جزوه انرژی جزر و مد، امواج دریا و انرژی بادی

مقدمه:

انرژی دریایی یا اقیانوسی ، یکی از انواع انرژی های 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 می توان مهمترین زیر مجموعه های انرژی های دریایی به شمار آورد . به دلیل تفاوت های موجود در ویژگی ها و روش های فنی جذب آنها ، توسعه این دو منبع راه متفاوت و مستقلی را طی کرده است .

انرژی جزر و مد

انرژی دریایی یا اقیانوسی، یکی از انواع انرژی های 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 می توان مهمترین زیر مجموعه های انرژی های دریایی به شمار آورد. به دلیل تفاوت های موجود در ویژگی ها و روشهای فنی جذب آنها، توسعه این دو منبع راه متفاوت و مستقلی را طی کرده است .

نیروگاه های جزر و مدی به دلیل مشابهت با نیروگاه های آبی و استفاده از فناوری آماده آنها ، به پیشرفت های سریعی نایل آمده است اما بروز مشکلات زیست محیطی باعث شده است که تحول و ایجاد تغییرات اساسی در روش کار ایجاد گردد. توسعه آنها به روش قبل به رغم پیشرفت های ذکر شده، در عمل محدود شده است.

نیروگاه های موجی از تنوع زیادی برخوردار هستند. برخی بر روی آب شناورند و برخی دیگر در ساحل نصب می شوند. همچنین نحوه درگیری آنها با امواج و در نتیجه نوع حرکتی که جذب می کنند با هم تفاوت بسیار دارد. علاوه بر کارهای مطالعاتی، نمونه های کوچکی نیز از برخی سیستم های موجی در نقاط مختلف جهان ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفته است.

امواج در اثر انتقال انرژی از باد به دریا به وجود می آیند. نرخ این انتقال انرژی بستگی به سرعت باد و نیز به مسافتی دارد که در طول آن باد با سطح آب در فعل و انفعال بوده است. موج ها به خاطر جرم آبی که نسبت به سطح متوسط دریا جا به جا شده انرژی پتانسیل و به خاطر سرعت ذرات آب، انرژی جنبشی را 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. موج های بزرگ در آب های عمیق انرژی خود را با کندی بسیار از دست می دهند، در نتیجه سیستم های امواج بسیار پیچیده هستند و اغلب هم از بادهای محلی و هم از طوفان هایی که روزها قبل در دور دست اتفاق افتاده اند سرچشمه می گیرند.

امواج توسط ارتفاع، طول موج و دوره تناوبشان مشخص می شوند. قدرت امواج معمولاً بر حسب کیلووات بر متر بیان می شود که نمایانگر شدت انتقال یا عبور انرژی از یک خط فرضی به طول یک متر و موازی با جبهه موج است. امروزه فناوری تولید انرژی از موج اقیانوس ها وجود دارد، به طوری که بیش از ۴۰۰ اختراع در این زمینه به ثبت رسیده.

استحصال انرژی از جزر و مد در نقاطی عملی است که انرژی زیادی به صورت جزر و مدهای بزرگ در آنها متمرکز شده باشد و به علاوه جغرافیای محل نیز برای احداث نیرگاه جزر و مدی سایت مناسبی فراهم کرده باشد. چنین مکان هایی در همه جا یافت نمی شوند. اما تا به حال تعداد نسبتاً زیادی شناسایی شده اند. در حال حاضر تعداد کمی نیروگاه جزر و مدی در جهان احداث شده است.

نخستین و بزرگ ترین آنها که از نوع تک حوضچه ای و دو اثری بوده، با ظرفیت ۲۴۰ مگاوات در لارانس فرانسه تاسیس شده است که جنبه تجاری دارد. به غیر از آن، نیروگاه ۲۰ مگاواتی آناپولیس در کانادا، نیروگاه آزمایشی ۴۰۰ کیلوواتی کیسلایاگوبا در شوروی سابق و نیروگاه ۲/۳ مگاواتی جیانگزیا در چین را می توان نام برد. همچنین چند ایستگاه کوچک چند منظوره در چین احداث شده است.

علاوه بر انرژی جزر و مد و امواج، انرژی حرارتی اقیانوس ها یا دریاها که از اختلاف دمای آب های سطحی و آب های عمق ۱۰۰۰ متری دریاهای بزرگ استفاده کرده و یک سیکل کم راندمان و دما پایین ترمودینامیکی را بین این دو منبع حرارتی سرد و گرم برقرار می کند نیز مورد توجه و بهره برداری آزمایشی قرار گرفته است.

همانطور که بیان گردید، پدیده ی کِشَند یا جزر و مد اساساً زاییده نیروی گرا نش کره ماه است، آشکار است که دریاها در سنجش با خشکی های زمین نرمش پذیری بیشتری دارند و از این روی در برابر نیروی کشش ماه کمتر ایستادگی می کنند؛ به همین سبب توده های آب در زیر پای ماه انباشته می گردند و پدیده ای را به نام «برکشند» یا مد ایجاد می کنند.

شکل 6 4- ماه عامل جزر و مد

هم زمان با «برکشند» رو به ماه، «برکشند» دیگری در آن سوی کره زمین ایجاد می گردد بدین سان که آبهای آن سوی کره زمین که از ماه بد ورند، کمتر متاثر گردیده و به اصطلاح عقب می مانند و آب- توده کلانی را ایجاد می کنند، بنابراین روزانه هر نقطه از سطح دریا دوبار دستخوش برکشند و دو بار هم دستخوش «فروکشند» (جزر) می گردد. بنابراین، به طور میانگین بازه زمانی میان دو برکشند و فروکشند پیاپی ۱۲ ساعت و ۵/۲۵ دقیقه است، درست نیمه زمانی که طول می کشد، تا ماه ظاهراً یک دور کامل گرد زمین بپیماید یعنی ۲۴ ساعت و ۵۱ دقیقه. کشند همراه با حرکت ظاهری ماه از افق شرقی ناظر، به سمت افق غربی ا و پیش می روند. اثر گرانش خورشید در کشند نسبت به ماه در رده دوم اهمیت برخوردار است، زیرا بازه آن بیشتر (فاصله خورشید از زمین یکصد و پنجاه میلیون کیلومتر) است، از این رو نسبت نیروی کشند زای خورشید تنها ۷ درصد نیروی ماه است. هنگامی که نیروهای کشندزای ماه و خورشید هماهنگ عمل می کنند، مثلاً هنگام ماه نو که هر د و در یک طرف زمین هستند، جزر و مدها در بیشینه خود هستند و به نام کشند فنری یا «مه کشند» (spring tide) نامیده می شود، حد دیگر وقتی است که خورشید و ماه با هم زاویه ۹۰ درجه (تربیع) می سازند در این هنگام جزر و مد را به کمینه و به کشندهای کوچک یا «که کشند» (neap tide) بدل می سازند.

نزدیکی ماه نیز تاثیری در بلندی کشند دارد، هنگامی که ماه در فرودینه (حضیض) زمینی قرار دارد نیروی کشندزای آن به اندازه ۲۰% بیش از حد عادی است. گرانش ماه سبب می شود افزون بر آما سیدن آبهای کره زمین، خشکی ها نیز دستخوش تورم گردند که در سنجش با آماس آبها نامحسوس است.

شکل 6 3-(الف) خلیج فاندی به هنگام مد، (ب) خلیج فاندی به هنگام جزر

انرژی امواج دریا

امواج در اقیانوس باز بر اثر عمل باد روی سطح اقیانوس تولید می شوند. کل انرژی موج توزیع شده در زمین در حدود انرژی کلی توزیعی جزر و مد است. انرژی موج منبع تجدید شونده است (انرژی برگشت پذیر) و معمولا نسبت به انرژی باد بیشتر قابل تولید است. انرژیی که از امواج استخراج می شود، دوباره به سرعت توسط برهم کنش با دو سطح اقیانوس پر می شود. موج در اثر وزش باد روی سطح اقیانوس بوجود می آید. در امواج اقیانوس انرژی خارق العاده ای وجود دارد. مجموع نیروی امواجی که خطوط ساحلی دنیا را در می نوردند، 2 تا 3 میلیون مگاوات تخمین زده می شود. سواحل غربی ایالات متحده و اروپا و سواحل ژاپن و نیوزلند محل های مناسبی برای مهار انرژی امواج اقیانوس هستند. هیچ دستگاه انرژی موجی تجاری بزرگی وجود ندارد، اما انواع کوچک آن موجود می باشند، مکانهای ساحلی کوچک بهترین وضعیت را آینده نزدیک برای تولید انرژی موجی کافی برای جوامع محلی دارند. تنها منبع تولید انرژی پاک که قابل پیش بینی است، منبع تولید برق از امواج و جزرو مد “ کشند” است که می توان زمان وقوع جزر و مد را به درستی محاسبه و بر روی نمودارها ترسیم کرد. تولید برق از امواج امروز با تجهیزات پیشرفته تری نسبت به گذشته صورت می گیرد؛ توربین های اخذ انرژی از جزر و مد به توربین های بادی شبا هت دارند اما برخلاف توربین های بادی قابل رویت نیستند. این توربین ها در کف اقیانوس و نقاطی که جزر و مد شدت بیشتری دارند نصب شده و طوری طراحی شده که انرژی امواج و جزر و مد را مهار کرده و برق تولید می کنند.

طبقه بندی امواج دریا

1. امواج ناشی از باد (Wind Waves): شکل سطح دریا با وجود این امواج به صورت نامنظم است و امواج با قله ها و طول موج های مختلف ظاهر می شوند. در حالات مختلف دریا شکل این امواج را به صورت مجموعه توابع سینوسی و کسینوسی نوشته و عملیات میانگین گیری را در مورد آنها مطرح می سازیم. بهترین پارامتر قابل قبول در مورد این امواج ارتفاع موج است که به صورت میانگین ارتفاع از یک سوم مرتفع ترین امواج مشاهده شده در یک زمان ثابت اندازه گیری می شود. پریود این امواج بین 1 تا 30 ثانیه است. نیروی جاذبه عامل کنترل کننده این امواج است.
2. امواج مرده (Sivell Waves): امواجی هستند که در غیاب بادهای محلی مشاهده می شوند و یا اینکه در محل مشاهده این امواج عامل بوجود آورنده آنها وجود ندارد. پریود این امواج بین 5 تا 30 ثانیه می باشد. دامنه این امواج در مقایسه با طول موج آنها کوچک است (عمده ترین امواج در دریای عمان این امواج هستند که زیاد مشاهده می شوند).
3. امواج موئینه (Capilary Waves): امواج کوچک تلاطمی هستند که کاملاً با امواج کوچک ناشی از باد متفاوتند. نیروی بوجود آورنده آنها باد می باشد اما عامل کنترل کننده ی این امواج نیروی کشش سطحی آب است. پریود این امواج کمتر از 1/0 ثانیه است و در این امواج سرعت گروه بیشتر از سرعت موج است.
4. امواج سیچ (Seiches Waves): به خاطر گردش زمین حول محورش آب به طور طبیعی نوسان دارد و اگر فرکانس این نوسانات با فرکانس تغییرات جوی یکسان شود، این امواج ایجاد می شود. پریود این امواج بین 30 ثانیه تا 5 دقیقه می باشد.
5. امواج توفان (Storm Waves): باد وقتیکه روی سطح دریا می وزد، آبها را در ساحل جمع کرده و سطح تراز دریا افزایش می یابد و در مکانی دیگر سطح تراز آب دریا کاهش می یابد و همین امر سبب ایجاد این امواج می گردد. پریود این امواج 30 ثانیه تا 5 دقیقه می باشد.
6. امواج داخلی (Internal Waves): این امواج در داخل آب دریا در فصل مشترک دو محیط با چگالی های مختلف ایجاد می شود.
7. امواج جزر و مدی (Tidal Waves): عامل بوجود آورنده این امواج نیروی جاذبه ماه، خورشید و سایر سیارات می باشد و نیروی کنترل کننده این امواج نیروی جاذبه است.

نیروی برق آبی

نیروی برق آبی یا هیدروالکتریسیته اصطلاحی است که به انرژی الکتریکی تولیدی از نیروی آب اطلاق می شود. در حال حاضر هیدروالکتریسیته چیزی در حدود ۷۱۵۰۰۰ مگاوات یا ۱۹٪ (۱۶٪ در سال ۲۰۰۳) از کل انرژی الکتریکی تولیدی جهان را پوشش می دهد. نیروی برق آبی همچنین ۶۳٪ از انرژی الکتریکی تولیدی از منابع تجدیدپذیر را نیز شامل می شود. بیشتر نیروگاه های برق آبی انرژی مورد نیاز خود را از انرژی پتانسیل آب پشت یک سد تامین می کنند. در این حالت انرژی تولیدی از آب به حجم آب پشت سد و اختلاف ارتفاع بین منبع و محل خروج آب سد وابسته است. به این اختلاف ارتفاع، ارتفاع فشاری می گویند. در واقع میزان انرژی پتانسیل آب با ارتفاع فشاری آن متناسب است. برای افزایش فاصله یا ارتفاع فشاری، آب معمولاً برای رسیدن به توربین آبی فاصله زیادی را در یک لوله بزرگ (penstock) طی می کند.

فهرست مطالب

تولید انرژی الکتریکی 35
برشی از یک سد و یک نیروگاه آبی. 35
معادله 36
سد 36
36
مزایا 37
انتشار گازهای گلخانه ای 37
معایب 38
آسیب به محیط زیست 38
انتشار گازهای گلخانه ای 39
جابجایی جمعیت 39
شکست سد 39
مقایسه ای با دیگر روش های تولید انرژی الکتریکی 40
جز و مد 42
طغیان و فروکش جزر و مد 43
تاریخچه 44
تکنیک های استفاده از انرژی جزر ومد 46
تولید برق از طریق انرژی جزر ومد 46
ایجاد انرژی کشندی 47
روشهای تولید 47
ژنراتور جریان کشند 47
سد کشندی 47
نیروی کشندی دینامیک 48
انرژی باد 48
تاریخچه 48
انرژی بادی 50
مزایای انرژی بادی 51
ناکارآمدیهای انرژی بادی 51
توان پتانسیل توربین 51
توزیع سرعت باد 52
ضریب ظرفیت 52
محدودیت های ادواری و نفوذ 53
پیش بینی پذیری 54
جاگذاری توربین 54
بهره برداری از برق بادی 54
برق بادی در مقیاس های کوچک 56
انواع کاربردتوربین های بادی 56
کاربرد غیر نیروگاهی 56
کاربرد نیروگاهی 57
آثار زیست محیطی 58
تاثیرات بوم شناختی 59
استفاده از زمین 59
آثار بر روی حیات وحش 60
نیروگاه بادی در آسمان 60
بزرگترین توربین بادی جهان 60
انرژی بادی در ایران 61
عوامل مهم در انتخاب محل استقرار توربین های بادی 61
بخش بندی 63
شرایط راه اندازی و تولید 64
پره ها 64
پیچ کنترل 64
شرح برنامه ساخت 66
انرژی های بادی 66
تاریخچه استفاده از انرژی باد : 87
منشاء باد : 88
توزیع جهانی باد : 89
اندازه گیری پتانسیل انرژی باد 90
قدرت باد : 91
آینده انرژی باد در ایران : 92
پتانسیل سنجی سطحی انرژی باد 93
بادسنجها و انواع آنها 95
پتانسیل باد درایران: 96
نقشه ها و اطلس های موجود باد: 98
انواع کاربرد توربینهای بادی 101
انرژی باد و محیط زیست 104
توربین های بادی 108
مکانیزم پیدایش باد و انواع کاربردهای انرژی بادی 119
انواع توربینهای بادی 129
توربینهای محور افقی 130
توربینهای محور عمودی 131
اجزاء اصلی توربینهای بادی محور افقی 135
توربین بادی بدون پره 139
فواید و مضرات انرژی بادی 140
مکانیزم پیدایش باد و انواع کاربردهای انرژی بادی 144
کاربردهای توربین بادی 145
داخل توربین بادی به چه صورت می باشد؟ 147
آسیاب بادی 151
ظهور آسیاب بادی در اروپا 151
مقایسه نیروی باد و نیروی آب 151
سه نوع اصلی توربین بادی 152
توربین بادی با محور افقی 152
توربین های بادی امروزی 152
توربین بادی با محور عمودی 153
توربینهای بادی چگونه کار می کنند؟ 153
طراحی و ساخت توربین های بادی 153
اجزای مختلف یک توربین بادی مدرن با محور افقی 154
توربین عمودی 156
مزایا توربین های عمودی: 156
معایب توربین های عمودی: 156
توربین افقی 157
مزایای توربین افقی 157
توربین های بادی کوچک 158
بیشترین توان 158
بزرگ ترین مساحت جاروب شده 158
مزارع بادی و محیط زیست 159
مرکز تجارت جهانی بحرین 159
برج فانوس دریایی دبی 160
برج رودخانه پرل در چین 161
ساختار توربین های بادی 165
توربینهای بادی مدرن به دو شاخه اصلی می شوند 170
منابع 172