محدود هستند و در نهایت به پابان خواهند رسید. از دیگر سو نفت و ذغال سنگ با داشتن موادی چون سولفور در ذغال سنگ سبب  انتشار گازهای گلخانه ای  و به دنبال آن آلودگی عظیم جوی خواهند شد.
 

نیروگاههای هسته ای پسماندها و ضایعات اتمی خطرناک تولید می کنند و برای تولید انرژی مسائل پرخطری را ایجاد می نمایند. اما انرژی موجی یک انرژی پاک و تهی ناپذیر و تمام نشدنی است. این ویژگیهای برجسته انرژی موجی را در آینده ای نزدیک به منبعی مهم و در عین حال جهانی جهت تولید انرژی تبدیل خواهد کرد.
 

برای دستیابی به این هدف صنعت تولید انرژی موجی جزر و مدی  باید در جهت بازدهی بالاتر و هزینه های کمتر و اجماع جهانی برای گسترش آن گام بردارد. در حال حاضر تنها چهار نیروگاه موجی در مقیاس صنعتی در جهان وجود دارد که همگی آنها پس از جنگ جهانی دوم ساخته شده اند. که عبارتند از نیروگاه موجی لارانس در فرانسه (1976) نیروگاه موجی کیس لایا گوبا در روسیه (1968) آناپولیس در کانادا (1984) و دست آخر جیانگ زی یا در کشور چین (1985).

اطلاعات عمده این نیروگاههای موجی در جدول 2 گردآوری شده اند. نیروگاه موجی لارانس در شکل 1 نشان داده شده است.
 

در ساخت تمامی نیروگاههای موجی موجود طراحی یکسانی مورد استفاده قرار گرفته است که در ساخت نیروگاههای آبی مرسوم است. سه اصل عمده ساختاری و جزئیات مکانیکی این طراحی ها عبارتند از: سد در میان جریان آب واقع است که ارتفاع و هد مصنوعی برای آب جهت چرخاندن توربین هیدرولیکی ایجاد می نماید . توربین هایی که با ژنراتورهای الکتریکی نصب شده اند در نقطه پایین سد قرار دارند.
 

و دیگر اینکه گیت های هیدرولیکی درون سد جهت کنترل جریان آب دور از آب و پشت سد واقع شده اند. در هنگام لزوم آب بند ها برای هدایت جریان قفل می شوند. توربین ها در هنگام موج و جزر و مد انرژی پتانسیل جرم انباشته شده ی  آب را  در طرف دیگر سد به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.

 نیروگاههای موجی می توانند در دو حالت تک منظوره و دو منظوره طراحی و ساخته شوند. دو منظوره بدان معناست که توربین در هر دو حالتی که آب جریان دارد کار کند. زمانی که آب بالا می آید و همچنین طی زمانی که آب فروکش کرده و به اقیانوس باز می گردد و در سیستم تک منظوره توربین فقط در زمان سیکل فروکش کار می کند.
 

در این نوع دریچه های آب در زمان  موج باز می مانند و اجازه می دهند که آب فضای آبگیر را پر نماید. سپس دریچه ها بسته می شوند. ارتفاع و هد آب افزایش می یابد  و توربینها روشن می شوند و آب در دوره ی فروکش از آبگیر به درون اقیانوس باز می گردد.
 

مزایای روش توربین دومنظوره این است که بطور دقیق مدلی از پدیده طبیعی موج است و کمترین میزان ﺗﺄثیر در محیط را دارد واز قضا در بعضی از انواع خود بازدهی بسیار بالایی هم دارد. هرچند که این روش به لوازم پیچیده و توربینهای دوجهته بازگردنده گرانقیمت و تجهیزات الکتریکی نیاز دارد .
 

روش تک منظوره اما بسیار ساده تر است. و به توربینهای چندان گرانقیمتی نیاز ندارد. از جمله جنبه های منفی روش تک منظوره می توان به زیان بیشتر آن برای محیط اشاره نمود. از آنجایی که ارتفاع هد بیشتری برای آب ایجاد می نماید که سبب انباشته شدن رسوبات و ته نشین ها در آبگیر می شود. سوای اینها هر دو روش در عمل به کار گرفته می شود.
 

برای مثال نیروگاههای موجی  لارانس و کیسلایا گوبا از نوع توربین های دو منظوره هستند با در نظر گرفتن این مطلب که نیروگاه موجی آناپولیس از نوع تک منظوره است. یکی از پارامترهای اصولی و مرسوم نیروگاههای آبی توان خروجی آن می باشد.
 

 (حجم بر واحد زمان) Q یا  (انرژی بر واحد زمان)     که تابعی است از نرخ جریان آب P و اختلاف ارتفاع آب میان سطح بالا و پایین جریان آن.
 

می تواند به صورت زیر بیان گرد:  P رابطه نشان دهنده

kW  P = 9.81Qh

بر اساس Q زمانیکه m³s^-1بیان شده باشد و h بر حسب متر باشد، g نیز برابر  9.81 در نظر گرفته شود و ρ چگالی آب برابر ρ=1000 kgm^-3 و g=9.81ms^-2 باید در مناطق آب شور تصحیح شود چرا که دانسیته و چگالی متفاوت خواهیم    ρ g مولفه داشت.

میانگین توان تولیدی سالانه نیروگاههای موجی توسط سد می تواند با در نظر گرفتن برخی عوامل و فاکتورهای ژئوفیزیکی و هیدرولیکی محاسبه گردد. مانند سطح ﻤﺅثر آبگیر نوسانات موج و غیره.
 

جدول 2 و 3 شامل برخی اطلاعات موجود از نیروگاههای موجی و چشم اندازهای دیگر توسعه سیستمهای سنتی در استفاده از سدها در کشورهای گوناگون و حوضچه های مصنوعی که در بالا توضیح دادیم می باشد.
 

همانگونه که پیش تر اشاره شد تمامی نیروگاههای موجی و جزر ومدی موجود با طراحی های مرسوم و رایجی ساخته شده اند و بر اساس راه اندازی ایستگاههای تولید قدرت با در نظر گرفتن ﻤﺅلفه های اصولی طراحی با ایجاد سد بر رودخانه ها بنا گردیده اند .
 

این روش رایج توجیه بسیار ضعیف اکولوژیک و زیست محیطی دارد چرا که ایجاد سد به نحوی مهاجرت ماهی ها را با مشکل مواجه می کند و توازن جمعیتی آنها را به هم می ریزد. محیط زیست را با ایجاد سیلاب و باتلاق در سرزمینهای مجاور تخریب می کند. ایجاد سیلاب موضوعی مختص به نیروگاههای قدرت موجی نیست زیرا سطح آب در آبگیر نمی تواند بیشتر از سطح نرمال و طبیعی آب باشد.
 

هرچند ایجاد اخلال در مهاجرت ماهی ها و سایر ساکنان اقیانوس توسط سد می تواند مسائل جدی زیست محیطی ایجاد نماید. علاوه بر این بلندترین امواج در جهان از قبیل دهانه آب فاندی به ندرت بتواند با ارتفاع و هد آب که در نیروگاهها رایج بر رودخانه ها بالغ بر دهها و صدها متر می شود مقایسه شود. ارتفاع و هد کم نیروگاههای موجی مشکلات فنی نسبی را برای طراحان ایجاد می نماید.
 

واقعیت این است که بازدهی و کارایی بالا اغلب در توربین هایی هیدرولیکی به کار گرفته شده روی سد رودخانه ها برای ایجاد چنین ارتفاع و هد آب کم کارایی پایینی دارند پیچیده و بسیار گران هستند.
 

این عوامل زیست محیطی و اقتصادی دانشمندان و مهندسان را مجبور نموده است که در پی روشی جدید جهت بهره برداری از انرژی موج و جزر و مد باشند که برای ایجاد ارتفاع و هد بالای آب  نیازی به احداث سدهای عظیم روی اقیانوسها نداشته باشد . مولفه کلیدی آن این مسئله است که از توربین های غیر رایج استفاده شود. که به طور دقیق و ﻤﺅثر بدون به کارگیری سد از انرژی جنبشی جریان آزاد موج ایجاد شده استفاده کند.
 

یکی از این توربین ها توربین چرخنده می باشد که در شکل 2 نشان داده شده است.

این توربین جریان میانی در سال 1994 طراحی شده است. توربین شامل یک یا دو تیغه چرخنده درون سطح استوانه ای مانند شیار پیچ خورده می باشد که دو نام هواسوخت یا بال هواپیما بر آن اطلاق می گردد. تیغه ها عکس العملی فشاری  ایجاد می نمایند که  می توانند توربین را سریعتر از آنچه جریان آب توانایی چرخاندن اش را دارد به چرخش درآورند.
 

شفت توربین(محور چرخش) باید بر جریان آب عمود باشد و توربین نیز در موقعیت افقی یا عمودی قرار بگیرد. در نتیجه محور تقارن آن توربین همواره برای جریانهای موج بازگشت پذیر چرخش یکنواخت ایجاد می نماید . این مزیت بسیار مهمی است. هم از این رو که طراحی را ساده می کند و هم به ما  اجازه بهره گیری از توربین دو منظوره را نیز می دهد.  تصویری از نیروگاه موجی شناور به همراه توربینهای چرخنده ردیف شده در کنار یکدیگر در شکل 3 نمایش داده شده است.

 

معادل آلدالماک استرین در کشور کره جایی است که جریان های موج بازگشت پذیر بسیار قدرتمند تا 12 نات برای چهار مرتبه در هر روز تغیر می کند. این عبارت می توان برای محاسبه نیروگاههای موجی شناورترکیبی استفاده شود.
(انرژی که از همه جریانهای آزاد مصنوعی ایجاد شده جریان موج  استخراج گردد) :

P_t = 0.5ηρAV³

زمانی که P_t توان توربین بر حسب کیلو وات باشد η نمایان کننده  بازدهی توربین در اغلب آزمایش ها در جریان آزاد برای توربین تریپل هلیکس η=0.35 محاسبه شده است. ρ تمام سطح ﻤﺅثر توربین A  چگالی جرمی آب است و  

مقطع میانی از جریان زمانی که توربین نصب شده است بر حسب متر مربع و V سرعت جریان بر حسب متر بر ثانیه توجه نمایید که توان جریان آزاد آب از مقطع میانی A محاسبه می گردد.

P_w = 0.5ρAV³  بصورت η یا کارآیی توربین که بازدهی توان نامیده می شود برابر نسبت توان خروجی توربین P_t به توان ورودی است که توسط ارتفاع وهد آبی که بصورت غیر اجباری بدست آمده است و P_w نامیده می شود.

 بنابراین خواهیم داشت:

η = P_t / P_w

 ماکزیمم توان تولیدی پروژه آلدالماک که در شکل 3 نشان داده شده است در حدود 90MW  البته به در نظر گرفتن ارقام زیر محاسبه گردیده است.

بسیاری از پروژه های کشاورزی با توربین های چرخنده شناور فوق انجام شده اند و برای مهار انرژی جنبشی روی سطح اقیانوس نصب شده اند به همان خوبی جریانهای سایر اقیانوس ها کار می کنند.
 

به طور کلی می توان نتیجه گرفت آشنایی خوبی با این گونه توربین ها پدید آمده که حتی در آسیاب های بادی نیز از آن بهره گرفته می شود.
 

مسئله مهمی که باید به آن توجه نمود این است که کجا و چگونه انرژی الکتریکی با استفاده از انرژی امواج تولید شود . اواج ذاتاً دوره ای هستند و توان خروجی نیروگاه موجی همیشه با پیک فعالیتهای انسان همانگ نیست . نیروگاههای موجی در کشورهایی که به لحاظ صنعتی پیشرفته هستند می تواند بخشی از تولید عمومی در سیستم توزیع انرژی محسوب شوند.
 

هرچند که انرژی تولید شده از نیروگاههای موجی باید به فواصل دورتر انتقال یابد زیرا مکانهایی که امواج با ارتفاع بلند دارند معمولاً دور از مناطق صنعتی و  اماکن شهری  واقع اند. یکی از انتخابهای جذاب آینده برای بهره گیری از انرژی موج تولید سوخت هیدروژنی توسط الکترولیز آب می باشد.
 

هیدروژنی که با روشهای دیگری به صورت مایع ذخیره می شود می تواند به هرکجا انتقال یابد و بعنوان سوخت جایگزین نفت و گازوئیل و سیستمهای سوختی گوناگون دیگر استفاده گردد. سلولهای سوختی انرژی هیدروژن را بدون احتراق و جابجایی قطعات به الکتریسیته تبدیل می کند. برای مثال مورد مصرف آن در خودروهای الکتریکی را می توان نام برد.

بسیاری از مهندسان و دانشمندان در نظر دارند توسعه ای ترتیب دهند که انقلاب صنعتی نوینی را به دنبال داشته باشد. هر چند که برای تحقق این ایده جهانی سوخت پاکی چون هیدروژن باید در هرکجا در دسترس باشد. در حال حاضر بخش اعظم هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی و سوختهای فسیلی هستند که با تولید گازهای گلخانه ای در جو و اتمسفر زیان جبران ناپذیری به محیط زیست وارد می نمایند. از این منظر تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب با روش به کار گیری انرژی امواج یکی از بهترین راههای تولید سوخت پاک هیدروژنی با روشی به دور از هرگونه آلودگی زیست محیطی است.
 

بنابراین انرژی امواج می تواند در آینده برای ایجاد صنایع پاک توسعه یابد . برای مثال پاکسازی صنایع متحرک نظیر سایر زمینه های مصرف انرژی فعالیت انسان از جمله دستاوردهای انرژی امواج خواهد بود.
 

امواج نقش مهمی را در بهبودی آب و هوای جهانی (مانند حفظ اکوسیستمها ) ایفا می کنند در عین حال منبع بالقوه زیرساختی تولید منابع انرژی تجدید پذیر برای آینده انسان محسوب می گردد. به پایان رسیدن منابع نفتی و انتشار گازهای گلخانه ای با سوختن ذغال سنگ  و نفت و سایر سوختهای فسیلی و انباشته شدن پسماندهای هسته ای از رآکتورهای اتمی انسانها را ناچار خواهد نمود که در آینده اغلب منابع انرژی سنتی کنونی را با منابع انرژی تجدید پذیر جایگزین کنند. انرژی امواج یک از بهترین گزینه های این دیدگاه نوین است.
 

مبدل های انرژی جدید با بازدهی زیاد و ارزان و سازگار با طبیعت از قبیل توربین های تریپل هلیکس می تواند انرژی امواج را در سرتاسر جهان به یک انرژی در دسترس تبدیل کند. این انرژی لزوماً نباید در نیروگاههای مولتی مگاواتی استفاده شود بلکه در مقیاس نیروگاههای کوچکی که توان تولیدی چند کیلو واتی نیز می تواند مورد بهره برداری قرار گیرد و انرژی پاک را برای مصارف انفرادی و شخصی در دسترس قرار دهد به طوری که در مناطق اقلیمی خاص  مثلاً در جزایر دوردست که در آن مناطق جریانهای سهمگین امواج وجود دارد بصورت مستقیم حتی در مصارف خانگی به کار گرفته شود .