مقدمه

محتوای فایل دانلودی:
دیدگاه تاریخی:
بحران نفت به خصوص پس از جنگ اعراب و اسراییل در ١٩٧٣ و بحران انرژی در اواخر قرن بیستم باعث افزایش قیمت نفت شد. بر این اساس استفاده از انرژی های تجدیدپذیر در اولویت قرار گرفت و كشورهایی كه مرز آبی گسترده دارند به این فكر افتادند كه از انرژی موج دریا برای تولید انرژی استفاده نمایند.
برخی نیروگاه های آبی به صورت شناور روی آب هستند، برخی نیز در كنار ساحل انرژی آب را به برق تبدیل می كنند
انرژی موج (به انگلیسی: Wave power) در اقیانوس باز بر اثر عمل باد روی سطح اقیانوس تولید می‌شوند. کل انرژی موج توزیع شده در زمین در حدود 2.5x106 MW تخمین زده می‌شود که در حدود انرژی کلی توزیعی جزر و مد است. انرژی موج منبع تجدید شونده است (انرژی برگشت‌پذیر) و معمولاً نسبت به انرژی باد بیشتر قابل تولید است. انرژیی که از امواج استخراج می‌شود، دوباره به سرعت توسط برهمکنش با دو سطح اقیانوس پر می‌شود. انرژی موج نامنظم، نوسانی و دارای فرکانس پائین است که قبل از اضافه شدن به شبکه باید یه فرکانس 60 هرتز تبدیل شود و همچنین انرژی که از امواج استخراج می شود، دوباره به سرعت توسط برهمکنش با دو سطح اقیانوس پر می شود.
انرژی امواج عمدتا ناشی از تاثیر باد روی سطح دریا است و باد، خود حالت خاصی از انرژی خورشیدی است که به عنوان منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر می تواند نقش مهمی در تامین نیازهای روزافزون انرژی جهان ایفا نماید. 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
انرژی موج نامنظم، نوسانی و دارای فرکانس پایین است که قبل از اضافه شدن به شبکه باید به فرکانس 60 هرتز تبدیل شود. بر اساس برآوردهای انجام شده، کل انرژی امواج در جهان 2 تراوات (2 میلیون مگاوات) انرژی الکتریکی باشد.
به طور تقریبی حداکثر 20 درصد از این انرژی قابل استحصال است. تا اواسط دهه 90 بیش از 12 سامانه متمایز برای استحصال این انرژی پیشنهاد شده و اکنون تعداد بیشتری از سامانه‏های جدید معرفی شده اند که تنها تعداد کمی از آنها از نظر اقتصادی و فنی امکان‏پذیر هستند.
انرژی موج را نمی توان در هر نقطه ای استحصال کرد. بهترین مناطق جهت احداث نیروگاه، نقاطی است که ارتفاع موج زیاد باشد بنابراین مناطق بادخیز که عموما بین عرض‏های جغرافیایی 40 و 60 درجه هستند، یا تنگه‏های باریک، حاشیه جزایر و قطعات خشکی مرتفع کنار دریا مناطق مناسبی محسوب می شوند.
سواحل غربی اسکاتلند، شمال کانادا، جنوب آفریقا، و سواحل شمال شرقی و شمال غربی ایالات متحده آمریکا از نظر پتانسیل انرژی امواج غنی هستند. برآوردها حاکی از آن است که تنها در شمال غربی اقیانوس آرام امکان تولید 40 تا 70 کیلووات انرژی الکتریکی از هر متر از سواحل غربی وجود دارد. این سواحل بیش از 1600 کیلومتر طول دارند که به طور متوسط از هر کیلومترسواحل لااقل می توان 10 مگاوات انرژی تولید کرد.
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 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 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.
از میان انرژی‏های تجدیدپذیر، انرژی‏های دریایی از پاکترین و پرظرفیت‏ ترین انرژی‏ ها به شمار می روند. و به همین دلیل کشورهای پیشرفته دنیا برنامه ‏های جامعی برای استحصال انرژی از دریاها و اقیانوس‏ها دارند.
از میان انرژی‏های تجدیدپذیر، انرژی‏های دریایی از پاکترین و پرظرفیت‏ ترین انرژی‏ ها به شمار می روند. و به همین دلیل کشورهای پیشرفته دنیا برنامه ‏های جامعی برای استحصال انرژی از دریاها و اقیانوس‏ها دارند. در ادامه به معرفی مختصر انواع انرژی‏ های تجدیدپذیر دریایی پرداخته می‏شود. منشا انرژی‏ های دریایی نیز مانند همه انرژی‏ های مورد استفاده ما، خورشید است. انرژی‏ های قابل استحصال از دریا به طور کلی شامل منابع زیر است، که به اختصار در ادامه می آید:
جزرومد : روش سنتی به دام انداختن آب و ایجاد اختلاف تراز
امواج: شامل امواج خط ساحلی، نزدیک ساحل و فراساحلی
باد فراساحلی
جریانات: عموما ناشی از جزر و مد
اختلاف گرمایی: سامانه‏ های موسوم به OTEC
اختلاف چگالی (شوری)
منابع زیستی و رسوبات دریایی
روشهای استفاده از انرژی امواج
برای استفاده از انرژی امواج از سه طرح از انرژی آن بهره‌برداری می‌شود:
استفاده از استوانه‌های شناور
استوانه‌ها را طوری می‌سازند که بیشترین وزن آنها در ته باشد و در قسمت پائین یک دریچه دارند. وقتی امواج می‌آید فشار آب دریچه (۲) بسته می‌شود و هوای متوسط دریچه (۱) تخلیه می‌شود، دریچه (۳) نیز بسته است و هوا از طریق دریچه (۴) خارج شده و موجب چرخش پره‌ها می‌گردد. وقتی موج پایین می‌رود، یک حالت مکش ایجاد می‌شود؛ لذا دریچه (۱و۲) بسته شده دریچه (۳و۴) باز می‌شود و هوا ضمن ورود به استوانه موجب چرخش پره‌ها می‌گردد. چرخش پره‌ها باعث چرخش توربینها و ژنراتورها برای تولید الکتریسته استفاده می‌شود.
استفاده از بادامک‌های شناور
وقتی موج می‌آید بادامک‌ها را می‌چرخاند و این حرکت چرخشی را به ژنراتور وصل می‌کنند. در واقع تعداد زیادی از این بادامک‌ها را توسط میله‌ای بهم وصل می‌کنند و مجموعه را در نزدیکی ساحل روی امواج می‌گذارند، این سیستم‌ها برای امواج سنگین کاربرد دارد.
استفاده از جزایر طبلک
سیستم طبلکی چیزی شبیه تیوپ اتومبیل می‌باشد که دیواره‌های آن قابل ارتجاع می‌باشد. قسمت‌های داخلی تقسیم‌بندی، توربین جاگذاری کرده‌اند. این سیستم را بصورت شناور روی آب می‌اندازند و موج به آنها ضربه وارد می‌کند. این ضربه به بدنه تیوپ وارد می‌شود و موجب فرورفتگی آن می‌شود. فرورفتگی باعث فشرده شدن هوای داخل آن شده، در نتیجه هوای فشرده از یک محفظه وارد محفظه دیگر می‌شود و باعث چرخش توربینها می‌گردد.
مبدل های اولیه موج
1- جسم متحرک: این روش از انرژی موج برای حرکت دادن یک جسم و تبدیل حرکت آن به انرژی الکتریکی بهره می جوید. 2- ستون نوسانگر آب: ستونی از آب در یک لوله بدون کف یا جعبه شناور روی سطح دریا بالا و پائین می رود و این حرکت تولید جریانی از هوا با سرعت زیاد می نماید که می تواند توربین را به حرکت در آورد. 3- سطح فشرده شونده: از تغییرات فشار آب برای ایجاد هوای فشرده درون یک سیستم مستغرق استفاده می کند. این فشار می تواند تبدیل به جریانی از هوا یا آب شود و به انرزی الکتریکی تبدیل گردد. 4- دستگاه سرریز کننده موج: در این روش ارتفاع موج با کم کردن عمق آب افزایش پیدا کرده و آب تا ارتفاع بیشتری به بالا پمپ می شود. 5- دستگاه های متمرکز کننده موج: تراز متوسط آب دریا را در نقاط مشخص به روش سازه های قیفی شکل و به تله انداختن امواج بلند افزایش می دهند[۱].
دستگاه‌های مورد استفاده از نظر محل قرارگیری
دستگاه‌های ساحلی
دستگاه‌های نزدیک ساحل
دستگاه‌های دور از ساحل
دستگاه های استحصال انرژی امواج
این دستگاه ها به شرح ذیل می باشند:
کانال تجمیع کننده
کانالی به شکل مخروط ناقص، آب را در مخزنی مرتفع ذخیره کرده و این آب در بازگشت به سطح دریا توربینی را به حرکت در می آورد. این سیستم ها به دو صورت قابل اجرا هستند:
1- ON SHORE: این نمونه را می توان در سایت تاپچان Tapchan که از سال 1985 تا 1988 در نروژ فعال بوده است، مشاهده نمود.
2- OFF SHORE : این نمونه را می توان در یک ساحل مصنوعی شناور به نام مری مک Merrimack که توسط آمریکایی ها ساخته شده است، مشاهده نمود.
ستون نوسانگر آب OWC
ستونی از آب در یک لوله بدون کف یا جعبه شناور روی سطح دریا بالا و پائین می رود و این حرکت تولید جریانی از هوا با سرعت زیاد می نماید که می تواند توربین را به حرکت در آورد. آب بالا رونده در یک استوانه، هوای فشرده را از درون یک توربین عبور می دهد. سپس در بازگشت، هوا را در جهت مخالف فشرده و از توربین دیگری عبور می دهد.
سیستم پلامیس Pelamis
این سیستم به مار دریایی بالا و پائین رونده نیز معروف است. ظرفیت هر واحد شناور 750 کیلو وات و در اسکاتلند با ظرفیت 3 مگا وات به صورت تجاری مورد بهره برداری قرار گرفته است[۲].
فناوری ستو (CETO)
این فناوری یکی از فناوری‌های مورد استفاده برای تبدیل انرژی امواج به الکتریسیته می‌باشد. در این فناوری دستگاه در زیر آب عمل می‌کند و در کف اقیانوس محکم شده‌است. در این سیستم چندین شناور به واحدهای پمپ مستقر در بستر دریا متصل شده‌اند. این شناورها با حرکت امواج، تکان می‌خورند و پمپ‌ها را به حرکت در می‌آورند. پمپ‌های مستقر در بستر دریا آب را تحت فشار قرار می‌دهند در نتیجه آب از طریق یک لوله زیر آبی به سمت ساحل برده می‌شود و توربین را به حرکت در می‌آورد که موجب تولید الکتریسیته می‌شود.
فناوری Power Bouy
این دستگاه از شرکت آمریکایی Pacific Northwest Generating Cooperative که مجموعه ای از بویه های شناور هماهنگ با هم است. بالا و پائین رفتن ساختارهای بویه ای شکل تولید انرژی مکانیکی می نماید که به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. این پروژه در Reedsport ایالت Oregon نصب شده است.
سیستم وال قدرتمند Mighty Whale
سیستم وال قدرتمند که در ژاپن توسعه یافت ولی به تولید صنعتی نرسید. در واقع این سیستم از تعداد زیادی توربین های OWC تشکیل شده است که به صورت شناور از حرکت نسبی موج برای فشرده سازی هوا استفاده می کند. طول این دستگاه 50 متر و عرض آن 30 متر، ارتفاع آن 12 متر و ارتفاع زیر آب آن 8 متر بود و یکی از بزرگترین سیستم های استحصال انرژی از امواج است. طراحی، ساخت و آزمایش این سیستم از سال 1989 تا سال 2003 به طول انجامید.
انرژی باد فرا ساحل
گاهی باد مورد نیاز در فراساحل به دست می آید که عمق آب عامل تعیین کننده هزینه ها است. عموما تا 40 کیلومتری ساحل می توان تاسیسات را برپا کرد. برآورد شده که منابع باد فراساحلی لااقل 2 برابر منابع باد روی خشکی هستند. تکنولوژی استحصال انرژی باد فراساحل کاملا مهیا است ولی هزینه کار در فراساحل و انتقال انرژی به ساحل عموما تولید برق را غیر اقتصادی می نماید.
مزایای استفاده از باد فراساحل ü منابع بسیار گسترده ü ریسک پائین ü صدمه کمتر به زیستگاه های دریایی ü قابلیت پیش بینی نسبتا دقیق باد جهت برنامه ریزی برای تزریق برق به شبکه ü عدم مزاحمت برای عموم مردم از نظر سر و صدا و نازیبایی محیطی ü قابلیت تبدیل انرژی به هیدروژن و انتقال راحت تر آن به ساحل
معایب استفاده از باد فرا ساحل ü ایجاد محدودیت دید، محدودیت مانور شناور و ... ü هزینه اولیه بسیار زیاد ü برگشت سرمایه گذاری طولانی ü ناوبری و صیادی مشکل تر ü وضعیت آب و هوایی سخت در فراساحل ü هزینه تعمیر و نگهداری بالا ü نصب توربین های بزرگتر برای اقتصادی شدن ü هزینه های زیاد انتقال برق
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 150 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 :
1) استفاده از منابع ایمن , محلی و دوباره تجدید شونده
2) کاهش بستگی به انرژی های 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 شونده های جدید یاد می شود , 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 نیروگاه های توان آبی (90%) می باشد . شکل -3.
شکل -3 سهم تولید الکتریسته از منابع مختلف
انرژی را میتوان به چهار صورت از اقیانوس استخراج کرد :
1-انرژی جریان های 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 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 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