انرژی جزر و مد و امواج دریا



بسم الله الرحمن الرحیم

عنوان:

انرژی جزر و مد و امواج دریا

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 اقیانوسها وجود دارد، به طوری که بیش از ۴۰۰ اختراع در این زمینه به ثبت رسیده.

شکل ‏6-3-
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 حوضچهای 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، پدیدهی کِشَند یا جزر و مد اساساً زاییده نیروی گرانش 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 بدورند، 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 او 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 دو 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 آماسیدن آبهای کره زمین، خشکی ها نیز دستخوش تورم گردند که در سنجش با آماس آبها نامحسوس است.

(الف)
(ب)
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 برهمکنش 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 محلهای 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 شباهت 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 قلهها 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 کنندهی 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.
۶- 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 برقآبی 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.

شکل ‏6-4- برشی از یک سد و یک نیروگاه آبی
نیروگاه آب تلمبه ای، نوعی دیگر از نیروگاه آبی است. وظیفه یک نیروگاه آب تلمبه ای پشتیبانی شبکه الکتریکی در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) است. این نیروگاه تنها آب را در ساعات مختلف بین دو سطح جابجا می کند. در ساعاتی که تقاضای برای انرژی الکتریکی پایین است با پمپ کردن آب به یک منبع مرتفع انرژی الکتریکی را به انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل می کند. در زمان اوج مصرف آب دوباره از مخزن به سمت پایین جاری می شود و با چرخاندن توربین آبی موجب تولید برق و رفع نیاز شبکه می گردد. این نیروگاه ها با ایجاد تعادل در ساعات مختلف موجب بهبود ضریب بار شبکه و کاهش هزینه های تولید انرژی الکتریکی می شوند. از دیگر انواع نیروگاه های آبی می توان به نیروگاه های جزر و مدی اشاره کرد. همانطور که از نام این نیروگاه های مشخص است این نیروگاه ها نیروی مورد نیاز خود را از اختلاف ارتفاع آب در بین شبانه روز تامین می کنند. منابع در این دسته از نیروگاه ها نسبت به بقیه کاملاً قابل پیش بینی هستند. این نیروگاه ها همچنین می توانند در مواقع اوج مصرف به عنوان پشتیبان شبکه عمل کنند.
برخی نیروگاه های آبی که تعداد آنها زیاد هم نیست از انرژی جنبشی آب جاری استفاده می کنند. در این دسته از نیروگاه ها نیازی به احداث سد نیست توربین این نیروگاه ها شبیه یک چرخ آبی عمل می کند. این نوع استفاده از انرژی شاخه نسبتاً جدیدی از علم جنبش مایعات است. میزان تولید انرژی الکتریکی در یک نیروگاه آبی به شدت به میزان آب موجود وابسته است و در فصول مختلف میزان تولید می تواند به نسبت ۱۰ به ۱ متفاوت باشد. بیشترین مزیت استفاده از نیروگاه ها آبی عدم نیاز به استفاده از سوخت ها و در نتیجه حذف هزینه های مربوط به نیروی برق آبی با ایجاد انرژی الکتریکی بدون

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 ضروری شود. 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 جابه 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 توفان 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 است که از آنها به سه روش اصلی استفاده از کانالی به شکل مخروط ناقص ، استفاده از حرکت عمومی امواج اقیانوس توسط مکانیزم های گوناگون و استفاده از یک ستون نوسانی آب می توان اشاره کرد.
جزر و مد دریا در اثر جاذبه ماه و خورشید به هنگام گردش زمین به وجود می آید. نیروی جاذبه ماه باعث ایجاد برآمدگی در آب ها شده و به علت گردش وضعی زمین این برآمدگی به سمت غرب جریان پیدا می کند ، در نتیجه موج هایی با دوره ۱۲ ساعت و ۲۵ دقیقه ایجاد می شود که دامنه نوسان آنها در اقیانوس های برگ در حدود ۵/۰ متر است. اثر نیروی جاذبه خورشید نیز مشابه ولی ضغیف تر است و هر ۱۲ ساعت یک مرتبه ظاهر می شود. به این ترتیب جزر و مد به صورت منظم در قالب امواج در قالب امواج قمری رخ می دهد. بیشترین دامنه جزر و مد زمانی به وجود می آید که ماه و خورشید در یک راستا قرار گرفته باشند (اقران) و برعکس هنگامی که آنها در بربیع باشند این دامنه حداقل است. هنگامی که امواج جزر و مدی به سواحل و فلات قاره می رسند، دامنه آنها می تواند در اثر هجوم آب، قیفی شدن آبراه و ایجاد رزنانس به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد. مثلاً دامنه جزر و مد در نقاط مناسبی از کانادا به بیش از ۱۰ متر می رسد. به رغم پیچیدگی خاصی که در مورد جزر و مد وجود دارد پیش بینی و محاسبه دقیق آن در هر محل ممکن است. 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 ماواتی 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.
انرژی موج دریا
هر وقت به کنار دریا می روید چه چیز نظر شما را جلب می کند؟ آیا دریای بی موج و تلاطم دیده اید؟ موج دریا چه نوع انرژی دارد؟ آیا می توان از این انرژی بهره جست؟

این بخش شامل اطلاعات خوب و مفیدی در مورد انرژی موج دریا می‏ باشد.
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 کشورهایی که مرز آبی گسترده دارند به این فکر افتادند که از انرژی موج دریا برای تولید انرژی استفاده نمایند.
برخی نیروگاه های آبی به صورت شناور روی آب هستند، برخی نیز در کنار ساحل انرژی آب را به برق تبدیل می کنند.

استفاده از انرژی موج
باد باعث به وجود آمدن موج می‏ گردد. توان انرژی موج در طول ١ کیلومتر ساحل حدود ٨٠ کیلووات می‏ باشد. مولدهای برق در طول ساحل می ‏توانند این انرژی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. بازده چنین ژنراتورهایی حدود ٥٠% است، بنابراین یک نیروگاه موجی به طول ٢٥ کیلومتر، توانایی تولید ١٠٠٠ MW برق دارد.
چنین نیروگاه هایی به صورت شناور ساخته می‏شوند تا بتوانند به راحتی با موج بالا و پایین بروند. این مولدها با هر بار نوسان می‏ توانند مقداری انرژی الکتریکی تولید نمایند.

آیا بر اساس شکل زیر می توانید طرز کار مولد موجی را توضیح دهید؟

مزایا:
انرژی موج دریا از نوع تجدیدپذیر می ‏باشد. چنین منابعی نیازی به میلیون ها سال زمان برای به وجود آمدن ندارند و بی‏پایان می ‏باشند. تولید انرژی به این روش آلودگی در بر ندارد. این نیروگاه ها در طول زمستان می‏توانند بیشترین میزان انرژی را تولید کنند و خوشبختانه در چنین زمان هایی به انرژی بیشتری نیازمند هستیم.

مولدهای کوچک موجی می ‏توانند در نواحی دور دست که انتقال برق مقرون به صرفه نیست به کار روند.
مضرات:
توان تولید شده در نیروگاه های 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 می شوند برای قایق‏ها و کشتی ها 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 نیروگاه ها باید طوری ساخته شوند که در شرایط بد و طوفانی صدمه نبیند.
1. انرژی امواج
تاکنون تلاش های بشر برای دستیابی به انرژی های تجدید پذیر، حول محور توربین های بادی و صفحات خورشیدی متمرکز شده است. اما چرا قدرت عظیم نهفته در امواج دریا مورد بی اعتنایی و کم توجهی دانشمندان قرار گرفته است؟
تحقیقات نظری در این باره حکایت از آن دارد که با فعال سازی بخش ناچیزی از قدرت نهفته در اقیانوس ها و دریاها، می توان تمام نیاز جهان به انرژی الکتریسیته را تامین کرد. با این همه، پیاده کردن ایده تولید انرژی از امواج دریا با پیچیدگی ها و دشواری های زیادی در عرصه عمل همراه خواهد بود.
WaveRoller: صفحه ای است که به کف دریا توسط قسمت نازک ترش متصل می شود و با حرکت امواج، لولای نصب شده در پایین صفحه باعث عقب و جلو رفتن آن می شود. انرژی مکانیکی صفحه به پمپ پیستونی که به آن متصل منتقل می شود. و از طریق ژنراتو و یا توربین/ژنراتور الکتریسیته تولید می کند.

یک نمونه در اسکاتلند در سال 2005 مورد استفاده قرار گرفت و برای هر صفحه آن 13 کیلو وات تخمین زده شد. و هزینه تولید آن 2100 یورو برای هر کیلوات، تصویر ان در پایین نمایش داده شده است

Pelamis:یک ساختار مفصلی نیمه غوطه ور است که توسط لولا به هم متصل شده اند و حرکت این مفصل ها باعث پمپ کردن روغن فشار بالا در مفصل ها می شود. موتور یک ژنراتور را برای تولید الکتریسیته به حرکت در می آورد.
از یک نمونه آزمایشگاهی با طول 120 متر و قطر 3.5 متر که سه بخش تبدیل توان داشت 750 کیلووات توان(هر بخش 250کیلو وات) گرفته شد.
Salter Duck: یک روش دیگر برای تولید انرژی استفاده از این ابزار شناور است. که از طریق حرکت هماهنگ بخش شناور ابزار (بر خلاف سیستم های ثابت که از یک توربین که توسط حرکت امواج انرژی میگیرد، استفاده می کنند) الکتریسیته تولید می کند.
در این شیوه با حرکت موج ابزار بالا می رود و به پایین می افتد و از طریق این حرکت الکتریسیته تولید می شود. با چرخش Duck سیال هیدرولیکی پمپ می شود و یک موتور هیدرولیکی را به حرکت در میاره که در چرخش خود باعث حرکت ژنراتور الکتریسیته می شود.
Wave Dragon:در این شیوه امواج اقیانوس به مخزنی بالاتر از سطح دریا بالا برده می شود و آب خروجی از تعدادی توربین می گذرد و الکتریسیته تولید می شود.این ساختار بسیار ساده است و تنها بخش متحرک آن توربین است.عملکرد آن در داخل دریا و تحت نیروهای زیاد و رسوب مناسب است.

Archimedes Wave Swing : این سیستم شامل دو استوانه است. یکی در بستر دریا ثابت شده است و دیگری بر روی امواج بالا و پایین می رود. حرکت شناور متعادل می شود و الکتریسیته تولید می شود.
ورودی AWS توسط هوا پر می شود و هنگامی که پایین می رود تحت فشار قرار می گیرد و در نتیجه نیروی متقابلی شکل میگیرد که باعث می شود سیلندر بالا رود

PowerBuoy: در این سیستم انرژی امواج به یک انرژی مکانیکی کنترل شده که یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می آورد تبدیل می شود.
توان AC تولیدی به توان DC ولتاژ بالا تبدیل می شود و توسط کابل هایی به ساحل منتقل می شود. این سیستم سنسورهایی دارد که عملکرد و محیط اطراف اقیانوس را نمایش می دهد.

نیروهای گرانشی مابین ماه و خورشید و زمین سبب بالا و پایین رفتن منظم آب اقیانوس ها در سراسر جهان گردیده که نتیجه آن امواج جزر و مدی می باشد. ماه نیرویی بیش از دو برابر نیرویی که خورشید بر امواج جزر و مد ﺗﺄثیر می گذارد اعمال می کند. در نتیجه جزر و مد به وضوح تابعی است از گردش ماه به دور زمین . 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 سانتی متر آشفتگی در مرکز موج بالغ بر صدها کیلومتر آشفتگی می شود بسیار کم است. 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 دیوار ساحلی سرازیر نمایید

برای نمونه جزرومد در دهانه رودخانه فاندی در کانادا با دامنه ای در حدود ۱۶و ۱۷ متر از کرانه دریا در دنیا از سایر 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
اولین پارک انرژی دریایی انگلیس و حصول 27 گیگاوات انرژی امواج تا 2050
وزیر تغییرات آب و هوایی انگلیس، آقای گریگ بیکر چند روز پیش اعلام کرد که ایالت جنوب غربی انگلستان به زودی میزبان اولین پارک انرژی این کشور خواهد بود و هنگامی که این پارک کامل شود، گستره عظیمی از بریستول تا جزایر سیلی را در بر خواهد گرفت. این مزرعه انرژی قابلیت آن را دارد که تا سال ۲۰۵۰ بیش از ۲۷ گیگاوات برق از انرژی امواج و جریانات دریایی تولید کند، یعنی مقداری بیش از تولیدات ۸ نیروگاه با سوخت ذغال سنگ.
این پروژه قرار است با منابع عمومی و سرمایه گذاری خصوصی راه اندازی شود و بخش بسیار بزرگی از تجهیزات تحقیق و توسعه جهانی درباره انرژی امواج در خط ساحلی این ایالت قرار خواهند گرفت. آقای وزیر در کنفرانس خبری در خصوص این پروژه گفت: "انرژی دریایی یک پتانسیل عظیم در انگلستان است که نه تنها باعث تولید الکتریسیته پاک تر و سبزتر با هزینه های کمتر خواهد شد، بلکه هزاران شغل در این صنعت ۱۵ میلیارد یورویی تا سال ۲۰۵۰ ایجاد شده و به کمک اقتصاد انگلیس خواهند آمد. این پارک قرار است که از تکنولوژی ابداعی ویژه ای برای مهار انرژی امواج و جریانات اقیانوسی بهره برده و آن را در خدمت تولید الکتریسیته انگلستان در آورد،"انگلیس همچنین قصد دارد این منطقه را به بزرگترین مرکز تحقیقات تکنولوژی دریایی تبدیل کند. تا با استفاده از نتایج فعالیت های دانشگاهی و تحقیقاتی در این زمینه و ابداعات جدید در تکنولوژی مهار امواج دریا، حداکثر کارایی و تولید را در مزرعه انرژی دریایی خود داشته باشد. البته در سوی دیگر ماجرا گروه های حامی محیط زیست هستند که عقیده دارند این پارک انرژی می تواند خطر بالقوه مهیبی برای زندگی دریایی منطقه باشد. زیرا توربین های دریایی و بخش های متحرک آنها می توانند آسیب های خطرناکی را به موجودات زنده دریا وارد کنند. دولت انگلیس هم تا کنون در خصوص طرح خود برای کاهش این خطرات و آسیب ها صحبتی نکرده است.
به هرحال هیچگاه دخالت انسان در طبیعت بدون تخریب و آسیب به بخشی از آن نبوده است، حتی اگر قصدش تولید پاک ترین و کم آسیب ترین انرژی ها باشد. به نظر شما انرژی امواج دریا تا چه میزان می تواند کارایی داشته باشد و پاک ترین نوع انرژی برای بشر امروز و فردا کدام است؟

انرژی آب
نیروهای گرانشی مابین ماه و خورشید و زمین سبب بالا و پایین رفتن منظم آب اقیانوس ها در سراسر جهان گردیده که نتیجه آن امواج جزر و مدی می باشد. ماه نیرویی بیش از دو برابر نیرویی که خورشید بر امواج جزر و مد وارد می نماید اعمال می کند در نتیجه جزر و مد به وضوح تابعی است از گردش ماه به دور زمین ایجاد موج در روز و سیکل جزر در سطح هر جزئی از اقیانوس وجود دارد با وجود کم بودن دامنه ارتفاع موج جزر و مد در اقیانوس های آزاد به علت آشفتگی بالا دارای جابه جایی نسبتاً قابل توجهی می باشند.
پیش از در دسترس بودن توان الکتریکی تجاری انرژی آبی بیشتر برای آبیاری و بکار انداختن دستگاه های مختلف مانند آسیاب ها دستگاه های پارچه دستگاه های اره کشی گنتری کرین های اسکله وآسانسورهای خانگی مورد استفاده قرار می گرفت. دیگر کاربری این انرژی در دستگاه ترومپ برای فشرده کردن هوا با استفاده از ریختن آب است، که با این کار می شود انرژی آب را به مسافت های دورتر برای استفاده در دستگاه های دیگر انتقال داد.
در گذشته برای خرد کردن گندم و ذرت در آسیاب ها از آب جاری برای چرخاندن چرخهای چوبی آسیاب استفاده می کردند این نوع آسیاب را آسیاب آبی یا آسیاب غلات می گفتند. در سال ۱۰۸۶ کتاب چند جلدی Domesday نوشته شد در این کتاب فهرست کلیه املاک خانه ها فروشگاهها و سایر موارد در انگلستان ارائه شده است. در این کتاب فهرست ۵۶۲۴ آسیاب آبی واقع در جنوب رودخانه ترنت (Trent) در انگلستان درج شده است. به عبارت دیگر به ازای هر ۴۰۰ نفر یک آسیاب وجود داشت.
گردش چرخ های آسیاب آبی یا از طریق آب های ریزشی (ریزش آب از بالا برروی چرخ) و یا آبهای جاری (رودخانه) صورت می گیرد. امروزه از آب جاری نیز می توان برای تولید برق استفاده نمود. هیدرو به معنی آب است. بدین ترتیب هیدروالکتریک یعنی تولید برق از طریق انرژی آب
استفاده از انرژی جنبشی آب جاری جهت تولید برق را نیروی هیدروالکتریک گویند. با ایجاد سد می توان جریان رودخانه را متوقف نمود. با ایجاد سد مخزنی از آب تشکیل می شود. اما سدهای احداثی بر روی رودخانه های بزرگتر باعث تشکیل مخزن نمی شود. جهت تولید برق در یک نیروگاه هیدروالکتریکی آب رودخانه به داخل آن هدایت می شود.
نیروگاه های آبی بزرگترین تولید کنندگان برقنیروگاه برق آبی میکرو در ایالات متحده هستند این نیروگاه ها ۱۰ درصد از کل برق مصرفی این کشور را تامین می کنند. ساخت نیروگاه های از این نوع در ایالت های که دارای کوهستان های مرتفع و رودخانه های زیادی هستند می تواند منجر به افزایش تولید برق شود. به عنوان مثال در حدود ۱۵ درصد از کل برق تولیدی ایالت کالیفرنیا از نیروگاههای هیدروالکتریک تامین می شود. اما بیشترین تولید برق آبی مربوط به ایالت واشنگتن است. ۳ سد از ۶ سد اصلی که بر روی رودخانه کلمبیا احداث شده اند عبارتند از گراند کولی (Grand coulee) چیف جوزف (Chief joseph) و جان دی (John Day) حدود ۸۷ درصد از کل برق تولیدی ایالت واشنگتن از نیروگاه های هیدروالکتریک تامین می شود. مقداری از برق تولیدی این نیروگاه ها به ایالت های دیگر نیز ارسال می شود.
تاریخچه
انسانها سال ها پیش از میلاد مسیح نیز از جزر و مد و جریانات موج آب بهره می گرفتند. برای مثال از نوسانات دوره ای موج به خوبی آگاه بودند و می دانستند چه زمانی و کجا با جریانات آبی قوی مواجه خواهند شد. تﺃسیسات و بناهای کوچک هیدرودینامیکی متعددی نظیر سیستم های 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 دوران اخیر نیز استفاده می شدند. 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 ۱۵۸۰ میلادی بر روی پل لندن تعبیه شده بود و بمدت ۲۵۰ سال آب سالم برای شهر فراهم می نمود. لیکن با پیشرفت صنعتی بشر و جامعه، 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. در این راستا مطالعات جدی به منظور طراحی نیروگاه های موجی در مقیاس صنعتی برای استفاده و بهره گیری از انرژی موج در قرن بیستم با رشد سریع دانش الکتریک در صنعت آغاز گردید.
مکانیزم
این نیروگاه ها از انرژی نهفته شده در جزر و مد استفاده می کنند این انرژی عبارت است از انرژی پتانسیل (انرژی نهان یا ساکن) حاصل از جابجایی عمودی توده آب ساکن و یا انرژی جنبشی وابسته به شدت جریان (انرژی جریان جزر و مدی) که به هر دلیل پدیده جزر و مد که خود ناشی از نیروهای گرانشی (جاذبه) ماه و خورشید می باشند، بوجود می آید. در بعضی از انواع این نیروگاه ها از جریان آب هم در جزر و هم در مد استفاده می نمایند.
در این نیرگاه ها، آب از بالا وارد شده و باعث جدایی دو صفحه گشته و نیروی حاصل از آن فنر پیچشی را تحت فشار قرار می دهد و با فروکش کردن آب و خالی شدن محفظه و برگشتن فنر به حالت اولیه باعث چرخش توربین می شود. نیروگاه های 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؛ ولی در سیستم تک منظوره توربین فقط در زمان سیکل فروکش کار می کند.
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 توربین ها روشن می شوند و آب در دوره 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 تاثیر در محیط را دارد و از قضا در بعضی از انواع خود بازده بسیار بالایی هم دارد. اما این روش به لوازم پیچیده و توربین های دوجهته بازگردنده گران قیمت و تجهیزات الکتریکی نیاز دارد.
از سوی دیگر روش تک منظوره بسیار ساده تر است و به توربین های چندان گران قیمتی 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 نشینی ها در آبگیر می شود. سوای اینها هر دو روش در عمل به کار گرفته می شود. برای مثال نیروگاه های موجی لارانس و کیسلایا گوبا از نوع توربین های دو منظوره هستند درحالی که نیروگاه موجی آناپولیس از نوع تک منظوره است. یکی از پارامترهای اصولی و مرسوم نیروگاه های آبی توان خروجی آن می باشد.
مکانیزم تولید برق از امواج دریا انرژی موجی یک انرژی پاک پایان ناپذیر است. این ویژگی های برجسته انرژی موجی را در آینده ای نزدیک به منبعی مهم و در عین حال جهانی جهت تولید انرژی تبدیل خواهد نمود. 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. بلندترین امواج در جهان به ندرت بتواند با ارتفاع و هد آب که در نیروگاه های رایج بر رودخانه ها که بالغ بر ده ها و صدها متر می شود مقایسه شود. ارتفاع و هد کم نیروگاه های موجی مشکلات فنی نسبی را برای طراحان ایجاد می نماید. اساسی ترین مشکل پیشروی طراحان، کارایی پایین اغلب ژنراتور هیدرولیکی به کار گرفته شده روی سدها با چنین ارتفاع و هد آب کمی می باشد و در سوی دیگر ژنراتورهای طراحی شده برای این سیستم بسیار گران و پیچیده هستند.
مسائل اقتصادی 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 گیرد. هر چند که مشکلات و دشواری های 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 نیروگاه های ترکیبی موجی که شامل سدهای عظیم در اقیانوس های آزاد می باشد به دشواری می تواند از نظر صرفه اقتصادی با آن دسته از نیروگاه های سوخت فسیلی و حرارتی که در حال حاضر مولفه های اصلی تولید انرژی الکتریکی در جهان هستند و با ذغال سنگ و سوخت ارزان در دسترس و فراوان کار می کنند رقابت کند.
انرژی موج
انرژی موج (به انگلیسی: Wave power) در اقیانوس باز بر اثر عمل باد روی سطح اقیانوس تولید می شوند. کل انرژی موج توزیع شده در زمین در حدود 2.5×106 MW تخمین زده می شود که در حدود انرژی کلی توزیعی جزر و مد است. انرژی موج منبع تجدید شونده است (انرژی برگشت پذیر) و معمولاً نسبت به انرژی باد بیشتر قابل تولید است. انرژیی که از امواج استخراج می شود، دوباره به سرعت توسط برهمکنش با دو سطح اقیانوس پر می شود. 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.
روشهای استفاده از انرژی امواج
برای استفاده از انرژی امواج از سه طرح از انرژی آن بهره برداری می شود:
استفاده از استوانه های شناور
استوانه ها را طوری می سازند که بیشترین وزن آنها در ته باشد و در قسمت پائین یک دریچه دارند. وقتی امواج می آید فشار آب دریچه (۲) بسته می شود و هوای متوسط دریچه (۱) تخلیه می شود، دریچه (۳) نیز بسته است و هوا از طریق دریچه (۴) خارج شده و موجب چرخش پره ها می گردد. وقتی موج پایین می رود، یک حالت مکش ایجاد می شود؛ لذا دریچه (۱و۲) بسته شده دریچه (۳و۴) باز می شود و هوا ضمن ورود به استوانه موجب چرخش پره ها می گردد. چرخش پره ها باعث چرخش توربینها و ژنراتورها برای تولید الکتریسته استفاده می شود.
استفاده از بادامک های شناور
وقتی موج می آید بادامک ها را می چرخاند و این حرکت چرخشی را به ژنراتور وصل می کنند. در واقع تعداد زیادی از این بادامک ها را توسط میله ای بهم وصل می کنند و مجموعه را در نزدیکی ساحل روی امواج می گذارند، این سیستم ها برای امواج سنگین کاربرد دارد.
استفاده از جزایر طبلک
سیستم طبلکی چیزی شبیه تیوپ اتومبیل می باشد که دیواره های آن قابل ارتجاع می باشد. قسمت های داخلی تقسیم بندی، توربین جاگذاری کرده اند. این سیستم را بصورت شناور روی آب می اندازند و موج به آنها ضربه وارد می کند. این ضربه به بدنه تیوپ وارد می شود و موجب فرورفتگی آن می شود. فرورفتگی باعث فشرده شدن هوای داخل آن شده، در نتیجه هوای فشرده از یک محفظه وارد محفظه دیگر می شود و باعث چرخش توربینها می گردد.
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
دستگاه های مورد استفاده از نظر محل قرارگیری
1. دستگاه های ساحلی
2. دستگاه های نزدیک ساحل
3. دستگاه های 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
فناوری ستو (CETO)
این فناوری یکی از فناوری های مورد استفاده برای تبدیل انرژی امواج به الکتریسیته می باشد. در این فناوری دستگاه در زیر آب عمل می کند و در کف اقیانوس محکم شده است. در این سیستم چندین شناور به واحدهای پمپ مستقر در بستر دریا متصل شده اند. این شناورها با حرکت امواج، تکان می خورند و پمپ ها را به حرکت در می آورند. پمپ های مستقر در بستر دریا آب را تحت فشار قرار می دهند در نتیجه آب از طریق یک لوله زیر آبی به سمت ساحل برده می شود و توربین را به حرکت در می آورد که موجب تولید الکتریسیته می شود.
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  منابع بسیار گسترده  ریسک پائین  صدمه کمتر به زیستگاه های دریایی  قابلیت پیش بینی نسبتا دقیق باد جهت برنامه ریزی برای تزریق برق به شبکه  عدم مزاحمت برای عموم مردم از نظر سر و صدا و نازیبایی محیطی  قابلیت تبدیل انرژی به هیدروژن و انتقال راحت تر آن به ساحل
معایب استفاده از باد فرا ساحل  ایجاد محدودیت دید، محدودیت مانور شناور و …  هزینه اولیه بسیار زیاد  برگشت سرمایه گذاری طولانی  ناوبری و صیادی مشکل تر  وضعیت آب و هوایی سخت در فراساحل  هزینه تعمیر و نگهداری بالا  نصب توربین های بزرگتر برای اقتصادی شدن  هزینه های زیاد انتقال برق

مزایای انرژی امواج
انرژی امواج دریا از نوع تجدیدپذیر می باشد. چنین منابعی نیازی به میلیون ها سال زمان برای به وجود آمدن ندارند و بی پایان می باشند. تولید انرژی به این روش آلودگی در بر ندارد. این نیروگاه ها در طول زمستان می توانند بیشترین میزان انرژی را تولید کنند و خوشبختانه در چنین زمان هایی به انرژی بیشتری نیازمند هستیم. مولدهای کوچک موجی می توانند در نواحی دور دست که انتقال برق مقرون به صرفه نیست، به کار روند.
معایب انرژی امواج
توان تولید شده در نیروگا ه های موجی ثابت نبوده و بستگی به شرایط موج دریا دارد. هزینه ساخت ژنراتورهای موجی زیاد و ساخت آنها دشوار است. کابلی که به وسیله آن مولد های موجی به هم متصل می شوند برای قایق ها و کشتی ها مشکل آفرین می باشد. 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 نیروگاه ها باید طوری ساخته شوند که در شرایط بد و طوفانی صدمه نبیند
جستارهای وابسته
* انرژی جزر و مد
* توربین ولز
نیروی برق آبینیروی برق آبی (به انگلیسی: Hydroelectricity) یا هیدروالکتریسیته اصطلاحی است که به انرژی الکتریکی تولیدی از نیروی آب اطلاق می شود. در سال ۲۰۰۳ هیدروالکتریسیته چیزی در حدود ۷۱۵۰۰۰ مگاوات یا ۱۹٪ (۱۶٪ در سال ۲۰۰۳) از کل انرژی الکتریکی تولیدی جهان را پوشش می داده که این نسبت به سرعت در حال گسترش است. نیروی برق آبی همچنین ۶۳٪ از انرژی الکتریکی تولیدی از منابع تجدیدپذیر را نیز شامل می شود. درسال میلادی ۲۰۱۰ کل انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر ۳٫۴۲۷٬۰۰۰ مگاوات بوده است. پیش بینی می شود که تا سال ۲۰۲۵ میلادی سالیانه به طور متوسط ۳٫۱ درصد به تولید انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر افزوده شود.

تولید انرژی الکتریکی
بیشتر نیروگاه های برق-آبی انرژی مورد نیاز خود را از انرژی پتانسیل آب پشت یک سد تامین می کنند. در این حالت مفدار 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 و آن را با H (مخفف Head) نمایش می دهند. 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.

برشی از یک سد و یک نیروگاه آبی.
نیروگاه آب تلمبه ای، نوعی دیگر از نیروگاه آبی است. وظیفهٔ یک نیروگاه آب تلمبه ای پشتیبانی شبکه الکتریکی در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) است. این نیروگاه تنها آب را در ساعات مختلف بین دو سطح جابجا می کند. در ساعاتی که تقاضا برای انرژی الکتریکی پایین است با پمپ کردن آب به یک منبع مرتفع انرژی الکتریکی را به انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل می کند. در زمان اوج مصرف، آب دوباره از مخزن به سمت پایین جاری می شود و با چرخاندن توربین آبی موجب تولید برق و رفع نیاز شبکه می گردد. این نیروگاه ها با ایجاد تعادل در ساعات مختلف موجب بهبود ضریب بار شبکه و کاهش هزینه های تولید انرژی الکتریکی می شوند.
از دیگر انواع نیروگاه های آبی می توان به نیروگاه های جزر و مدی اشاره کرد. همان طور، که از نام این نیروگاه های مشخص است این نیروگاه ها نیروی مورد نیاز خود را از اختلاف ارتفاع آب در بین شبانه روز تامین می کنند. منابع در این دسته از نیروگاه ها نسبت به بقیه کاملاً قابل پیشبینی هستند. این نیروگاه ها همچنین می توانند در مواقع اوج مصرف به عنوان پشتیبان شبکه عمل کنند.
برخی نیروگاه های آبی که تعداد آنها زیاد هم نیست از انرژی جنبشی آب جاری استفاده می کنند. در این دسته از نیروگاه ها نیازی به احداث سد نیست توربین این نیروگاه ها شبیه یک چرخ آبی عمل می کند. این نوع استفاده از انرژی شاخه نسبتاً جدیدی از علم جنبش مایعات است.
معادله
یک معادله ساده برای محاسبه تقریبی انرژی الکتریکی در یک نیروگاه برق آبی وجود دارد که به صورت زیر است:

در معادله بالا P توان خروجی در واحد وات، h ارتفاع فشاری در واحد متر، r میزان آب خارج شده در واحد مترمکعب در ثانیه و K ضریب تبدیل در ۷۵۰۰ وات است (با پیش شرط راندمان ۷۶٪، شتاب ثقل ۹٫۸۱ متر بر مجذور ثانیه و آب تازه با چگالی ۱۰۰۰ کیلوگرم به ازای هر متر مکعب. البته در توربین های بزرگ و پیشرفته راندمان معمولاً بالاتر این مقدار است و در توربین ها فرسوده این راندمان کمتر است).
میزان تولید انرژی الکتریکی در یک نیروگاه آبی به شدت به میزان آب موجود وابسته است و در فصول مختلف میزان تولید می تواند به نسبت ۱۰ به ۱ متفاوت باشد.
سد
سد
سد دیواری محکم از سنگ وسیمان و یا ساروج است که به منظور مهار کردن آب در عرض دره یا میان دو کوه ایجاد می شود. برعکس خاکریزها که برای جلوگیری از ورود آب رودخانه یا دریا به مناطق اطراف ساخته می شوند در سدها هدف از مهار کردن آب استفاده از آن است.
سدها از نظر مشخصه های مختلف طبقه بندی می شوند این مشخصه ها معمولاً شامل:
* طول سد: از نظر طول سدهای با طول بیش از ۱۵ متر را سدهای بزرگ و سدهای با طول بیش از ۱۵۰ متر را سدهای بسیار بزرگ می نامند.
* هدف از احداث سد: اهداف ساخت یک سد می توانند متفاوت باشند به طوری که بسیاری از سدها بیشتر از یک هدف را دنبال می کنند این اهداف می توانند شامل آبیاری یا تامین آب مناطق شهری یا زمین های کشاوزی، تولید انرژی الکتریکی، ایجاد فضای تفریحی، کنترل سیل و… باشند.
* ساختار سد: از نظر ساختار، با توجه به مصالح مصرف شده یا تکنولوژی ساخت سدها باهم متفاوت هستند. سدها از نظر مصالح مصرف شده می توانند چوبی، خاکی یا بتنی باشند.
مزایا
ملاحظات اقتصادی
بیشترین مزیت استفاده از نیروگاه ها آبی عدم نیاز به استفاده از سوخت ها و در نتیجه حذف هزینه های مربوط به تامین سوخت است. درواقع هزینه انرژی الکتریکی تولیدی در یک نیروگاه آبی تقریباً از تغییرات قیمت سوخت های فسیلی نظیر نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ مصون است. همچنین عمر متوسط نیروگاه های آبی در مقایسه با نیروگاه های گرمایی بیشتر است، به طوری که عمر برخی از نیروگاه های آبی که هم اکنون در حال استفاده هستند به ۵۰ تا ۱۰۰ سال پیش بازمی گردد. هزینه کار این نیروگاه ها در حالی که به صورت خودکار کار کنند کم است و بجز در موارد اضطراری به پرسنل زیادی در نیروگاه نیاز نخواهد بود.
در موقعیت هایی که استفاده از سد چندین هدف را پوشش می دهد، ساخت یک نیروگاه آبی هزینه نسبتاً کمی را به هزینه های ساخت سد اضافه می کند. ایجاد یک نیروگاه هیمچنین می تواند هزینه های مربوط به ساخت سد را جبران کند. برای مثال درآمد ناشی از فروش انرژی الکتریکی در سد "Three Gorges" که بزرگ ترین سد جهان است با فروش انرژی الکتریکی تولیدی در سد در طول ۵ تا ۷ سال جبران شده است.
انتشار گازهای گلخانه ای
در صورتی که سوختی در نیروگاه سوخته نشود، دی اکسید کربن (که یک گاز کلخانه ای است) نیز در نیروگاه تولید نخواهد شد. البته در مراحل احداث نیروگاه مقدار ناچیزی گاز دی اکسید کربن تولید می شود که در مقابل میزان دی اکسید البته در این نیروگاه ها بر اثر اجتماع آب پشت سد گازهایی متصاعد می شود که در پایین به آنها اشاره شده است.
یک توربین آبی وصل شده به یک مولد الکتریکی.
فعالیت های وابسته
آب ذخیره شده در پشت یک سد در واقع می تواند بخشی از امکانات مربوط به ورزش های آبی باشد و به این ترتیب می تواند به جاذبه ای برای گردشگران تبدیل شود. در برخی از کشورها از این آب برای پرورش موجودات آبزی مانند ماهی ها استفاده می شود به این ترتیب که در برخی سدها محیط های خاصی برای پرورش موجودات آبزی اختصاص یافته که همیشه از نظر داشتن آب پشتیبانی می شوند.
معایب
آسیب به محیط زیست
پروژه های احداث سد معمولاً با تغییرات زیادی در اکوسیستم منطقه احداث سد همراه هستند. برای مثال تحقیقات نشان می دهد که سدهای ساخته شده در کرانه های اقیانوس اطلس و اقیانوس آرام در آمریکای شمالی از میزان ماهی های قزل آلای رودخانه ها به شدت کاسته است و این به دلیل جلوگیری سد از رسیدن ماهی ها به بالای رودخانه برای تخم گذاری است و این درحالی است که برای عبور این ماهی ها به بالای رودخانه محل های خاصی در سد در نظرگرفته شده است. همچنین ماهی های کوچک در طول مهاجرت از رودخانه به دریا در بین توربین ها آسیب می بینند که برای رفع این عیب نیز در قسمتی از سال ماهی ها را با قایق های کوچک به پایین رودخانه می برند. با تمام فعالیت هایی که برای ایجاد محیط مناسب برای ماهی ها انجام می شود بازهم با ساخت سد از میزان ماهی ها کاسته می شود. در کشورهایی مانند ایالات متحده بستن مسیر مهاجرت ماهی ها و دیگر موجودات آبزری به وسیله سد ممنوع است و حتماً باید برای عبور آنها تمهیداتی اندیشیده شود. به این ترتیب در برخی موارد سدها می توانند واقعاً برای ماهی ها آسیب رسان باشند که نمونه ای از آنها سد مارموت (Marmot Dam) در ایالات متحده است که عملیات حذف آن در ۲۰ اکتبر ۲۰۰۷ به پایان رسید. پس از تخریب این سد رودخانه برای اولین بار پس از۱۰۰ سال جریان آزاد خود را آغاز کرد. عملیات حذف این سد بزرگ ترین عملیات حذف سد در ایالات متحده بود.
ایجاد سدها معمولاً باعث به وجود آمدن تغییراتی در قسمت های پایینی رودخانه می شوند. آب خروجی از توربین ها معمولاً حامل مقدار کمتری از رسوبات است و این خود باعث پاک شدن بستر رودخانه و از بین رفتن حاشیه های رودخانه می شود. به دلیل اینکه توربین ها معمولاً به نوبت کار می کنند نوساناتی در جریان آب خروجی ایجاد می شود که شدت فرسایش بستر رودخانه را افزایش می دهد. همچنین ظرفیت اکسیژن حل شده در آب به دلیل کار توربین ها کاهش می یابد چراکه آب خروجی توربین ها معمولاً گرمتر از آب ورودی آنهاست که این خود می تواند جان برخی گونه های حساس را به خطر بیندازد. برخی دیگر از سدها برای افزایش ارتفاع فشار مسیر رودخانه را منحرف کرده و باعث عبور آب از مناطق پر شیب تر می شوند و به این ترتیب مسیر قبلی رودخانه را خشک می کنند. برای مثال در رودخانه های تپاکو (Tekapo) و پوکاکی (Pukaki) از این روش استفاده شده است که نه تنها موجب به خطر افتادن برخی گونه های موجودات آبزی شده بلکه پرندگان مهاجر منطقه را نیز به شدت در خطر قرار داده است.
سدهای بسیار بسیار بزرگ مانند سد اسوان (در مصر) و سد سه دره (در چین) تغییرات زیادی را در بالا و پایین رودخانه به وجود می آورند.
انتشار گازهای گلخانه ای
آب جمع شده در پشت سد در مناطق گرمسیری می تواند مقدار قابل توجهی از گاز متان و گاز کربنیک را تولید کند. این گازها در اثر پوسیدگی قسمت های مختلف گیاهان و زباله هایی به وجود می آیند که از بالای رودخانه آمده اند و به وسیله باکتری های ناهوازی تجزیه می شوند. بیشتر گاز تولیدی در اثر پوسیدگی را گاز متان تشکیل می دهد که از نظر آثار گلخانه ای از دی اکسیدکربن خطرناک تر است. براساس گزارش کمیسیون جهانی سدها، در سدهایی که منبع آنها نسبت به برق تولیدی آنها کوچک است (کمتر از ۱۰۰ وات به ازای هر مترمربع از آب) و درخت های اطراف مسیر رودخانه پاکسازی نشده اند، میزان گاز گلخانه ای تولیدی از یک نیروگاه گرمایی با سوخت نفت بیشتر است.
جابجایی جمعیت
از دیگر معایب ساخت سدها، جابجایی جمعیت ساکن در مناطق زیر آب رفته توسط آب پشت سد است. این مناطق ممکن است شامل مناطقی باشد که از نظر فرهنگی یا اعتقادی دارای ارزش بالایی هستند و بدین ترتیب دلبستگی زیادی بین مردم ساکن با منطقه و آن منطقه خاص وجود دارد و به این ترتیب با بالا آمدن آب این مکان های تاریخی یا فرهنگی از بین خواهند رفت. از جمله سدهایی که در مراحل ساخت با این قبیل مشکلات روبه رو شدند می توان به سد سه دره یا سد کلاید اشاره کرد.
شکست سد
شکسته شدن سدها گرچه به ندرت اتفاق می افتد اما خطری جدی و خطرناک است. برای نمونه می توان به شکسته شدن سد بانکیاو (Banqiao) در جنوب چین اشاره کرد که موجب کشته شدن ۱۷۱۰۰۰ تن و بی خانمان شدن حدود نیم میلیون نفر شد. همچنین سدها می توانند هدف خوبی برای دشمن در طول جنگ یا اقدامات خرابکارانه تروریست ها باشند. سدهای کوچک در این حملات کمتر آسیب رسان هستند.
انتخاب محلی نامناسب برای احداث سد می تواند به فاجعه منجر شود، برای مثال می توان به سد واجنت (Vajont) در ایتالیا اشاره کرد که در سال ۱۹۶۳ موجب مرگ حدوداً ۲۰۰۰ نفر شد.
مقایسه ای با دیگر روش های تولید انرژی الکتریکی
نیروی برق آبی با ایجاد انرژی الکتریکی بدون سوزاندن سوخت ها از ایجاد آلوده کننده های متصاعد شده از سوختن سوخت های فسیلی مانند دی اکسید گوگرد، اسید نیتریک، منواکسید کربن، گرد غبار و سرب (موجود در زغال سنگ) جلوگیری می کند. همچنین هیدروالکتریسیته با از بین بردن ضرورت استفاده از سوخت هایی مانند زغال سنگ به طور غیرمستقیم خطرات ناشی از استخراج زغال سنگ را کاهش می دهد.
در مقایسه با نیروگاه هسته ای این نیروگاه ها زباله هسته ای تولید نمی کنند. همچنین خطرات مربوط به تماس با اورانیوم در معادن یا نشت مواد هسته ای را نیز ندارند و برعکس اورانیوم در این دسته از نیروگاه ها از انرژی های تجدید پذیری استفاده می شود.
در مقایسه با مولدهای بادی، منابع انرژی در نیروگاه های آبی خیلی قابل پیش بینی تر هستند. همچنین این نیروگاه ها می توانند ضریب بار شبکه را بهبود دهند و در زمان نیاز شروع به تولید انرژی الکتریکی کرده و به این ترتیب موجب تعدیل شبکه در طول ساعات پیک شوند.
برعکس نیروگاه های گرمایی در نیروگاه های آبی زمان زیادی صرف مطالعات مربوط به سد می شود. معمولاً برای انجام دقیق محاسبات، داده های حدود ۵۰ سال از رفتارهای رودخانه برای انتخاب بهترین مکان احداث سد و روش ساخت آن لازم است. برعکس نیروگاه هایی که از سوخت ها برای تامین انرژی استفاده می کنند، مکان های مناسب برای احداث نیروگاه های آبی محدود هستند. همچنین بیشتر نیروگاه های آبی از مراکز تجمع جمعیت دور هستند و باید برای انتقال آنها نیز هزینه ای صرف کرد. از دیگر ضعف های این نیروگاه وابستگی شدید به میزان آب ورودی است و از آنجایکه میزان آب پشت سد به بارش ها وابسته است و در صورتیکه که میزان بارش برف و باران کاهش یابد میزان تولید انرژی الکتریکی نیز کاهش می یابد.
جدول میزان تولید هیدروالکتریسیته در کشورهای مختلف جهان و میزان ضریب بار
کشور
تولید سالیانه هیدروالکتریسیته(TWh)
ظرفیت ثابت(GW)
ضریب بار
جمهوری خلق چین
۴۱۶٫۷
۱۲۸٫۵۷
۰٫۳۷
کانادا
۳۵۰٫۳
۸۸٫۹۷۴
۰٫۵۹
برزیل
۳۴۹٫۹
۶۹٫۰۸
۰٫۵۶
ایالات متحده
۲۹۱٫۲
۷۹٫۵۱۱
۰٫۴۲
روسیه
۱۵۷٫۱
۴۵٫۰
۰٫۴۲
نروژ
۱۱۹٫۸
۲۷٫۵۲۸
۰٫۴۹
هند
۱۱۲٫۴
۳۳٫۶۰
۰٫۴۳
ژاپن
۹۵٫۰
۲۷٫۲۲۹
۰٫۳۷
سوئد
۶۱٫۸
–
–
فرانسه
۶۱٫۵
۲۵٫۳۳۵
۰٫۲۵
* نیروگاه برق آبی میکرو
انرژی کشندی (به انگلیسی: Tidal power) یا انرژی جزر و مد شکلی از انرژی آبی است که از تبدیل انرژی جزر و مد به اشکال مفید انرژی – عمدتاً نیرویبرق – به دست می آید.
گرچه هنوز استفاده فراگیر نیافته، انرژی کشندی می تواند تولید برق آینده باشد. جزر و مد بهتر از انرژی باد و انرژی خورشیدی قابل پیش بینی است. در میان منابع انرژی تجدید پذیر، استفاده از انرژی جزر و مد همیشه با مشکل هزینه بالا و محدودیت در مکانهای با کشند شدید یا سرعت بالای جریان آب روبرو بوده است. با وجود این، بسیاری از پیشرفتهای اخیر هم در طراحی (مانند نیروگاه کشند دینامیکی، تالابهای کشندی) و هم در تکنولوژی توربین (مانند توربین های جدید محوری و کراس فلو) نشان می دهد که کل برق کشندی موجود ممکن است از آنچه تا پیش از این فرض می شد بسیار بیشتر باشد و ممکن است هزینه های اقتصادی و زیست محیطی به سطح قابل رقابتی کاهش یابد.
از نظر تاریخی آسیاب هایی که از انرژی کشندی بهره می گرفتند هم در اروپا وجود داشته اند و هم در سواحل شرقی آمریکای شمالی. آب ورودی در استخرهای بزرگی ذخیره می شدند و در هنگام فروکش کردن مد چرخ های آبی را به چرخش در می آوردند که از این نیروی مکانیکی برای آرد کردن غلاتاستفاده می کردند.[۱] تاریخ اولین آنها به قرون وسطی و حتی به روم باستان بر می گردد. تنها در قرن نوزدهم بود که فرایند استفاده از آب های ریزان و توربین های چرخان برای تولید الکتریسیته در آمریکا و اروپا معرفی شد.
نیروگاه کشندی رانس اولین نیروگاه کشندی در مقیاس بزرگ است که در سال ۱۹۶۶ مورد بهره برداری قرار گرفت.
جز و مد
یکی از اثراتی که ماه بر زمین می گذارد جزر و مد (Tides) است. نیروهای گرانشی مابین ماه و خورشید و زمین سبب بالا و پایین رفتن منظم آب اقیانوس ها در سراسر جهان گردیده که نتیجه آن امواج جزر و مدی می باشد. ماه نیرویی بیش از دو برابر نیرویی که خورشید بر امواج جزر و مد تﺃثیر می گذارد اعمال می کند. 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 سیاره ای است که دارای مقادیر بسیار زیاد آب در سطحش می باشد بطوریکه تقریباً سه چهارم سطح آن از آب پوشیده شده است. بیشتر مردم با تغییرات روزانه سطح آب دریاها بعنوان جزرومد آشناهستند. تقریباً در تمام نقاط ساحلی دنیا جزرومد بصورت دو بار مد (بالا آمدن آب) ودوبار جزر (پایین آمدن آب) وجود دارد. مقدار اختلاف بالا وپایین آمدن آب بین چند سانتی متر تا چند متر ودر نقاط مختلف دنیا متفاوت است. برای نمونه درمنطقه ای در مرز کانادا وآمریکا این مقدار به حدود ۲۰ متر می رسد. برای بهره برداری از این نیرو توربین هایی در نواحی ساحلی مستقر می کنند که با قدرت آب می چرخند و با استفاده از این قدرت آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. 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 سانتی متر آشفتگی در مرکز موج بالغ بر صدها کیلومتر آشفتگی می شود بسیار کم است. 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 دهانهٔ رودها در وار ساحلی سرازیر ماید. 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 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 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 ماه و زمین و خورشید در زوایای قائم نسبت به یکدیگر قرار بگیرند. در واقع این تاثیرات، دوبار در فاصله میانگین ۲۴ساعت و ۵۳ دقیقه رخ می دهند. یعنی در هر ۱۲ساعت و ۲۶ دقیقه دو جزر یا دومد اتفاق می افتد. هنگامیکه ماه و زمین و خورشید هرسه در یک امتداد باشند شدت به حد اکثر می رسد. اگر خشکی ها مقابل کره ماه قرار بگیرند به علت مقاومت خشکی، خشکی حدود ۲۰ سانتی متر جابجا می شود که به آن جزر و مد خشکی می گویند؛ ولی مقاومت اقیانوس ها در مقابل کره ماه کمتراز خشکی است باید در نظر داشت که وقتی آن قسمت از زمین که در مقابل کره می باشد 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 ا لنهاربوده در اثر جاذبه ماه برای آبها، مد پیش می آید و در طرف دیگر که از جاذبه ماه دور بوده کمتر تحت تاثیر است. نیروهای جزر و مدی می توانند اثرات شگفت انگیزی را ایجاد کنند. اصطکاک آبهای اقیانوس با بستر دریا چرخش زمین را به میزان ۰۰۱٪ثانیه در هر روز از قرن کاهش می دهد. بررسی فسیلهای حیوانات ثابت کرده است که۴۰۰ میلیون سال پیش روز زمینی فقط ۲۲ساعت طول می کشیده به علاوه میدان گرانشی زمین نیز، نیروها ی جزر و مدی روی ماه اعمال می کند. بر روی سطح ماه، آب وجود ندارد اما اصطکاک، خم کردن و حرکت دادن صخره ها تا حدی حرکت چرخشی ماه را کند می کند 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 می گویند.
طغیان و فروکش جزر و مد
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.
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. تاسیسات استفاده از انرژی جزر و مد در انگلستان، آلمان، ایتالیا، شوروی سابق و آمریکا بکار گرفته شد. ماشینهای جزرومدی قدیمی قسمت کوچکی از انرژی جزر و مد موجود را برای تولید انرژی مکانیکی فراهم می کردند. 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 (La Rance) 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 جزرومدی می تواند انرژی به صرفه 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 جزرومد به الکتریسیته در حدود ۱۸ تا ۲۵ در صد است. انرژی جزر و مد آلوده کننده نیست و برای موجودات دریایی نیز اثرات کمی دارد. در قرن یازدهم میلادی نیز آسیابان های سواحل ولز، سنگ های آسیاب خود را با کمک نیروی جزر و مد به کار می انداختند و بر همین اساس هم یک نیروگاه بهره برداری 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 می توان استفاده کرد. یعنی در سواحلی که تفاوت ارتفاع سطح آب، در حین جزر و مد بیش از چندین متر است. همین طور امروزه در سواحل جزیره "شتلند" توربین دیگری به تولید الکتریسیته مشغول است. در مقابل سواحل کالیفرنیا، فلوریدا و کرانه شرقی کانادا پروژه ای مشابه به کار گرفته شده است. کارشناسان معتقدند طی ۳۰ سال آینده می توان از این توربین ها برای تولید ۴۰ درصد از انرژی مورد نیاز خانه های مسکونی بهره جست.
همان گونه که میدانیم جزر و مد در اثر کشش جاذبه ای ماه و خورشید و چرخش زمین بوجود می آید واستفادهٔ از انر آن که یکی از انرژی های دریایی است در حال گسترش است. نزدیک سواحل دریا، در جهان مناطقی هست که سطح آب می تواند 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. ساده ترین سیستم تولید نیرو برای دستگاه های جزر و مدی شامل سدی به صورت مانع در عرض مدخل کولاب در حاشیهٔ دریا است. هنگام جزر و مدهای بزرگ دروازه های آبگیر مانع، اجازهٔ ورود آب را به ظرف جزرومد می دهد و آب را از میان سیستم توربین خروجی عبور می دهد. این زمان را که بین بالاترین نقطهٔ مد و پایین ترین نقطهٔ جزر وجود دارد در زبان انگلیسی "ebb tide" می گویند. سیستم های دو راهه ای هم برای تولید برق در هنگام مد وهم در هنگام جزر وجود دارد که بازده سیستم را بیشتر می کند.
موانع جزرومدی می توانند سطح جزرومد را در ظرف تغییر داده و میزان آشفتگی را در آب بالا ببرند. این مسئله می تواند روی جهت یابی و تفریح نیز تاثیر بگذارد. بزرگترین ضرر بالقوهٔ استفاده از نیروی جزر و مدی، تاثیر یک ایستگاه جزر و مد روی گیاهان و حیوانات و تاثیرهای احتمالاً ناخواسته بر اکوسیستممصب کولاب است. همچنین حصارهای جزرومدی می توانند انرژی جزرومد را مهار کنند، یک حصار جزر و مدی دارای توربین های قائم محور هستند که روی یک حصار سوار شده است. تمام آبی که عبور می کند به درون توربین ها رانده می شود. این تاسیسات در جاهایی مانند کانال های بین خشکی ها نیز می توانند بکار گرفته شوند. حصارها تاثیر زیست محیطی کمتری نسبت به موانع جزرومدی دارند، اگرچه می توانند برای حرکت حیوانات بزرگ دریایی و نیز قایق رانی و آمدو شدهای شناورها مشکل ساز باشند. هزینهٔ نصب حصارهای جزرومدی نیز کمتر از موانع جزرومدی است. یک حصار جزرومدی در سواحل فیلیپین در حال فعالیت است. توربین های جزر و مدی تکنولوژی جدیدی هستند که در بسیاری از نواحی جزر و مدی بکار گرفته می شود. آن ها اساساًتوربین های بادی هستند که در هر محلی که جریان جزر و مدی قوی دارد، واقع شده اند. از آنجا که آب ۸۰۰ مرتبه چگال تر از هوا است، توربین های جزر و مدی مجبور به داشتن مقاومت بیشتری از توربین های بادی خواهند بود. این توربینها سنگین تر و گران تر هستند اما قادرند در نهایت انرژی بیشتری را به دام بیندازند.
تکنیک های استفاده از انرژی جزر ومد
* 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 مصب رود یا خلیج اصلی با استفاده از یک سد مورد استفاده قرار می دهد. در طول دوره تناوب یا بالا آمدن آب، از دریچه های راه های کانالی، آب حوض را پر می کند. 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 می شود. در این طرح حدود ۵ ساعت تولید و ۶ تا ۷ ساعت پرکردن مجدد و توقف مشخص می شود. تکنیک انرژی خروجی یک راهه حوض تنها با قرار دادن توربین، مولدی که می تواند موتور پمپ کمکی به هنگام عملیات پر کردن مجدد مورد استفاده قرار گیرد، اصلاح می شود.
* 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 می گیرد. با بکار بردن چنین دستگاهی انرژی بیشتری نسبت به طرح قبلی تولید می شود. با وجود این انرژی تولید شده در این طرح مانند طرح یک راهه آن چنان زیاد نیست، بنابراین توربین های طرح دو راهه بسیار بزرگ و گران قیمت 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 ومد
نیروگاه های تولید الکتریسیته در اعماق آب دریاها با استفاده از قدرت جزر و مد می توانند کمکی برای مسئلهٔ انرژی جامعه بشری باشند. نخستین پروژه از این نمونه با یک سیستم نوین، در حال حاضر مشغول به کار است. پره های 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 شیوه ای نوین به کار گرفته شده است توربین های تولید انرژی، که در عمق ۲۰ متری در فاصله ۲ کیلومتری ساحل "دوون" واقع در جنوب غربی انگلیس کار می کنند حاصل ۴ سال تلاش مهندسان و کارشناسان دانشگاه کاسل آلمان است. این تنها نیروی جزر و مد است که پروانه های عظیم این توربین های زیرآبی، با نام "جریان دریایی" را به چرخش درمی آورد. این توربین ها، برخلاف توربین های بادی که وابسته به شرایط آب و هوایی هستند می توانند 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 می شود. باله ها جریان امواج را به درون تونلی منتقل کرده و به این ترتیب تودهٔ هوا را به جلو می رانند و با کمک این توده هوا توربینی به گردش در می آید. اما ساده ترین سیستم بهره برداری از انرژی جزر و مد سیستمی است که دانمارکی ها به کار می گیرند. در این سیستم، امواج مستقیماً توسط یک سطح شیب دار به سوی پره های توربین رانده می شوند و آن را به حرکت درمی آورند.
ایجاد انرژی کشندی
توان کشندی از جزر و مد اقیانوسی زمین گرفته می شود؛ نیروهای کشندی تغییرات متناوب جاذبه گرانشی وارد شده از اجرام آسمانی است. در زمین عوامل اصلی ایجاد این انرژی عمدتاً ماه؛ به خاطر نزدیکی بیشتر و گرفتاریش در قفل جزر و مدی با زمین، و سپس خورشید است و اجرام آسمانی دیگر تاثیر چندانی در ایجاد آن ندارند. این نیروها حرکات و جریانهایی را در اقیانوس ها به وجود می آورد. این نیروی جاذبه شدید یک بر آمدگی در سطح آب ایجاد می کند که باعث افزایش سطح گذرای دریا می شود. با افزایش سطح دریا آب وسط اقیانوس به سمت ساحل رانده می شود و مد را به وجود می آورد. این پدیده به علت الگوی همیشگی مدار ماه به دور زمین همیشه در حال وقوع است. اندازه و ویژگی این حرکت نشان دهنده تغییر وضعیت ماه و خورشید نسبت به زمین، اثر چرخش زمین و جغرافیای محلی بستر دریا و خط ساحلی است.
روشهای تولید
ژنراتور جریان کشند
ژنراتورهای جریان کشند (Tidal stream Generator یا TSG) از انرژی جنبشی آب روان برای حرکت توربینها استفاده می کنند، همان گونه که توربینهای بادی برای حرکت از باد استفاده می کنند. برخی ژنراتورهای کشندی را می توان در استراکچر پل های موجود نصب کرد که هیچ مشکل زیبایی شناختی در پی ندارد.
سد کشندی
سدهای کشندی (Tidal barrage) از انرژی پتانسیل موجود در اختلاف ارتفاع (یا هد) بین کشند بالا و پایین استفاده می کنند. هنگامی که از سد کشندی برای تولید برق استفاده می شود، انرژی پتانسیل یک کشند با قرار دادن راهبردی سدهایی ویژه ذخیره می شود. هنگامی که سطح دریا افزایش می یابد و کشند شروع می شود افزایش موقتی انرژی کشندی به یک آبگیر بزرگ در پشت سد هدایت می شود و مقدار زیادی انرژی پتانسیل ذخیره می شود. با عقب نشینی کشند انرژی این آب آزاد شده و با حرکت توربینهای بزرگی انرژی آن به انرژی مکانیکی تبدیل شده و به واسطه ژنراتورهایی تولید برق انجام می شود. این سدها در طول ساحل در تمام طول دهانه رودخانه یا خلیج امتداد دارند.
نیروی کشندی دینامیک
نیروی کشندی دینامیک (Dynamic Tidal Power یا DTP) یک فناوری آزمایش نشده اما نویدبخش است که از کنش متقابل بین انرژیهای پتانسیل و جنبشی در جریانهای کشندی استفاده می کند. این فناوری پیشنهاد می کند سدهای بسیار طولانی (برای نمونه به طول ۳۰ تا ۵۰ کیلومتر) از ساحل مستقیم به سمت دریا یا اقیانوس ساخته شود بدون آنکه ناحیه ای را در بر گیرد. اختلافات فاز کشندی ایجاد شده در دو سوی سد به تفاوت قابل توجهی در سطح آب دریاهای ساحلی کم عمق می انجامد.
منابع
* مشارکت کنندگان ویکی پدیا، "Tidal power"، ویکی پدیای انگلیسی
* Tidal Energy: Pros for Wave and Tidal Power
* مقدمه ای بر جزرومد در دریاها و اقیانوسها؛ جورج. اچ. داروین؛ ترجمه دکتر حسین مروتی؛ انتشارات آبزیان؛ تهران ۱۳۸۴
* مقدمه ای بر فیزیک دریاها و اقیانوسها؛ جی. آ. ناوس؛ ترجمه دکتر حسین مروتی؛ انتشارات آبزیان؛ تهران ۱۳۸۴
* نجوم و اختر فیزیک مقدماتی جلد اول؛ زیلیک و اسمیت؛ ترجمه دکتر جمشید قنبری- دکتر تقی عدالتی؛ انتشارات دانشگاه امام رضا؛ مشهد ۱۳۷۶
* http://www.tebyan.net
* http://daneshnameh.roshd

انرژی جزر و مد و امواج دریا

3