بررسی انواع سیستم های استحصال انرژی امواج و انتخاب سیستم های مناسب برای

سواحل جنوبی ایران

فریده یعقوبی ـ سید حمید هاشمی کارشناس شرکت مهندسین مشاور مهاب قدس

خالصه

امواج، یکی از این الگوها در این مقاله ضمن پرداختن به معرفی انواع الگوهای تقسیم بندی مبدلهای انرژی . انتخاب و به تفصیل شرح داده خواهد شد

در تقسیم بندی مبدلها بر اساس نحوه بهره برداری انرژی از موج، به سه نوع سیستمهای هیدرولیکی کم اشاره شده و نمونه هائی از این ) نیوماتیک (فشار، سیستم های هیدرولیکی پر فشار و سیستم های بادی

با توجه به شرایط اقلیمی سواحل جنوبی ایران، ارتفاع موج، عمق آب و جنس . معرفی خواهند شدمبدلها،کف دریا در خلیج فارس و دریای عمان، از میان مبدل های معرفی شده، مبدل های مناسب برای بهره

. برداری از انرژی امواج در ایران پیشنهاد خواهد شد . ـ اقلیم ـ خلیج فارس ـ دریای عمان ـ ایران انرژی ـ امواج : واژه های کلیدی

مقدمه -1

پتانسیل موجود . از میان انرژی های قابل جذب از دریا، انرژی امواج پر جاذبه ترین آنها به شمار می روددر اقیانوسها، بسیاری از دانشمندان و مخترعان را برای ساخت دستگاه هایی که بتواند این انرژی را به

لکن از آنجا که استفاده از سوخت های فسیلی . گر تبدیل نماید، ترغیب نموده استانرژی های دیتاکنون ارزانتر تمام می شده اند، این شاخه از تبدیل انرژی موج به انرژی های دیگر از جمله انرژی

انرژی مزایا و معایب جذب. الکتریسیته طراحی شده اند، ولی بیشتر آنها در مرحله آزمایش باقی مانده اند : از امواج دریا به شرح ذیل می باشد

منبع انرژی آزاد و غیر وابسته به دولتها و سیاستهای خارجی و مناقشات منطقه ای و بین المللی -1 .است

) بر خالف سوختهای فسیلی (منبع انرژی بی نهایت و تجدید شونده است -2

ژی خورشیدی و باد، نیاز به تاسیسات و تجهیزات جذب انرژی امواج بر خالف تجهیزات جذب انر -3 . زمینی به مساحتهای بزرگ ندارد

. هیچ نوع آلودگی در فرآیند جذب انرژی امواج تولید نمی شود -4

: این امر نتایج زیر را در بردارد. گرفتن انرژی امواج باعث آرام شدن آب پایین دست می شود -5

کنترل و بهبود پدیده های فرسایش ساحلی در اثر امواج ) الف عمل کردن به مثابه موج شکن در نزدیکی بنادر و تاسیسات ساحلی ) ب ایجاد فضای مناسب برای پرورش ماهی و سایر آبزیان ) ج

با بدست آوردن انرژی از امواج ، مواد فسیلی مانند نفت و زغال سنگ برای تولید مواد ارزشمندتر -6 . پتروشیمی، مصرف خواهد شد

بت به سایر منابع انرژی در نقاط دور از ساحل مانند سکوهای سهولت دسترسی به این منبع نس -7 .دریایی و غیره

: معایب عمده این روش به شرح زیل است

محدودیت مناطق دارای امواج بلند و قابل مالحظه -1

ضرورت مقاومت تاسیسات در مقابل طوفان های شدید احتمالی -2

خوردگی در اثر محیط خورنده دریا -3

معدنی روی تاسیسات رسوب نمک و امالح -4

خوردگی مکانیکی و فرسایش تاسیسات در اثر مواد معدنی و ماسه معلق در آب که با شدت و -5 . سرعت به تاسیسات برخورد می کند

انباشت گیاهان و موجودات زنده دریایی روی تجهیزات -6

. (Barnacle)خوردگی و قلوه کن شدن تجهیزات در اثر عمل جانورانی مانند صدف -7

ینه های غیر عادی تعمیر و نگهداری تجهیزات مستقر در دریاها هز -8

باال بودن قیمت برق حاصله -9

تصادفی بودن امواج و عدم داشتن روال قطعی و منظم و ثابت -10

مشکالت انتقال برق از تاسیسات مستقر در دریاها به ساحل -11

لی استوار است، با توجه به محدود در کشور ایران که تولید انرژی الکتریسیته، عمدتاً بر سوخت های فسی . بودن اینگونه سوخت ها، الزم است مطالعاتی همه جانبه در زمینه جذب انرژی امواج، صورت پذیرد

انواع نیروگاه ها امواج -2الزمه جذب انرژی امواج، وجود دستگاهی میباشد که بتواند با برخورد صحیح امواج با آن حداکثر انرژی

مهمترین بخش . مبدل انرژی موج شامل بخش های متعددی می باشد. ذب نمایدموجود در آنها را ج

است که با تغییرات فشار امواج واکنش (Interface Unit)مبدلهای انرژی موج، سیستم واسطه خاصیت میراکنندگی حرکت موج در این سیستم واسطه ، به وجود آورنده انرژی از . نشان خواهد داد

حی بهینه هیدرومکانیکی این سیستم در واقع راهی برای ایجاد بازدهی بیشتر می امواج خواهد بود، طرا . باشد

در هر یک از مبدل های انرژی امواج یکی از این . امواج دارای ویژگی های رفتاری گوناگونی می باشند ویژگی ها اساس بدست آوردی انرژی قرار گرفته است،

این مبدلها ممکن است بر اساس . ق مختلف دسته بندی نمودمبدل های انرژی امواج را می توان به طراجزاء سیستم واسطه، سیستم استحصال انرژی، نحوه قرار گیری در برابر موج و یا نوع حرکتی که توسط

. سیستم جذب می شود، بصورت زیر دسته بندی شوند

: سیستم واسطه به دو دسته تقسیم می شود

(Active Device)مبدل های مستقیم انرژی موج -1

(Passive Device)مبدل های غیر مستقیم انرژی موج -2

: از نظر نحوه قرار گیری در برابر امواج نیز به سه دسته تقسیم می شوند

(Terminator)پایان دهنده -1

(Attenuator)کاهش دهنده -2

(Point absorber)جاذب نقطه ای -3

: بندی زیر صورت گرفته استاز نظر نوع حرکتی که توسط سیستم جذب می شوند تقسیم

(Heaving & pitching Bodies)بدنه های با حرکت عمودی و پیچشی -1

(Cavity Resonators)محفظه های تشدیدکننده -2

(Pressure Devices)دستگاه های فشاری -3

(Surging - Wave energy convertors)مبدل های انرژی موج ضربه ای -4

(Particle motion convertor)مبدل های حرکت ذرات -5

: از نظر نحوه بدست آوری، انرژی به چهار دسته تقسیم بندی می شوند

(Direct Mechanical System)سیستم های انتقال حرکت مکانیکی مستقیم -1

(Low Pressure Hydraulic System)سیستم های هیدرولیکی کم فشار -2

(High Pressure Hydraulic system)سیستم های هیدرولیکی پر فشار -3

(Pneumatic System)سیستم های نیوماتیک -4

یکی از تقسیم بندی های مبدل های انرژی موج، بر نوع حرکتی که توسط سیستم جذب می شود مبتنی می

Heaving & pitching)این تقسیم بندی شامل ، بدنه های با حرکت عمودی و پیچشی . باشد

Bodies) محفظه های تشدید کننده ،(Cavity Resonaters) دستگاههای فشاری (Pressure

Devices) مبدل های انرژی موج ضربه ای (Surging - Wave Energy Convertors) ،

. خواهد بود(Particle motion convertors)مبدل های حرکت ذرات

ه آنها دستگاههایی هستند که در اثر برخورد موج ب(Active devices)مبدل های مستقیم انرژی موج . حرکت کرده و باعث ایجاد یک کار مکانیکی مفید در برابر یک بدنه ثابت خواهند شد

بدنه به طور کامل ثابت بوده و حرکت (Passive Devices)در مبدل های غیر مستقیم انرژی موج ا در بستر نسبی سطح آب برای انجام کار استفاده می شود این مبدل ها می توانند به صورت شناور بوده و ی

در این سیستم ها از نوسانات آب برای ایجاد نوسان در هوا استفاده کرده و با جریان متغیر . دریا ثابت شوند . هوا، توربینی به حرکت درآمده و الکتریکی تولید میگردد

:در تقسیم بندی مبدل ها بر اساس نحوه استحصال انرژی از موج می توان به سیستم های زیر اشاره نمود الف ـ سیستم با انتقال حرکت مکانیکی مستقیم

در این سیستم حرکت مکانیکی حاصل از انرژی موج توسط میل لنگ، بادامک ، چرخ دنده، تسمه و یا از انی . محرکهای اصطحکاکی منتقل شده و با ایجاد حرکت دورانی در ژنراتورها، تولید الکتریسیته می نمایند

و مبدل (Dolphin Type Convertor)و نمونه مبدل انرژی دلفینی نوع سیستم ها می توان به د . چرخ آبی شناور اشاره نمود

و حرکت دورانی و زاویه (Heave)این سیستم شامل سکو، عضو شناور دارای حرکت رفت و آمدی قائم

ن میله رابط و ، میله رابط و دو ژنراتور الکتریکی که در مفصل بین میله رابط و عضو شناور و بی(Roll)ای در هر یک از دو مفصل مکانیزمی وجود دارد که وظیفه آن تبدیل حرکت نوسانی . قرار دارد، خواهد بودسکو

. زاویه ای به حرکت دورانی کامل استدر این سیستم، حرکت بیضی شکل ذرات آب سبب چرخاندن یک چرخ آبی شده و با انتقال حرکت دورانی

. الکتریسیته تولید خواهد شدچرخ به ژنراتورهای دو طرف ب ـ سیستم های هیدرولیکی کم فشار

به عنوان سیال متحرک در توربین ها، استفاده از اختالف رقوم بین ) موج (ساده ترین روش استفاده از مایع ین های متر بوده و استفاده از تورب5ارتفاع متوسط امواج غالباً کمتر از . حداکثر و حداقل ارتفاع موج می باشد

در ارتفاعی پایین تر از این مقدار مقرون به صرفه نمی باشند، زیرا در این صورت واحد دارای آبی عموماًمی ) ارتفاع آب (جهت افزایش فشار آب . سرعت پائین، قطر زیاد و در نتیجه دارای قیمت گرانی خواهد بود

. آن نقطه بر روی توربین، انرژی تولید نمودتوان آب دریا را به محل باالتری منتقل و با رها کردن آب از برای نمونه می توان به دو سیستم هدایت موج درون یک کانال و ایجاد یک مخزن ذخیره

(Overtopping Wave Channel and Storage Reservior System) و سیستم رکیتفار ،

(HRS Rectifier ) HRSقات انگلستان سیستم فوق الذکر توسط مرکز تحقی. اشاره نمود

(Hydraulic Research Station)ابداع شد . این نوع از مبدل ها از انرژی موج برای انتقال آب دریا به درون کانالی شیب دار و در نهایت ذخیره شدن در

با استفاده از اختالف ارتفاع ایجاد شده، می توان توربین های آبی با . آب در یک مخزن استفاده می شود

. را به حرکت در آورد (Low Head) ارتفاع کمشده است، سیستم از یک محفظه خالی بزرگ که درآن محفظه های عرضی مجهز به دریچه تعبیه این

هنگامی که پیشانی موج به مجاورت دریچه های ورودی می رسد با بازشدن این دریچه ها . تشکیل می شوده ها از طریق کانال مشترکی به طرف یک حوضچاین . حوضچه های عرضی فوقانی می گرددآب وارد

.می گردددستگاه توربین آبی هدایت شده و مسبب تولید انرژی

های هیدرولیکی پرفشار سیستم –ج را پمپ می ) مانند روغن (تراکم غیر قابل این سیستم از حرکت مکانیکی حاصل از حرکت موج، سیالی در تور هیدرولیکی شده و این موتور به نوبه خود می تواند پر فشار سبب گردش یک دستگاه موروغن . کنند

، مبدل پاندولی (Nodding duck)انرژی توسط بادامک جذب . ژنراتوری را به گردش درآورد

(Pendular energy convertor) و کلکهای موج سوار Masuda از نمونه های این سیستم می . باشند

ل است که عبور موج باعث حرکت نوسانی زاویه ی یک کار مبدل های از نوع بادامک بدین شکاساس بادامک و محور حالت یک هزار خار با لقی مماسی زیاد و لقی شعاعی و . بادامک حول محور آن می شود

مناسبی بین دنده های داخلی بادامک و دنده های خارجی هزار خار فشرده سیال . محوری خیلی کم را دارده بعد این سیال پر فشار هیدروموتورهایی را به حرکت درآورده و سبب تولید در مرحل. شده و پمپ می شود

. الکتریسیته توسط ژنراتورهای متصل به آنها می گردداصول طراحی مبدل های پاندولی بر اساس استفاده از حرکت پاندولی به منظور انتقال نیرو به ژنراتور در اثر

این سیستم پمپ مستقیماً به در . ده می باشد، بنا شده استجریان افقی آب که حاصل حرکت امواج ایستاهیدورستاتیکی و یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می پاندول کوپله شده و حرکت پاندول توسط انتقال

. شودکل سه کلک معادل با یک طول موج طول . به هم متصل شده اند) قایق (در کلک های موج سوار سه کلک

پمپ های پیستونی که . اثر عبور موج از زیر کلکها حرکتی زاویه ای بین آنها ایجاد می شوددر . خواهد بودقرار گرفته است، ) در طرفین (آنها روی کلک های بلندتر و پیستون ) میانی (سیلندر آنها روی کلک کوتاه تر پمپی هیدرولیکی گردش را پمپ کرده که این سیال پر فشار سبب) روغن(در اثر حرکت زاویه ای ، سیالی

. شده و سپس با انتقال حرکت این موتور به ژنراتور، الکتریسیته تولید خواهد شد

) نیوماتیک(های بادی سیستم –د که از سیستم تبدیل قدرت بادی نیوماتیک استفاده می شود، حرکت سیستم واسطه برای پمپ مبدلی در

. و متناوبی در خروج از مبدل خواهد شدریان هوای متغیرکردن هوا بکار رفته و این امر باعث تولید جهوا ممکن است باز باشد یعنی از اتمسفر گرفته شود و به آن بازگردانده شود و یا اینکه بسته باشد یعنی مدار

هوا با سرعت کم هر دو حالت جریان در . وصل شده باشد(manifold)تعدادی از مبدلهای به یک مقسم این . خواهد شد) باال بسیار سرعت(نال انحرافی پمپ شده و سبب ایجاد یک جریان فشار به داخل یک کا

. جریان باعث چرخش توربین و در نتیجه ژنراتور می گردد

. یکی از روشهای متداول در این سیستم می باشد (OWC)استفاده از ستون آب نوسان کننده روش شکل که پایین آن باز است و به آب دریا استوانه ای نی اساس کار در این روش بدین گونه است که مخز

. متصل می باشد، به نحوی روی آب قرار می گیرد که بدنه آن ثابت و قسمتی از آن خارج از آب باشدکه سر موج به زیر مخزن استوانه ای می رسد، آب داخل آن باال آمده و حجم هوای قسمت فوقانی هنگامی . باالرفتن فشار هوا شیری یک طرفه باز شده و هوا را از توربین عبور می دهدا ب. را فشرده می سازدمخزنزمانی که پای موج در مجاورت مخزن قرار . هوا از طریق یک شیر یک طرفه به محیط تخلیه می شودسپس

هم -خهجکج0جبا پایین آمدن سو سطح آب داخل مخزن پایین می آید، گیرد فشاری منفی ایجاد شده می ، خالء نسبی ایجاد شده و شیر یکطرفه دیگر هوای خارج را از توربین به قسمت فوقانی مخزن وارد طح آب . این حالت جهت عبور هوا از توربین همواره ثابت بوده و توربین به گردش درخواهد آمددر . می کند

، جذب انرژی توسط کیسه Caisson breakwater OWC, Kvaerner Brug OWCمدلهای

، از روش فوق الذکر جهت Buoy OWC, Nel OWC, (Lancaster)پذیر ادی انعطاف های ب . تولید انرژی استفاده می کنند

نتیجه گیری ـ تعیین سیستم بهینه برای جذب انرژی امواج در خلیج فارس و دریای عمان -4یه و هم چنین امواج در این ناحلیج فارس و دریای عمان و میزان انرژی توجه به شرایط اقلیمی خبا

جهت طراحی و احداث تعدادی از نیروگاه حداکثر امواج در آن نواحی، و با در نظر گرفتن شرایط مناسب سیستم بهینه را برای نواحی جنوبی ایران پیشنهاد های امواج در کشورهای مختلف می توان به گونه ای

. نمود متر برآورد شده است مبدل 7ان که حدود توجه به حداکثر ارتفاع موج در خلیج فارس و دریای عمبا

در Japanese Light Bouyو Owe- INDIA ، Delbuoy و Hose Pumpاز نوع های . مبدل ها نیاز به ارتفاع موج باالتری دارندسایر . قابل احداث خواهد بوددریای عمان و خلیج فارس

و Japanese Light Bouy, Delbuoy, Owe- INDIAکار مبدل های از نوع اساس

Owe- Kvarner ،استوار می برروش استفاده از ستون آب نوسان کننده که در باال به آن اشاره شد . باشد

یک سازه شناور سبب فعال شدن پمپ (Hose Pump)مبدل های از نوع پمپ انعطاف پذیر در رفتن سازه و پائین پمپ در اثر باالاساس کار این سیستم کم و زیاد شدن حجم . انعطاف پذیر می گردد

این پمپ توسط یک صفحه میراکننده به یک سیستم مهار بندی غیر ثابت پایین قسمت . می باشدشناور لوله فشار به وسیله یک خط به یکدیگر متصل شده و آب تحت های متعددی پمپ . متصل خواهد شد

. انتقال می یابد) و ژنراتورتوربین (به واحدهای نیروگاه و عمق آب متر می باشد90کمتر از که عموماً عمق آب در خلیج فارس و دریای عمان توجه بهبا

مناسب برای بهره برداری از مبدل های فوق الذکر می توان نتیجه گرفت که به استثنای مبدل های از

متر قابل احداث 20 که در نزدیکی ساحل و در عمق کمتر از Delbuoy و OWC- INDIAنوع . داری قرارگیرندمی توانند مورد بهره بریر مبدلها در آبهای عمیق تر و دور از ساحل می باشند، سا

. برداری و اجرا خواهند بود در کلیه عمق ها قابل بهرهJapanese Light Bouyاز نوع مبدلهای

از بنابراین . متر می توانند نصب شوند100 در عمق آب کمتر از Hose Pumpاز نوع مبدلهای تنها . مبدل فوق الذکر وجود نخواهد داشت4 عمق آب محدودیتی جهت استفاده از نظر

با توجه به جنس بستر دریا در خلیج فارس و دریای عمان، که از گل و شن تشکیل شده است و لکن مشخصات بیان شده بستر دریا برای مبدل های فوق الذکر ، می توان نتیجه گرفت که به استثنای مبدل

بنابراین مطالعات [ ارائه نشده است ، ا که مشخصات بستر دریا در مورد آنهHose Pumpهای از نوع

مکانها در این سه نوع مبدل دیگر ] باشد(Rock)و بررسی ها به نظر می رسد که جنس بستر بایستی . قابل بهره برداری خواهند بود

می موجود می توان استفاده از رس و شرایط اقلیادریای عمان وخلیج فبه مشخصات با توجه بنابراین

را به عنوان سیستم Owe- INDIA ، Delbuoy ،Japanese Light Bouy مبدل های . بهینه پیشنهاد نمود

در موجود می توانندیز با توجه شرایط نOWC _ Kvarner ازنوع مبدل های الزم به ذکر است که، نصب و مورد بهره صخره ای باشندواحل س آنها که دارای ریازجس و یا اطراف رج فادریای عمان و خلی

. ، لکن اطالعات مربوط به این نوع مبدل در جداول پیوسته ارائه نشده استدنریگ رارق یراردب

مراجع

1- Lewis, T.1985,Wave Energy , Evaluation for C.E.C.

2- Proceedings of International Symposium on Ocean Energy

Development, 1993, overcoming the Energy and Environmental

crises.

3- Eleetricity & Environmental , 1991, IAEA- Tee Dec – 624-No 2,

Helsinki.

4- Cavanach, J., 1992, Wave Energy , Energy Technology support

unit.

5- Kenn Olikawa, Shingco Takahashi, 1993,Filed verification

Experiment and utilization study on wave Power Extracing

caisson Breakwater.

6- Funakoshi, H., et al., 1995,. Prescnt situation of wave Energy

Conversion systems.

7- Mossonyi,E, 1987,Low – head power plant.

8- EL- Wakil, M.M., 1985, Power Plant Technology.

9- Godfrey Boyle, 1996, Renewable Energy, Power for a sustainable

future.

10- Wave Energy Converters, Generic Teehnical Evaluation

study, 1992, Report of October – Danish wave power APS.

11- Mc Cormick, M.E., 1981, Ocean Wave Energy Conversion.

12- Laugton , 1990, Renewable Energy Sources.

13- Seymonr, R., J.,1992,Ocean Energy Recovery- The state of

the art.