روشهای تولید انرژی در نیروگاههای آبی
نویسنده: سید امیررضا عبداللهی تاریخ انتشار: ۱۴۰۱/۰۲/۰۹ مدت زمان تقریبی مطالعه: ۲۵ دقیقه
مقدمه:
تامین انرژی به عنوان یکی از اساسی ترین پیش نیاز های توسعه اقتصادی و بهبود کیفیت زندگی بشر در طول تاریخ از اهمیت زیادی برخوردار بوده است. با وجود این که در قرون اخیر در پی کشف ذخایر نفت و گاز، الگوی مصرف انرژی تغییر یافته و به سوی استفاده هر چه بیشتر از سوخت های فسیلی نظیر نفت و گاز شده است، اما افزایش روز افزون نیاز به انرژی، محدودیت منابع سوخت‌های فسیلی، گرمایش جهانی و اثرات گلخانه‌ای در کنار آلودگی‌های زیست محیطی ناشی از سوخت مواد فسیلی موجب توجه دوباره به منابع تجدیدپذیر شده است.
از میان انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی‌های دریایی از پاکترین و پر‌ظرفیت ترین انرژی‌ها به شمار می‌روند. به همین دلیل کشورهای پیشرفته دنيا برنامه جامعی برای استفاده انرژی از دریاها و اقیانوسها دارند. در ادامه به معرفی مختصر انواع انرژی‌های تجدیدپذیر دریایی پرداخته می شود. منشا انرژی‌های دریای نیز مانند همه انرژی‌های مورد استفاده ما، خورشید است. انرژی های قابل استفاده از دریا به طور کلی شامل منابع زیر است، که به اختصار در ادامه می‌آید.
- جزر و مد – روش سنتی به دام انداختن آب و ایجاد اختلاف تراز
- امواج – شامل امواج خط ساحلی، نزدیک ساحل و فراساحلی
- جریانات – عموما ناشی از جزر و مد
- اختلاف گرمایی – سامانه‌های موسوم به OTEC
انرژی دریایی یا اقیانوسی ، یکی از انواع انرژی‌های تجدیدپذیر است، که در کنار منابع دیگری نظیر انرژی خورشیدی و باد، مورد توجه قرار گرفته است. انرژی امواج و انرژی جزر و مد را می‌توان مهم‌ترین زیر مجموعه‌های انرژی‌های دریایی به شمار آورد.
پتانسیل موجود در اقیانوسها، بسیاری از دانشمندان و مخترعان را برای ساخت دستگاه‌هایی که بتواند این انرژی را به انرژی‌های دیگر تبدیل نماید، ترغیب نموده است. انرژی موج را نمی‌توان در هر نقطه‌ای استفاده کرد. بهترین مناطق جهت احداث نیروگاه، نقاطی است که ارتفاع موج زیاد باشد.
انرژی جزر و مدی (Tidal Energy) نیروی حاصل از جزر ( پایین رفتن آب ) و مد ( بالا آمدن آب دریا ) در نواحی ساحلی گویند. برای بهره برداری از این نیرو توربین‌هایی در نواحی ساحلی مستقر می‌کنند که با قدرت آب مي‌چرخند و انرژی تولید می‌کنند.
انرژی حرارتی اقیانوسها به عنوان راهی برای استخراج مقداری از انرژی خورشیدی ذخیره شده در بخش های گرمسیری اقیانوسها (۱۹۳۰ کلاپود، ۱۸۸۱ آرسونوال) می‌باشد. مکانیزم عملکرد اتک (OTEC) مبتنی بر ایجاد یک چرخه عظیم بین آبهای گرم سطحی و آبهای سرد در عمق دریا می‌باشد.
تاریخچه:
در قرن یازدهم از انرژی جزر و مد در ساحل اقیانوس اطلس در فرانسه، انگلستان و اسپانیا با قراردادن دستگاه‌هایی استفاده شد. استفاده عملی از انرژی جزر و مد در ابعاد تجربی بزرگ در قرن نوزدهم ادامه داده شد. تأسیسات استفاده از انرژی جزر و مد در انگلستان، آلمان، ایتالیا، شوروی سابق و آمریکا بکار گرفته شد. ماشینهای جزر و مدی قدیمی قسمت کوچکی از انرژی جزر و مد موجود را برای تولید انرژی مکانیکی فراهم می‌کردند. توان مکانیکی چنین ماشینهایی بین ۳۰ تا ۱۰۰ کیلو وات بوده است. استفاده از انرژی جزر و مد برای تولید الکتریسیته اخیراً پیشنهاد شده است. تکنولوژی نو و مهندسی پیشرفته در ساختن سدهای آب و توربینها و بالا رفتن قیمت دیگر منابع انرژی سبب توسعه بیشتر استفاده از انرژی جزر و مد شده است. دو نوع مانع تجاری از لحاظ اندازه در حال حاضر مورد استفاده است. یکی در لارنس (LaRance) فرانسه و نوع دیگر در کانادا، نوا اسکوشیا (Nova Scotia) رویال آناپلیس (Annapolis Royal) است. ایالات متحده هیچ دستگاه جزرومدی ندارد و تنها محل که نیروی جزر و مدی می‌تواند انرژی به صرفة اقتصادی را تولید کند، در نظر دارد فرانسه، انگلستان، کانادا و روسیه استعداد بیشتری از این بابت دارند. اولین طرح بزرگ انرژی الکتریکی از جزر و مد در فرانسه در سال ۱۹۶۶ شروع به کار کرد. در این واحد ضریب توان تبدیل انرژی جزر و مد به الکتریسیته در حدود ۱۸ تا ۲۵ درصد است. انرژی جزر و مد آلوده کننده نیست و برای موجودات دریایی نیز اثرات کمی دارد. در قرن یازدهم میلادی نیز آسیابان‌های سواحل ولز، سنگ‌های آسیاب خود را با کمک نیروی جزر و مد به کار می‌انداختند و بر همین اساس هم یک نیروگاه بهره‌برداری از قدرت جزر و مد در «سانت متلو» ی فرانسه از ۳۵ سال پیش تاکنون به کار مشغول است. اما از این روش، تنها در شمار اندکی از سواحل جهان می‌توان استفاده کرد. یعنی در سواحلی که تفاوت ارتفاع سطح آب، در حین جزر و مد بیش از چندین متر است. همین‌طور امروزه در سواحل جزیره «شتلند» توربین دیگری به تولید الکتریسیته مشغول است. در مقابل سواحل کالیفرنیا، فلوریدا و کرانه شرقی کانادا پروژه‌ای مشابه به کار گرفته شده است. کارشناسان معتقدند طی ۳۰ سال آینده می‌توان از این توربینها برای تولید ۴۰ درصد از انرژی مورد نیاز خانه‌های مسکونی استفاده کرد.
همان گونه که میدانیم جزر و مد در اثر کشش جاذبه‌ای ماه و خورشید و چرخش زمین بوجود می‌آید و استفاده از انر آن که یکی از انرژی‌های دریایی است در حال گسترش است. نزدیک سواحل دریا، در جهان مناطقی هست که سطح آب می‌تواند تا ۲۴ متر به بالا کشیده شود. تنها حدود ۲۴ نقطه در جهان وجود دارد که دارای شرایط مناسب و حدود جزر و مدهایی با ارتفاع کافی (حدود ۶ متر به بالا) برای تولید انرژی که از دیدگاه اقتصادی مقرون به صرفه باشد. ساده‌ترین سیستم تولید نیرو برای دستگاه‌های جزر و مدی شامل سدی به صورت مانع در عرض مدخل کولاب در حاشیه دریا است. هنگام جزر و مدهای بزرگ دروازه‌های آبگیر مانع، اجازه ورود آب را به ظرف جزر و مد می‌دهد و آب را از میان سیستم توربین خروجی عبور می‌دهد. این زمان را که بین بالاترین نقطهٔ مد و پایین‌ترین نقطهٔ جزر وجود دارد در زبان انگلیسی «Ebb tide» می‌گویند. سیستم‌های دو راههای هم برای تولید برق در هنگام مد وهم در هنگام جزر وجود دارد که بازده سیستم را بیشتر می‌کند.
موانع جزر و مدی می‌توانند سطح جزر و مد را در ظرف تغییر داده و میزان آشفتگی را در آب بالا ببرند. این مسئله می‌تواند روی جهت‌یابی نیز تأثیر بگذارد. بزرگترین ضرر بالقوه استفاده از نیروی جزر و مدی، تأثیر یک ایستگاه جزر و مد روی گیاهان و حیوانات و تاثیرهای احتمالاً ناخواسته بر اکوسیستم کولاب است. همچنین حصارهای جزرومدی می‌توانند انرژی جزر و مد را مهار کنند، یک حصار جزر و مدی دارای توربین‌های قائم محور هستند که روی یک حصار سوار شده است. تمام آبی که عبور می‌کند به درون توربینها رانده می‌شود. این تأسیسات در جاهایی مانند کانال‌های بین خشکی‌ها نیز می‌توانند بکار گرفته شوند. حصارها تأثیر زیست محیطی کمتری نسبت به موانع جزرومدی دارند، اگرچه می‌توانند برای حرکت حیوانات بزرگ دریایی و نیز قایق رانی و آمد و شدهای شناورها مشکل ساز باشند. هزینه نصب حصارهای جزر و مدی نیز کمتر از موانع جزر و مدی است. یک حصار جزر و مدی در سواحل فیلیپین در حال فعالیت است. توربین‌های جزر و مدی تکنولوژی جدیدی هستند که در بسیاری از نواحی جزر و مدی بکار گرفته می‌شود. آنها اساساً توربین‌های بادی هستند که در هر محلی که جریان جزر و مدی قوی دارد، واقع شده‌اند. از آنجا که آب ۸۰۰ مرتبه چگال تر از هوا است، توربین‌های جزر و مدی مجبور به داشتن مقاومت بیشتری از توربین‌های بادی خواهند بود. این توربینها سنگین‌تر و گران‌تر هستند اما قادرند در نهایت انرژی بیشتری را به دام بیندازند.
انرژی جزر و مد:
انرژی دريایی يا اقيانوسی، يكي از انواع انرژي‌هاي تجديدپذير است، كه در كنار منابع ديگری نظير انرژي خورشيدي و باد مورد توجه قرار گرفته است. انرژي امواج و انرژي جزر و مد را مي‌توان مهم‌ترين زير مجموعه‌هاي انرژي‌هاي دريايي به شمار آورد. به دليل تفاوت‌هاي موجود در ويژگي‌ها و روش‌هاي فني جذب آنها، توسعه اين دو منبع راه متفاوت و مستقلي را طي كرده است.
نيروگاههاي جزر و مدي به دليل مشابهت با نيروگاههاي آبي و استفاده از فناوري آماده آنها، به پيشرفت‌هاي سريعي نايل آمده است، اما بروز مشكلات زيست محيطي باعث شده است كه تحول و ايجاد تغييرات اساسي در روش كار ايجاد گردد. توسعه آنها به روش قبل به رغم پيشرفت‌هاي ذكر شده، در عمل محدود شده است.
نيروگاههاي موجي از تنوع زيادي برخوردار هستند. برخي بر روي آب شناورند و برخي ديگر در ساحل نصب مي‌شوند. همچنين نحوه درگيري آنها با امواج و در نتيجه نوع حركتي كه جذب مي‌كنند با هم تفاوت بسيار دارد. علاوه بر كارهاي مطالعاتي، نمونه‌هاي كوچكي نيز از برخي سيستم‌هاي موجي در نقاط مختلف جهان ساخته شده و مورد آزمايش قرار گرفته است.
امواج در اثر انتقال انرژي از باد به دريا به وجود مي‌آيند. نرخ اين انتقال انرژي بستگي به سرعت باد و نيز به مسافتي دارد كه در طول آن باد با سطح آب در فعل و انفعال بوده است. موج‌ها به خاطر جرم آبي كه نسبت به سطح متوسط دريا جا به جا شده انرژي پتانسيل و به خاطر سرعت ذرات آب، انرژي جنبشي را با خود حمل مي‌كنند. انرژي ذخيره شده از طريق اصطكاك و اغتشاش و با شدتي كه بستگي به ويژگي امواج و عمق آب دارد، تلف مي‌شود. موج‌هاي بزرگ در آبهاي عميق انرژي خود را با كندي بسيار از دست مي‌دهند، در نتيجه سيستم هاي امواج بسيار پيچيده هستند و اغلب هم از بادهاي محلي و هم از طوفان‌هايي كه روزها قبل در دور دست اتفاق افتاده‌اند، سرچشمه مي‌گيرند.
امواج توسط ارتفاع، طول موج و دوره تناوبشان مشخص مي‌شوند. قدرت امواج معمولاً بر حسب كيلووات بر متر بيان مي‌شود كه نمايانگر شدت انتقال يا عبور انرژي از يك خط فرضي به طول يك متر و موازي با جبهه موج است. امروزه فناوري توليد انرژي از موج اقيانوسها وجود دارد، به طوري كه بيش از ۴۰۰ اختراع در اين زمينه به ثبت رسيده است.
شکل ۱- شماتیکی از نیروگاههای موجی
استفاده انرژي از جزر و مد در نقاطي عملي است كه انرژي زيادي به صورت جزر و مدهاي بزرگ در آنها متمركز شده باشد و به علاوه جغرافياي محل نيز براي احداث نيرگاه جزر و مدي سايت مناسبي فراهم كرده باشد. چنين مكان‌هايي در همه جا يافت نمي‌شوند. اما تا به حال تعداد نسبتاً زيادي شناسايي شده‌اند. در حال حاضر تعداد كمي نيروگاه جزر و مدي در جهان احداث شده است.
نخستين و بزرگ ترين آنها كه از نوع تك حوضچه‌اي و دو اثري بوده، با ظرفيت ۲۴۰ مگاوات در لارانس فرانسه تأسيس شده است كه جنبه تجاري دارد. به غير از آن، نيروگاه ۲۰ مگاواتي آناپوليس در كانادا، نيروگاه آزمايشي ۴۰۰ كيلوواتي كيسلاياگوبا در شوروي سابق و نيروگاه ۲/۳ مگاواتي جيانگزيا در چين را مي‌توان نام برد. همچنين چند ايستگاه كوچك چند منظوره در چين احداث شده است.
علاوه بر انرژي جزر و مد و امواج، انرژي حرارتي اقيانوسها يا درياها كه از اختلاف دماي آبهاي سطحي و آب هاي عمق ۱۰۰۰ متري درياهاي بزرگ استفاده كرده و يك سيكل كم راندمان و دما پايين ترموديناميكي را بين اين دو منبع حرارتي سرد و گرم برقرار مي‌كند نيز مورد توجه و بهره برداري آزمايشي قرار گرفته است.
همانطور که بيان گرديد، پديده‌ي کِشَند يا جزر و مد اساساً زاييده نيروي گرانش کره ماه است، آشکار است که درياها در سنجش با خشکي‌هاي زمين نرمش پذيري بيشتري دارند و از اين روي در برابر نيروي کشش ماه کمتر ايستادگي مي‌کنند؛ به همين سبب توده‌هاي آب در زير پاي ماه انباشته مي‌گردند و پديده‌اي را به نام «برکشند» يا مد ايجاد مي‌کنند.
شکل ۲- ماه عامل جزر و مد
هم‌زمان با «برکشند» رو به ماه، «برکشند» ديگري در آن سوي کره زمين ايجاد مي‌گردد بدین منظور که آبهاي آن سوي کره زمين که از ماه را دور کنند، کمتر متأثر گرديده و به اصطلاح عقب مي‌مانند و آب- توده کلاني را ايجاد مي‌کنند، بنابراين روزانه هر نقطه از سطح دريا دوبار دستخوش برکشند و دو بار هم دستخوش «فروکشند» (جزر) مي‌گردد. بنابراين، به طور ميانگين بازه زماني ميان دو برکشند و فروکشند پياپي ۱۲ ساعت و ۵/۲۵ دقيقه است، درست نيمه زماني که طول مي‌کشد، تا ماه ظاهراً يک دور کامل گرد زمين بپيمايد يعني ۲۴ ساعت و ۵۱ دقيقه. کشند همراه با حرکت ظاهري ماه از افق شرقي ناظر، به سمت افق غربي او پيش مي‌روند. اثر گرانش خورشيد در کشند نسبت به ماه در رده دوم اهميت برخوردار است، زيرا بازه آن بيشتر (فاصله خورشيد از زمين يکصد و پنجاه ميليون کيلومتر) است، از اين‌رو نسبت نيروي کشندزاي خورشيد تنها ۷ درصد نيروي ماه است. هنگامي که نيروهاي کشندزاي ماه و خورشيد هماهنگ عمل مي‌کنند، مثلاً هنگام ماه نو که هر دو در يک طرف زمين هستند، جزر و مدها در بيشينه خود هستند و به نام کشند فنري يا «مه‌کشند» (spring tide) ناميده مي‌شود، حد ديگر وقتي است که خورشيد و ماه با هم زاويه ۹۰ درجه (تربيع) مي‌سازند در اين هنگام جزر و مد را به کمينه و به کشندهاي کوچک يا «که‌کشند» (neap tide) بدل مي‌سازند.
نزديکي ماه نيز تأثيري در بلندي کشند دارد، هنگامي که ماه در فرودينه (حضيض) زميني قرار دارد نيروي کشندزاي آن به اندازه ۲۰ % بيش از حد عادي است. گرانش ماه سبب مي‌شود افزون بر آماسيدن آبهاي کره زمين، خشکي‌ها نيز دستخوش تورم گردند که در سنجش با آماس آبها نامحسوس است.
(الف) (ب)
شکل ۳- (الف) خليج فاندي به هنگام مد، (ب) خليج فاندي به هنگام جزر
پديده جزر و مد اساساً زائيده‌ي نيروي جاذبه ماه است
جزر و مد دریاها مدتی است که به عنوان یکی از منبع انرژی‌های تجدیدپذیر مورد توجه قرار گرفته است. دانشمندان اروپایی در دریاچه استرانگفورد در ایرلند شمالی، که از نظر جزر و مد مساعد است، پیش نمونه ابزاری را آزمایش می‌کنند که برای تولید انرژی الکتریسیته از جزر و مد دریا طراحی شده است. این فناوری می‌تواند سالانه ۱/۶ گیگاوات ساعت برق تولید کند.
شکل ۴- ابزاری برای تولید انرژی الکتریسیته از جزر و مد دریا
در دریاچه استرانگفورد در ایرلند شمالی تغییرات جزر و مد تا حدود چهار متر هم می‌رسد و سرعت آن به طور متوسط ۱/۴ متر در ثانیه است. در نتیجه مکان مناسبی برای آزمایش نمونه اولیه ابزاری است که محققان اروپایی طرح موسوم به «پاورکایت» را برای تبدیل انرژی جزر و مد به الکتریسیته طراحی کرده‌اند. این پیش‌نمونه شبیه یک هواگرد است که به زیر آب فرستاده می‌شود.
این یک بادبادک (هواگرد) به بستر دریا می‌چسبد. در پدیده جزر و مد یک نیروی بالابرنده و حرکت آب به سمت جلو را داریم. در نتیجه پیش‌نمونه ما در کف دریا شروع به حرکت می‌کند و به خاطر بال‌هایش سرعت می‌گیرد. به این ترتیب توربین شروع به چرخیدن می‌کند و الکتریسیته تولید می‌شود.
این بادبادک (هواگرد) زیردریایی به حسگرهای متعدد و ابزارهای ارتباطی هم مجهز است. محققان در واقع می‌خواهند بدانند پیش‌نمونه آنها تحت چه شرایطی بیشترین میزان انرژی الکتریسته را تولید می‌کند و عمق، حرکت و جهت حرکت آب در جریان‌های جزر و مد چه تاثیری بر انرژی تولید شده دارد.
اثرات جزر و مد:
یکی از اثراتی که ماه بر زمین می‌گذارد جزر و مد (Tides) است. نیروهای گرانشی مابین ماه و خورشید و زمین سبب بالا و پایین رفتن منظم آب اقیانوسها در سراسر جهان گردیده که نتیجه آن امواج جزر و مدی می‌باشد. ماه نیرویی بیش از دو برابر نیرویی که خورشید بر امواج جزر و مد تاثیر می‌گذارد اعمال می‌کند. در نتیجه جزر و مد به وضوح تابعی است از گردش ماه به دور زمین. در کل به نیروی حاصل از جزر (پایین رفتن آب) و مد (بالا آمدن آب دریا) در نواحی ساحلی گویند. این دو اثر را از وجود نیروی جاذبه ای به غیر از جاذبه زمین میدانیم. در میان سیارات منظومه شمسی، سیاره زمین تنها سیاره‌ای است که دارای مقادیر بسیار زیاد آب در سطحش می‌باشد بطوریکه تقریباً سه چهارم سطح آن از آب پوشیده شده است. بیشتر مردم با تغییرات روزانه سطح آب دریاها بعنوان جزر و مد آشنا هستند. تقریباً در تمام نقاط ساحلی دنیا جزر و مد بصورت دو بار مد (بالا آمدن آب) و دو بار جزر (پایین آمدن آب) وجود دارد. مقدار اختلاف بالا و پایین آمدن آب بین چند سانتی‌متر تا چند متر ودر نقاط مختلف دنیا متفاوت است. برای نمونه درمنطقه‌ای در مرز کانادا و آمریکا این مقدار به حدود ۲۰ متر می‌رسد. برای بهره‌برداری از این نیرو توربین‌هایی در نواحی ساحلی مستقر می‌کنند که با قدرت آب می‌چرخند و با استفاده از این قدرت آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. ایجاد موج در روز و سیکل جزر در سطح هر جزئی از اقیانوس وجود دارد. دامنه ارتفاع موج جزر و مد در اقیانوسهای آزاد در جایی که چندین سانتی‌متر آشفتگی در مرکز موج بالغ بر صدها کیلومتر آشفتگی می‌شود بسیار کم است. به هر حال موج می‌تواند مطابق دستورالعمل خاصی زمانی که به نواحی اقلیمی می‌رسد افزایش پیدا کند و حجم عظیمی از آب را به فواصل کوچک رودخانه‌ها و دهانهٔ رودها در نوار ساحلی سرازیر نماید. اغلب جزر و مدهای ساحلی کشندی شامل دو طغیان و دو فروکش با یک دوره نیم روزی دوازده ساعت و بیست و پنج دقیقه‌ای 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 طولانی‌تر هستند یا اینکه دست کم تلفیقی از هر دو با اختلاف و نابرابری روزانه باشند. اما به هر حال همیشه در دورهٔ روزانه یا نیم روزی ثابت هستند. میزان جزر و مد در هر ماه قمری متغیر است. بلندترین جزر و مدها جزر و مدهای بهاری نامیده می‌شوند که زمانی رخ می‌دهد که ماه و زمین و خورشید از نظر موقعیت مکانی در یک خط مستقیم قرار می‌گیرند (استقرار نقطه سه‌گانه) یا که‌کشند نامیده می‌شوند و زمانی رخ می‌دهند که ماه و زمین و خورشید در زوایای قائم نسبت به یکدیگر قرار بگیرند. در واقع این تأثیرات، دوبار در فاصله میانگین ۲۴ساعت و ۵۳ دقیقه رخ می‌دهند. یعنی در هر ۱۲ساعت و ۲۶ دقیقه دو جزر یا دومد اتفاق می‌افتد. هنگامیکه ماه و زمین و خورشید هرسه در یک امتداد باشند شدت به حداکثر می‌رسد. اگر خشکی‌ها مقابل کره ماه قرار بگیرند به علت مقاومت خشکی، خشکی حدود ۲۰ سانتی‌متر جابجا می‌شود که به آن جزر و مد خشکی می‌گویند؛ ولی مقاومت اقیانوسها در مقابل کره ماه کمتراز خشکی است باید در نظر داشت که وقتی آن قسمت از زمین که در مقابل کره می‌باشد حالت مد داشته باشد نقطه مقابل آن در طرف دیگر زمین نیز، همین حالت مد را خواهد داشت. یعنی قسمت از زمین که ماه روی نصف النهار بوده در اثر جاذبه ماه برای آبها، مد پیش می‌آید و در طرف دیگر که از جاذبه ماه دور بوده کمتر تحت تأثیر است. نیروهای جزر و مدی می‌توانند اثرات شگفت‌انگیزی را ایجاد کنند. اصطکاک آبهای اقیانوس با بستر دریا چرخش زمین را به میزان ۰۰۱ ٪ ثانیه در هر روز از قرن کاهش می‌دهد. بررسی فسیلهای حیوانات ثابت کرده است که ۴۰۰ میلیون سال پیش روز زمینی فقط ۲۲ساعت طول می‌کشیده به علاوه میدان گرانشی زمین نیز، نیروها ی جزر و مدی روی ماه اعمال می‌کند. بر روی سطح ماه، آب وجود ندارد اما اصطکاک، خم کردن و حرکت دادن صخره‌ها تا حدی حرکت چرخشی ماه را کند می‌کند و در دراز مدت باعث شده که فقط یک سوی ماه به طرف زمین قرار گیرد که به آن گردش هماهنگ و یا قفل جزر و مدی می‌گویند.
طغیان و فروکش جزر و مد:
طغیان و فروکش جزر و مد در طول خط ساحلی منطقه می‌تواند به صورت زیر توضیح داده شود: ارتفاع کم موج جزر و مد از صدها کیلومتر در سطح اقیانوسها براساس چرخش به دور زمین تا زمانی که امواج در آن اقلیم به لب دریا برخورد نماید زیر ماه امتداد پیدا می‌کند. جرم آب توسط گرانش ماه کشیده می‌شود و دهانه رودخانه‌ها را پر می‌نماید. جایی که این جرم آب هیچ راهی برای گریز و پراکنده شدن در اقیانوس نمی‌یابد این امر به تداخل امواج و انباشته شدن آب در دهانه رودخانه‌ها منجر می‌شود. در نتیجه سطح آب بالا می‌آید (سیکل جزر و مد). جزر و مد در مسیر حرکت ماه مجدداً فروکش می‌کند و از سمت اقیانوس دور شده به زمین نزدیک می‌شود و اثر این گرانش روی آب اقیانوسها تدریجاً کاهش پیدا می‌کند.
تکنیک‌های استفاده از انرژی جزر و مد:
یکی از روشهای ساده و قدیمی استفاده از انرژی جزر و مد ایجاد یک حوض تنها است. این تکنیک فقط یک حوض را با مسدود کردن خلیج حاصله از نصب رود یا خلیج اصلی با استفاده از یک سد مورد استفاده قرار می‌دهد. در طول دوره تناوب یا بالا آمدن آب، از دریچه‌های راههای کانالی، آب حوض را پر می‌کند. وقتی که سطح آب در حوض بالاتر از سطح آب دریا است؛ انرژی پتاسیل آب مسدود شده در حوض با گذشتن از توربین مولد الکتریسته به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. در این طرح حدود ۵ ساعت تولید و ۶ تا ۷ ساعت پرکردن مجدد و توقف مشخص می‌شود. تکنیک انرژی خروجی یک راهه حوض تنها با قرار دادن توربین، مولدی که می‌تواند موتور پمپ کمکی به هنگام عملیات پر کردن مجدد مورد استفاده قرار گیرد، اصلاح می‌شود.
طرح دیگر عبارت از یک حوض با دو راه است؛ که تولید انرژی بر اثر حرکت آب از طرف دریا به حوض و از طرف حوض به دریا صورت می‌گیرد. با بکار بردن چنین دستگاهی انرژی بیشتری نسبت به طرح قبلی تولید می‌شود. با وجود این انرژی تولید شده در این طرح مانند طرح یک راهه آن چنان زیاد نیست، بنابراین توربین‌های طرح دو راهه بسیار بزرگ و گران‌قیمت هستند. انرژی خروجی تکنیک مولد یک دو راهه نیز باید با پمپ کمکی اصلاح شود، توسعه طرح انرژی جزر و مد لارانس برای دو راه عملیات حوض تنها با پمپ بوده است.
تولید برق از طریق انرژی جزر و مد:
نیروگاههای تولید الکتریسیته در اعماق آب دریاها با استفاده از قدرت جزر و مد می‌توانند کمکی برای مسئلهٔ انرژی جامعه بشری باشند. نخستین پروژه از این نمونه با یک سیستم نوین، در حال حاضر مشغول به کار است. پره‌های ۱۱ متری یک توربین زیر آبی به آرامی و بدون سر و صدا در حال گردشند. این نخستین پروژهٔ تولید الکتریسیته از نیروی جزر و مد در عمق دریاست که به شیوه‌ای نوین به کار گرفته شده است توربین‌های تولید انرژی، که در عمق ۲۰ متری در فاصله ۲ کیلومتری ساحل «دوون» واقع در جنوب غربی انگلیس کار می‌کنند حاصل ۴ سال تلاش مهندسان و کارشناسان دانشگاه کاسل آلمان است. این تنها نیروی جزر و مد است که پروانه‌های عظیم این توربین‌های زیرآبی، با نام «جریان دریایی» را به چرخش درمی آورد. این توربینها، برخلاف توربین‌های بادی که وابسته به شرایط آب و هوایی هستند می‌توانند در اعماق دریا و به دور از تغییر و تحولات جوی به طور دائم به کار خود ادامه داده و به تولید الکتریسیته بپردازند. در سواحل اسکاتلند برای تولید الکتریسیته تنها از نیروی امواج استفاده می‌شود. باله‌ها جریان امواج را به درون تونلی منتقل کرده و به این ترتیب تودهٔ هوا را به جلو می‌رانند و با کمک این توده هوا توربینی به گردش در می‌آید. اما ساده‌ترین سیستم بهره‌برداری از انرژی جزر و مد سیستمی است که دانمارکی‌ها به کار می‌گیرند. در این سیستم، امواج مستقیماً توسط یک سطح شیب دار به سوی پره‌های توربین رانده می‌شوند و آن را به حرکت درمی آورند.
انرژی امواج:
انرژي موج، در اقيانوس بر اثر عمل باد روي سطح اقيانوس توليد مي‌شود. كل انرژي موج توزيع شده در زمين ۲/۵×۱۰۶ MW تخمين زده مي‌شود. كه در حدود انرژي كلي توزيعي جزر و مد است. انرژي موج منبع تجديد شونده است و معمولاً نسبت به انرژي باد، قابليت توليد بيشتري دارد. انرژيي كه از امواج استخراج مي‌شود دوباره، توسط برهم‌كنش با دو سطح اقيانوس، به سرعت، پر مي‌شود. انرژي موج نامنظم، نوساني وداراي فركانس پايين است كه قبل از اضافه شدن به شبكه بايد به فركانس ۶۰ هرتز تبديل شود. بر اساس برآوردهاي انجام شده، كل انرژي امواج در جهان ۲ تراوات (۲ ميليون مگاوات) انرژي الكتريكي باشد. به طورتقريبي حداكثر ۲۰ درصد از اين انرژي قابل استفاده است. تا اواسط دهه ۹۰ بيش از ۱۲ سامانه متمايز براي استفاده اين انرژي پيشنهاد شده و اكنون تعداد بيشتري از سامانه هاي جديد معرفي شده‌اند كه تنها تعداد كمي از آنها از نظر اقتصادي و فني امكانپذير هستند. انرژي موج را نمي توان در هر نقطه‌ي استفاده كرد. بهترين مناطق جهت احداث نيروگاه، نقاطي است كه ارتفاع موج زياد باشد.
شکل ۵- 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 در عرض جغرافیایی ۳۰ قرار دارند، جایی که باد‌های منظم می‌وزد . 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 چرخه‌ای موج، انرژی را به سمت جلو پیش می‌برد.
امواج متحرک اقيانوس داراي انرژي جنبشي است. از اين انرژي مي‌توان جهت چرخش يک توربين استفاده نمود. موج در محفظه به طرف بالا حرکت نموده و باعث خروج هوا از طرف ديگر آن مي‌شود. سپس هواي متحرک باعث چرخش توربين شده و درنتيجه ژنراتور را به گردش در مي‌آورد. زماني که موج پائين مي‌رود، جريان هوا از توربين عبور کرده و مجدداً از طريق درهايي، که معمولاً بسته اند، وارد محفظه مي‌شود.
شکل ۶- توربین جذر و مدی
تصویر زير يک طرح تحقيقاتي براي استفاده از انرژي موج را نشان می‌دهد.
 |
 |
توان تولید شده در نیروگاههای موجی ثابت نبوده و بستگی به شرایط موج دریا دارد. هزینه ساخت ژنراتورهای موجی زیاد و ساخت آن ها دشوار است. کابلی که به وسیله آن مولدهای موجی به هم متصل می‌شوند برای قایقها و کشتی‌ها مشکل آفرین می‌باشد. در ضمن انتقال برق از طریق کابل نیز خطرناک است، زیرا ممکن است کابل لخت شده و جریان برق وارد آب شود و موجودات دریایی را به خطر اندازد. در ضمن این نیروگاه‌ها باید طوری ساخته شوند که در شرایط بد و طوفانی صدمه نبیند.
با شنیدن کلمه موج معانی مختلفی ممکن است به ذهن خطور کند. مثلاً در استادیوم فوتبال گاهی تماشاچیان به عنوان تشویق گروهی “موج مکزیکی می‌دهند” ! و با نظم خاصی در سر جای خود به بالا و پایین حرکت می‌کنند.
گاهی در مسائل اجتماعی – سیاسی از موج سخن به میان می آید. مثل “موج بنیادگرایی” البته در فیزیک، اصطلاح موج یک معنی خاص دارد.
وقتی سنگی را بر روی سطح دریاچه یا استخر آب می اندازید، حلقه‌های موج شکل گرفته و به بیرون حرکت می‌کنند.
همچنین وقتی انتهای یک طناب را به بالا و پایین حرکت می دهیم موج به‌وجود می‌آید.
موج حاصله در طناب و آب دو مثال معروف از امواج هستند. در حال حاضر بیشتر با امواج مکانیکی سروکار خواهیم داشت.
شاید بارها امواج به‌وجود آمده در دریا را مشاهده کرده باشید که به سمت ساحل حرکت می‌کنند و این حرکت پی در پی روی می‌دهد. آیا این حرکت مداوم امواج باعث می‌شود آب اقیانوسها دائماً به ساحل منتقل شده و آب آنها کم و یا خشک گردد؟
-البته که این اتفاق روی نمی‌دهد!
امواج آب با سرعت مشخص به سمت ساحل حرکت می کند. اما هر ذرّه آب فقط حول یک نقطه تعادلی مشخص نوسان می کند.
تصویر زیر امواج به‌وجود آمده توسط قایق موتوری را نشان می دهد که به سمت ساحل و قایق ماهیگیر به پیش می روند. اگرچه امواج دائماً به سمت قایق حرکت می‌کنند اما هیچ حجمی از آب توسط قایق موتوری به سمت بیرون جابجا نمی‌شود. امواج آب بر خلاف حرکت آب در رودخانه هیچ حرکت یکسویه‌ای در آب به‌وجود نمی‌آورند، بلکه امواج آب فقط یک آشفتگی و تغییر شکل ظاهری در آب هستند که شروع به حرکت می‌کنند.
شکل ۷- شماتیک امواج بوجود آمده در اثر حرکت قایق
برای دانلود PDF این مطلب بر روی لینک کلیک نمایید.
منابع
- برآورد پتانسيل توليد انرژي تجديدپذير در درياهاي پيراموني ، چگيني، وحيد. و همكاران، گزارش طرح پژوهشي، ۱۳۹۰
- اصول مهندسي دريا، سورنسون، ر. مترجم. برگي، خسرو، ۱۳۷۹ ، انتشارات دانشگاه تهران
- مقدمهاي بر جزر و مد در درياها و اقيانوسها؛ جورج. اچ. داروين؛ ترجمه دكتر حسين مروتي؛ انتشارات آبزيان؛ تهران ۱۳۸۴
- توليد برق از جريان هاي دريايي، احمدي نژاد، مهيار. شركت مهندسي مشاور منا
- مقدمه‌ای بر جزرومد در دریاها و اقیانوسها؛ جورج. اچ. داروین؛ ترجمه دکتر حسین مروتی؛ انتشارات آبزیان؛ تهران ۱۳۸۴
- Technical Readness of ocean Thermal Energy Conversion(OTEC)
- Direct-contact condensers forrpen Cycle OTEC Applications
- Hydropower Enginneering Handbook part 1 and part2
- Hydropower handbook creager & Justin
- E2I EPRI Assessment Offshore Wave Energy Conversion Devices By Mirko Previsic
- Ocean energy, US departmenr of interior
بازدیدها: 494
