انرژی موج و چگونگی تبدیل انرژی موج دریا به برق

اگر در یک دریای طوفانی یا استخر موجدار شنا کرده باشید قطعا به انرژی موج پی برده اید. موج منبعی سرشار از انرژی است که می تواند نیاز بشر به سوخت های فسیلی را کاهش و حتی به صفر برساند اما چرا تا الان این اتفاق نیفتاده؟ یا تا وقتی سوخت های فسیلی تمام شود به این منبع توجهی نخواهد شد؟ با خط مهندسی همراه باشید تا جواب این سوال هارا پیدا کنیم.

انرژی های تجدید پذیر

انرژی تجدیدپذیر (Renewable energy)، که انرژی برگشت‌پذیر نیز نامیده می‌شود، به انواعی از انرژی می‌گویند که منبع تولید آن نوع انرژی، بر خلاف انرژی‌های تجدیدناپذیر (فسیلی)، قابلیت آن را دارد که توسط طبیعت در یک بازه زمانی کوتاه مجدداً به وجود آمده یا به عبارتی منابعی هستند که پس از مصرف به راحتی جایگزین می شوند.

سهم انرژی تجدید پذیر در مصرف جهانی:

نمودار  شکل زیر انرژی حاصل از منابع مختلف را در جهان نشان می دهد که کمتر از ۲۰٪ از سهم انرژی دنیا را دارد.

اما چرا باید این سهم کوچک برای انرژی های تجدیدپذیر باشد در حالی که تخمین زده می شود اگر با همین نرخ مصرف انرژی پیش برویم تا سال ۲۰۶۰ ذخایر انرژی های فسیلی تمام میشود.

ایران با داشتن ۳۲۹۴ کیلومتر خط ساحلی پتانسیل خیلی بالایی برای استفاده ار این منبع انرژی دارد اما هنوز هیچ اقدامی در این راستا صورت نگرفته است.

چرا از انرژی تجدید پذیر استفاده می کنیم؟

انرژی تجدید پذیر را که قبل تر توضیح داده بودیم اما به طور کلی استفاده از انرژی تجدید پذیر فواید بسیاری دارد که شامل موارد زیر می شود :

۱) استفاده از منابع ایمن , محلی و دوباره تجدید شونده

۲) کاهش بستگی به انرژی های تجدید ناپذیر

۳) کمک به پاکیزه نگه داشتن هوا ، آب و خاک

۴) کاهش تولید دی اکسید کربن و دیگر گازهای گلخانه ای

۵) ایجاد اشتغال در صنعت

انواع انرژی تجدید پذیر:

• انرژی آبی (نیروی برق‌آبی)
• انرژی بادی
• انرژی خورشیدی
• انرژی زمین‌گرمایی
• انرژی زیست توده(زیست‌سوخت)
• انرژی امواج، انرژی جزر و مد و انرژی جریان اقیانوسی (انرژی دریایی)
• انرژی هیدروژن

انواع انرژی های موجود در اقیانوس:

انرژی را میتوان به چهار صورت از اقیانوس استخراج کرد :

• انرژی جریان های آبی Marine Current Energy
• انرژی موج Wave Energy
• انرژی جزر و مدTidal Energy
• تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس Ocean Thermal Energy Conversion

انرژی موج

در دریا و اقیانوس‌ها بر اثر وزش باد روی سطح آب، موج تولید می‌شود.

انرژی دریایی یا اقیانوسی,یکی از انواع انرژی های تجدیدپذیر است که در کنار منابع دیگری نظیر انرژی باد و انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته است.

انرژی امواج و انرژی چزر و مد را می توان مهم ترین زیر مجموعه های انرژی دریایی به شمار آورد.

احتمالا تاریخچه ی پیدایش این انرژی هم برای شما جذاب باشد که در زیر بررسی می کنیم.

تاریخچه انرژی موج:

اولین ایده استفاده از انرژی موج دریا به سال ۱۷۹۹ برمی گردد.

اولین دستگاه ساخته شده به سال ۱۹۱۰ که یک فرانسوی در نزدیکی ‘بوردو’برای تامین برق خانه خود از آن استفاده می کرد.

استفان سالتر از دانشگاه ادینبورگ اسکاتلند در سال ۱۹۷۴ توانست با اختراعی ۹۰٪ حرکت موج را متوقف کرده و ۹۰٪ آنرا به برق تبدیل کند.

در دهه ۸۰ میلادی با کاهش قیمت نفت فعالیت ها در این زمینه کاهش یافت,اما در سال های اخیر به دلیل مسایل زیست محیطی دوباره تلاش ها در این زمینه افزایش یافت.

پتانسیل جهانی انرژی موج در حدود ۲ تراوات(TW) تخمین زده می شود.

اگر عدد محاسبه شده صحت داشته باشد جه جیزی از توسعه ی جهانی این انرژی جلوگیری می کند؟

در ادامه مزایا و معایب این انرژی را بررسی می کنیم.

مزایای استفاده از انرژی موج:

این نوع انرژی مزایای متعددی دارد که چند نمونه اش را با هم در زیر بررسی می کنیم.

۱.انرژی پاک:

انرژی موج موجب تولید گازهای گلخانه ای یا سایر آلاینده ها مانند سوخت های فسیلی نمی شود.

۲.انرژی تجدید پذیر:

چنین منابعی نیازی به میلیون ها سال زمان برای به وجود آمدن ندارند و بی‏ پایان می ‏باشند.

۳.هزینه عملیاتی پایین:

هنگامی که دستگاه ها ساخته شدند,بصورت خودکار کار می کنند مگر اینکه آسیب ببینند یا نابود شوند.

چون این دستگاه ها از سوخت استفاده نمی کنند هزینه عملیاتی بسیار پایین می آید.

۴.بدون آلودگی برای محیط اطراف:

بر خلاف نشت نفت و آلودگی و مرگ ناشی از سوختهای فسیلی مثل زغال سنگ، از تولید برق از امواج تقریبا هیچ آلودگی وجود ندارد.

معایب استفاده از انرژی موج:

اما صبر کنید این منبع انرژی پاک هم معایب خودش را دارد که با هم بررسی می کنیم.

۱.تعمیر و نگهداری و اثرات آب و هوا:

تجهیزاتی که در معرض شرایط اقیانوسی ناهموار قرار می گیرند می توانند موجب آسیب دیدن به تجهیزات و خوردگی دریایی که حاوی نمک است شود که نیاز به نگهداری دارد.

۲.هزینه بالای فعلی سرمایه گذاری:

از آنجایی که انرژی موج هنوز در مرحله رشد است، ساخت دستگاه های تبدیل انرژی بسیار پر هزینه است.

۳.انتقال دشوار برق تولید شده:

کابلی که به وسیله آن مولدهای موجی به هم متصل می شوند برای قایق‏ها و کشتی ها مشکل آفرین است.

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.

۴.تعداد کم پروژه های اجرا شده:

تا کنون، تنها چند پروژه انرژی موج در سراسر جهان ساخته شده است.

تحقیقات بیشتری برای تعیین طول عمر تجهیزات، هزینه های مرتبط با راه اندازی دستگاه ها و تأثیر این ماشین ها در زندگی انسان ضروری است.

۵.پر سر و صدا بودن دستگاه ها:

دستگاه های انرژی مداوم در حال اجرا می تواند بسیار پر سر و صدا تر از امواج دریا باشند و این می تواند برای کسانی که در نزدیکی سواحل زندگی می کنند آزاز دهنده باشد.

قبل از ورود به بخش دستگاه های تبدیل انرژی،به تصویری که در زیر آمده است دقت کنید

نشان دهنده شش درجه آزادی است که یک شناور می تواند تجربه کند.

حرکات دورانی:

حول محور طولی X یا غلتش عرضی : رول (Roll)

حول محور عرضی Y یا غلتش طولی : پیچ (Pitch)

حول محور Z یا غلتش در صفحه افقی : یاو (Yaw)

حرکات خطی‌:

در راستای محور طولیX : سرج (Surge)

در راستای محور عرضیY : اسوی (Sway)

در راستای محور عمودیZ : هیو (Heave)

انواع دستگاه های تبدیل انرژی:

روش های مختلفی برای جذب انرژی موج وجود دارد که بعضی را به اختصار در زیر توضیح داده ایم.

۱.دستگاه جذب نقطه ای(Point Absorbers):

نقاط جذب کننده، سازه های شناور هستند که دارای ابعاد افقی اندکی نسبت به ابعاد عمودی خود هستند.

بیشتر طرح هایی که برای جذب نقطه ای ساخته شده مشابه یک شناور معمولی است از نمای بالا.

فناوری جذب نقطه ای(Point absorber) اغلب توسط توسعه‌دهندگان انرژی موج دنبال می‌شود.

زمانی که شناور توسط موج‌ها تحریک می‌شود (جذب نقطه)، جریان نسبت به نقطه مرجع ثابتی حرکت دارد.

برخی شرکت‌ها از سازه‌های شناور در مرحله مفهومی از سیلندرهای هیدرولیکی استفاده می‌کنند در حالی‌که سایر طراحان از ژنراتورهای خطی استفاده می‌کنند.

یک نمونه از چنین نیروگاه نقطه جذب (طراحیِ آلمان) در کرت یونان (اوت ۲۰۱۶) قرار دارد. در این مبدل انرژی موج، با حرکت جسم شناور به یک ساختار ثابت با استفاده از ژنراتورهای خطی، برق تولید می‌کند.

با توجه به شش درجه آزادی بالا، این دستگاه از حرکت در محور heave استفاده می کند.

نقطه جذب یکی از رایج ترین انواع طراحی در صنعت امروز است.

۲. ستوننوسانگرآب:(Oscillating Water Column (OWC:

در این دستگاه برای اولین بار از یک محفظه هوا در بالای سطح آب استفاده می کند.

هنگامی که یک موج در سراسر دستگاه عبور می کند، سطح آب به طور طبیعی بالا و پایین خواهد شد.

در بالای این محفظه یک توربین و یک کانال برای ورود و خروج هوا تعبیه شده است.

وقتی سطح آب پایین آمد فشار در محفظه نسبت به به بیرون کمتر شدهدر نتیجه یک فضای خلا ایجاد می شود و هوا از بیرون محفظه دستگاه به

سمت داخل می آید.

و همین طور بالعکس مورد بالا که با بالا آمدن سطح آب هوای اضافی به اجبار از توربین باید خارج می شود.

این ورود و خروج آب باعث به حرکت در آمدن توربین و تولید توان مصرفی می شود.

در تصویر زیر یک دستگاه تبدیل OWC با توان یک مگاوات در دست ساخت است.

۳.تضعیف کننده ها(Attenuators):

Attenuators ها مبدل های انرژی موج هستند که به صورت موازی با جهت حرکت موج حرکت می کنند.

آنها معمولا به صورت قطعه های کوچک طراحی و ساخته و بعد مونتاژ می شوند که معمولا دو قطعه بلند هستندکه به هم متصل می شوند.

تضعیف کننده ها به انعطاف پذیری مفاصل برای تولید قدرت متکی هستند.

با توجه به نمودار شش درجه آزادی، این دستگاه ها سعی می کنند از جندین جهت مختلف استفاده کنند؛به عنوان مثال:surge,sway و heave.

محبوب ترین نمونه از این نوع تضعیف کننده ها WEC Pelamis است که توسط Pelamis Wave Power ساخته شده است.

پلامیس یک مفصل است که از بخشهای استوانه ای متصل به مفاصل لولایی تشکیل شده است.

۴.مبدل موج‌شکن نوسانگر(Oscillating Wave Surge Converters (OWSC:

OWSC ها از حرکت امواج اقیانوس استفاده می کنند.

به این صورت که از یک بازو یا فلاپ طراحی و ساخته شده اند و حرکت موج باعث تحریک این لازو و حرکت آن می شود.

فلاپ هم که به یک ژنراتور متصل است مانند یک بازوی اهرم بزرگ عمل کرده و ژنراتور را می چرخاند که همین حرکت باعث تبدیل انرژی موج به الکتریسیته می شود.

این دستگاه ها معمولا در آبهای کم عمق دریایی قرار دارند.

BioWave که یکی از مدل دستگاه های OWSC می باشدکه مزایای متعددی نسبت به دیگر مبدل های انرژی موج می باشد که چند مورد را در زیر بررسی می کنیم که برگرفته از سایت BPS می باشد.

۱.برای سهولت نصب و نگهداری کم هزینه طراحی شده است.

۲.انرژی بیشتری نسبت به سیستم های دیگر جذب می کند و تولید برق را در هر دو جهت جلو و عقب انجام می دهد.

۳.حالت اتوماتیک “خاموش کردن” طراحی شده برای محافظت از تجهیزات در حوادث شدید موج و طوفان.

۵.اختلاف فشار زیر آب(Submerged Pressure Differential):

این نوع مبدل انرژی موج در دو مدل تعریف می شود.

یک مدل که در نزدیکی ساحل وکف دریا قرار داده می شود و متکی به نوسانات فشار  است.

مدل دیگر مانند جذب نقطه ای (Overtopping) است اما غوطه ور در آب.

که شناور با حرکت موج به عقب و جلو رفته و یک ژنراتور خطی را برای تبدیل انرژی به حرکت در می آورد.

مدل دیگر مانند جذب نقطه ای (Overtopping) است اما غوطه ور در آب که در تصویر زیر مشاهده می کنید.

این نوع،شناور، با عبور از امواج حرکت می کند و این حرکت مجدد با استفاده از ژنراتور خطی به انرژی تبدیل می شود.

۶.مبدل انرژی دوار(Rotating Mass):

مبدل های انرژی دوار معمولا در روی آب شناور هستند و از وزن داخلی خود برای چرخش به دور یک محور ثابت استفادی می کنند.

حرکت موج باعث چرخیدن وزنه ی داخلی شده و از آنجا که امواج دایم هستند این چرخش ادامه داشته و تبدیل انرژی انجام می شود.

۷.مبدل نیروگاه موج(Overtopping or Terminator Devices):

این مدل مبدل ها  گاهی اوقات به عنوان پایدار کننده ها نام برده میشوند که از انرژی بالقوه ای که در موج وجود دارد برای تولید انرژی استفاده می کنند.

این دستگاه ها همان حرکت موجی که در ساحل شما میبینید را دوباره شبیه سازی می کنند.

پروژه اژدهای موج (Wave Dragon) نمونه‌ای از طرح مفهومی نیروگاه هیدرولیک سرریز است.

در این سیستم امواج با دو مانع شیب‌دار (بصورت V شکل) به سمت مرکز متمرکز می‌کند، در نتیجه امواج تقویت می‌شوند. از آنجا آب سرریز شده و توربین (توربین کم‌فشار) را به حرکت درمی‌آورد.

پس از آن، آب به‌طور موقت در یک مخزن ذخیره می‌شود و دوباره به دریا بر می‌گردد.

کل سیستم به عنوان یک نیروگاه دریایی شناور طراحی شده و به ساحل متصل نیست. نمونه اولیه در سال‌های ۲۰۰۳ تا ۲۰۰۷ در یک آبدره در شمال دانمارک آزمایش شد.

این نوع مبدل ها معمولا در بزدیکی سواحل بیشتر یافت می شوند.

این دستگاه ها برای اینکه بیشترین کارایی را داشته باشند باید ارتفاع سطح خود را با ارتفاع موج های در حال وقوع تنظیم کنند که این کار از طریق یک سیستم هوای تحت قشار استفاده می کنند.

حرف پایانی:

آیا استفاده از انرژی موج در ایران مرده است؟ خب جواب این سوال خیر است زیرا هنوز پیشرفته ترین کشور ها به تکنولوژی های به صرفه و با بازده بالایی نرسیده اند و هوز کامل فراگیر نشده است. این صنعت به دلیل بالا بودن هزینه ی دستگاه ها و تجهیزات خیلی مورد توجه قرار نگرفته است اما کاملا واضخ است که چشم انداز بسیار روشنی دارد.