شکار باد

 

در امتداد سواحل جهانی، نیروی قدرتمندی به راه می‌افتد. امواج اقیانوسی دارای قدرت فوق‌العاده‌ای هستند. در ایالات‌متحده، امواج اقیانوس معادل تقریباً 60 درصد از نیاز سالانه برق این کشور را تامین می‌کنند.

انرژی امواج اقیانوس یا به اختصار انرژی موج، نوعی از منابع انرژی تجدیدپذیر مبتنی بر اقیانوس است که از نیروی امواج برای تولید برق استفاده می‌کند. انرژی موج، حرکت دوره‌ای بالا و پایین رفتن امواج اقیانوس‌ها را از طریق تجهیزاتی که بر روی سطح اقیانوس‌ها قرار می‌گیرد، به الکتریسیته تبدیل می‌کند؛ به این شکل که انرژی تولیدشده به وسیله حرکت موج را گرفته و این انرژی مکانیکی را به نیروی الکتریکی تبدیل می‌کند.

در کوتاه‌مدت، مبدل‌های انرژی امواج می‌توانند انرژی پاکی برای جوامع ساحلی و جزیره‌ای و حتی کاربردهای فراساحلی مانند تولید غذاها و سبزیجات دریایی، تحقیقات دریایی یا عملیات نظامی تولید کنند. در بلندمدت، این دستگاه‌ها می‌توانند به کشور کمک کنند تا یک سیستم برق بدون کربن بسازد. برای بسیاری از کشورهای هم‌مرز با اقیانوس، انرژی امواج می‌تواند به ترکیب انرژی‌های تجدیدپذیر آنها اضافه شود. در این زمینه، برای تعدادی از کشورها در سراسر جهان، از جمله بریتانیا، اسکاتلند، جبل‌الطارق، ایتالیا، اسرائیل، استرالیا، مکزیک، پرتغال و نیجریه، ابتکاراتی در حال انجام است.

البته تولید انرژی از امواج اقیانوس در تئوری ساده به نظر می‌رسد اما در عمل با مشکلاتی همراه است. برای شروع، توسعه نیروگاه‌های انرژی موج گران است. علاوه بر این، طوفان‌هایی که اغلب مناطق ساحلی را مورد اصابت قرار می‌دهند، ممکن است به سرعت هر ژنراتوری را نابود کنند.

از خورشید تا اقیانوس

انرژی موج در واقع شکل متمرکزی از انرژی خورشیدی است که در اثر وزش باد در سطح اقیانوس‌ها تولید می‌شود. همان‌طور که پرتوهای خورشید به جو زمین برخورد می‌کنند، آن را گرم می‌کنند؛ تفاوت در دمای توده‌های هوا در سراسر کره زمین باعث می‌شود هوا از مناطق گرم‌تر به مناطق خنک‌تر حرکت کند، در نتیجه بادها ایجاد می‌شوند. با عبور باد از سطح اقیانوس‌ها، بخشی از انرژی جنبشی بادها به آب زیرین منتقل می‌شود و امواج را تولید می‌کند.

در واقع، اقیانوس را می‌توان به عنوان یک ذخیره‌کننده عظیم انرژی در نظر گرفت که از خورشید به اقیانوس‌ها منتقل می‌شود؛ و در نتیجه آن، امواج به وجود می‌آیند که انرژی جنبشی منتقل‌شده را در سراسر سطح اقیانوس‌ها حمل می‌کنند. در واقع امواج نوعی انرژی هستند و این انرژی است که در امتداد سطح اقیانوس حرکت می‌کند، نه خود آب.

این امواج می‌توانند با اتلاف انرژی بسیار کم، مسافت‌های طولانی را در اقیانوس‌های آزاد طی کنند (یا تشدید شوند)، اما با نزدیک شدن به خط ساحلی و کمتر شدن عمق آب، سرعت آنها کاهش می‌یابد؛ با وجود این، اندازه آنها افزایش می‌یابد. در نهایت، موج به خط ساحلی برخورد می‌کند و مقدار زیادی انرژی جنبشی آزاد می‌کند که می‌تواند برای تولید برق استفاده شود. پتانسیل انرژی این امواج از مکانی به مکان دیگر، بسته به موقعیت جغرافیایی و زمان سال متفاوت است، اما دو عامل اصلی که بر اندازه انرژی موج تاثیر می‌گذارند، قدرت باد و فاصله از سطح دریاست که باد می‌تواند بوزد.

می‌توان گفت «انرژی موج» شکل غیرمستقیم انرژی باد است که باعث حرکت آب در سطح اقیانوس‌ها می‌شود و با گرفتن این انرژی، حرکت امواج به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود و موجب به حرکت درآوردن مولد برق می‌شود. از بسیاری جهات، فناوری مورد استفاده برای گرفتن این انرژی موج مشابه انرژی جزر و مد یا نیروی برق‌آبی است. انرژی جنبشی موج، توربین متصل به ژنراتور را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند. البته نکته‌ای که در اینجا وجود دارد این است که، اقیانوس‌های آزاد می‌توانند محیطی طوفانی و خشن باشند و در نتیجه، ماشین‌های انرژی موجی با همان انرژی که برای گرفتن آن طراحی شده‌اند، نابود شوند.

به عبارت ساده‌تر، موج اقیانوس، حرکت عمودی آب دریا به سمت بالا و پایین است که به صورت سینوسی با زمان تغییر می‌کند. این موج سینوسی دارای نقاط بالایی به نام قله و نقاط پایینی به نام فرود است. به اختلاف ارتفاع موج بین نقاط قله و فرود، دامنه قله‌به‌قله می‌گویند. آنگاه دامنه یا ارتفاع امواج، مرکز این دو نقطه است و زمانی که آب حرکتی نداشته و دریا آرام باشد، با سطح واقعی دریا مطابقت دارد. دامنه یک موج اقیانوسی به شرایط آب و هوا در آن زمان بستگی دارد، زیرا دامنه موج در هوای آرام کوچک است اما در هوای طوفانی با بادهای شدید، به دلیل بالا و پایین رفتن آب دریا، بسیار بزرگ‌تر خواهد بود.

علاوه بر دامنه موج، مشخصه مهم دیگر فاصله بین هر قله یا فرود متوالی است که به عنوان دوره موج (T) شناخته می‌شود. این دوره موج زمان بر حسب ثانیه بین هر قله موج است. برای یک موج ملایم، این دوره زمانی ممکن است بسیار طولانی باشد، اما برای یک دریای طوفانی این مدت زمان کوتاه است، زیرا هر موج به موج مقابل برخورد می‌کند. ویژگی‌های دوره و دامنه موج تولید‌شده به وسیله باد، به فاصله‌ای که باد بر روی آب‌های آزاد می‌وزد، مدت زمان وزش باد، سرعت باد و عمق آب بستگی دارد.

سوار بر موج

انرژی امواج اقیانوس دارای مزایای زیادی نسبت به انرژی باد اقیانوسی است، زیرا قابل پیش‌بینی‌تر و کمتر متغیر است و چگالی انرژی در دسترس بالاتری ارائه می‌دهد. بسته به فاصله میان دستگاه تبدیل انرژی و خط ساحلی، سیستم‌های انرژی موج را می‌توان به سه دسته دستگاه‌های خط ساحلی، دستگاه‌های نزدیک ساحل یا دستگاه‌های فراساحل طبقه‌بندی کرد. تفاوت میان این سه نوع دستگاه استخراج انرژی به شرح زیر است:

دستگاه‌های خط ساحلی، دستگاه‌های انرژی موجی هستند که در خط ساحلی ثابت یا تعبیه شده‌اند، یعنی هم در داخل و هم خارج از آب هستند. این سازه‌ها نیاز به کابل‌های طولانی زیر آب را از بین می‌برد، اما چگالی توان امواج بسیار کمتر از آن چیزی است که در فواصل دور از ساحل در دسترس است.

مشخصه دستگاه‌های نزدیک ساحل این است که برای استخراج توان موج، مستقیماً از منطقه شکن (جایی که انرژی کافی برای «شکسته شدن» موج در نقطه اوج خود وجود دارد) و همچنین آب‌های بلافاصله بعد از منطقه شکن (یعنی در عمق 20متری آب) استفاده می‌کنند.

دستگاه‌های فراساحلی یا دستگاه‌های آب‌های عمیق، در دورترین نقطه از دریا و فراتر از خطوط شکن، در آب‌های بسیار عمیق با عمق معمولی بیش از 30 متر قرار دارند که از چگالی‌های پرانرژی و پروفیل‌های موج با توان بالاتر موجود در امواج قسمت‌های عمیق استفاده می‌کنند. یکی از مزایای دستگاه‌های فراساحلی این است که مانند دستگاه‌های درون خشکی، نیازی به عملیات خاکی (استحکامی) قابل توجه ساحلی نیست. از آنجا که بیشتر انرژی درون یک موج در نزدیکی سطح قرار دارد و هرچه به عمق برویم انرژی آن کاهش می‌یابد، طیف وسیعی از طراحی‌هایی وجود دارند که انرژی قابل برداشت را به حداکثر می‌رسانند. این دستگاه‌های انرژی موج، یا به این صورت طراحی شده که قسمت‌ پایینی آن در آب ثابت شده -که در آب‌های کم‌عمق کاربرد دارند و سطح آب را می‌شکافند-، یا دستگاه‌های کاملاً شناوری هستند که برای گرفتن انرژی جنبشی ناشی از حرکت امواج و تبدیل هر حرکت به برق با استفاده از ژنراتور استفاده می‌شوند.

در حال حاضر چهار روش اصلی برای «گرفتن» انرژی موج وجود دارد:

1- جاذب‌های نقطه‌ای؛ آنها دستگاه‌های عمودی کوچکی هستند که مستقیماً به کف اقیانوس ثابت می‌شوند یا به زنجیره‌ای متصل می‌شوند که انرژی امواج را از همه جهات جذب می‌کنند. این دستگاه‌ها برق را از طریق حرکات تند و سریع وسیله شناور تولید می‌کنند.

این دستگاه‌ها حرکت بالا و پایین امواج را به حرکات چرخشی یا نوسانی در دستگاه‌های مختلف برای تولید برق تبدیل می‌کنند. یکی از مزیت‌های دستگاه‌های شناور نسبت به دستگاه‌های ثابت این است که می‌توان آنها را در آب‌های عمیق‌تر مستقر کرد؛ جایی که انرژی موج بیشتر است.

2- تضعیف‌کننده‌های موج؛ این دستگاه‌ها که به عنوان جاذب‌های خطی نیز شناخته می‌شوند، دستگاه‌های افقی نیمه‌غوطه‌ور مانند مار هستند که به موازات جهت امواج قرار می‌گیرند. یک تضعیف‌کننده موج از مجموعه‌ای از بخش‌های استوانه‌ای تشکیل شده است که به وسیله اتصالات لولایی انعطاف‌پذیر به هم متصل شده‌اند که به این بخش‌ها اجازه می‌دهد نسبت به یکدیگر بچرخند و از مسیر خود منحرف شوند.

حرکت ناشی از امواج دستگاه برای زیر فشار قرار دادن یک پیستون هیدرولیک به نام رام استفاده می‌شود که روغن را با فشار بالا از طریق آکومولاتورهای صاف‌کننده (آکومولاتورها فشار را در مخزنی ذخیره می‌کنند که در آن سیال هیدرولیک به وسیله یک منبع خارجی زیر فشار نگه داشته می‌شود)، مجبور می‌کند یک ژنراتور توربین هیدرولیک تولید برق را بچرخاند. سپس تضعیف‌کننده‌های موج، حرکت نوسانی موج را به فشار هیدرولیک تبدیل می‌کنند.

3- ستون آب نوسانی؛ یک محفظه نیمه‌غوطه‌ور است که مستقیماً در خط ساحلی ثابت شده و انرژی موج را به فشار هوا تبدیل می‌کند. این سازه می‌تواند یک غار طبیعی با یک سوراخ دمنده، یا مجرایی مصنوعی با یک ژنراتور توربین بادی باشد که در بالای چاه بالای سطح آب قرار دارد. این سازه معمولاً عمود بر امواج ساخته می‌شود، به طوری که حرکات و جریان امواج، آب محبوس‌شده در داخل محفظه را وادار به نوسان در جهت عمودی می‌کند.

با ورود و خروج امواج به محفظه، ستون آب به سمت بالا و پایین حرکت می‌کند و مانند یک پیستون روی هوای بالای سطح آب عمل می‌کند و آن را به جلو و عقب می‌راند. هوا با این حرکت به طور مرتب فشرده و منبسط می‌شود و از طریق یک ژنراتور توربین بادی برای تولید برق هدایت می‌شود. سرعت هوا در کانال را می‌توان با کاهش سطح مقطع کانال، افزایش داد.

4- دستگاه‌های سرریز؛ سازه‌های ثابت یا شناور هستند که از رمپ‌ها و کناره‌های مخروطی که عمود بر امواج قرار گرفته‌اند، استفاده می‌کنند. امواج دریا به سمت سطح شیب‌دار هدایت می‌شوند و از طرفین، یک مخزن کوچک را پر می‌کنند که در ارتفاع دو تا سه‌متری از سطح دریا قرار دارد. سپس انرژی پتانسیل آب محبوس‌شده در داخل مخزن با بازگرداندن آب به دریا از طریق ژنراتور توربین برای تولید برق، ذخیره می‌شود.

دستگاه‌های سرریز، انرژی بالقوه موجود در قسمت بالایی آب را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. نقطه ضعف این طرح‌ها، این است که توان خروجی نسبتاً کمی دارند و فقط برای مکان‌هایی مناسب هستند که در خط ساحلی، عمق آب زیاد بوده و دامنه جزر و مد نیز کمتر از یک متر است.

مزایا و معایب

ایده استفاده از انرژی فوق‌العاده امواج اقیانوس‌ها جدید نیست. مانند سایر اشکال انرژی آبی، انرژی امواج نیازی به سوزاندن سوخت‌های فسیلی ندارد که هوا را آلوده و به تولید باران اسیدی و گرم شدن زمین کمک می‌کنند. این انرژی کاملاً تمیز و بی‌پایان، قابل تجدید است. توان موج در مقایسه با انواع دیگر سیستم‌های انرژی دارای مزایای بسیاری است که مزیت اصلی‌اش، قابل پیش‌بینی بودن آن است. با این حال، مانند بسیاری از اشکال دیگر انرژی، انرژی امواج اقیانوس نیز دارای معایبی است. در ادامه برخی از مزایا و معایب اصلی انرژی موج آورده شده است.

مزایا

انرژی موج یک منبع انرژی فراوان و پاک است زیرا امواج به وسیله باد تولید می‌شوند.

در مقایسه با سایر انرژی‌های سبز، آلودگی کمی برای محیط زیست ایجاد می‌کند یا اصلاً آلودگی تولید نمی‌کند.

وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهد زیرا انرژی موج در طول عملیاتش هیچ سوخت فسیلی مصرف نمی‌کند.

انرژی موج نسبتاً ثابت و قابل پیش‌بینی است زیرا می‌توان امواج را چند روز قبل به طور دقیق پیش‌بینی کرد.

گرفتن انرژی امواج، خط ساحلی را از خطر فرسایش محافظت می‌کند.

هیچ مانع یا مشکلی برای مهاجرت ماهی‌ها و جانوران آبزی ایجاد نمی‌کند.

معایب

تاثیر بصریِ دستگاه‌های تبدیل انرژی موج بر روی شناورها یا سکوهای شناور خط ساحلی و فراساحلی.

دستگاه‌های تبدیل انرژی موج وابسته به مکان هستند و به مکان‌های مناسبی نیاز دارند که امواج به طور مداوم قوی باشند.

تولید برق متناوب است و در دوره‌های آرام بودن دریا، برق تولید نمی‌شود.

دستگاه‌های انرژی امواج فراساحلی می‌توانند تهدیدی برای ناوبری باشند که نمی‌توانند آنها را از طریق رادار ببینند یا شناسایی کنند.

هزینه‌های بالای توزیع برق برای ارسال نیروی تولیدشده از دستگاه‌های دریایی به زمین با استفاده از کابل‌های طولانی زیر آب.

آنها باید قادر به مقاومت در برابر نیروهای طبیعت باشند که این موضوع، هزینه‌های ساخت و نگهداری را بالا می‌برد.