Năng lượng sóng

Khái niệm vật lý

Sóng sinh ra khi gió thổi qua bề mặt của biển. Chỉ cần sóng sinh ra chậm hơn tốc độ gió bên trên ngọn sóng thì sẽ có năng lượng truyền từ gió vào ngọn sóng. Cả sự khác biệt về áp suất khí quyển giữa ngọn gió bên trên và phía khuất gió của đầu ngọn sóng, lẫn sự ma sát trên bề mặt nước gây ra bởi gió, khiến nước đi vào ứng suất cắt gây ra việc sóng dâng lên.Chiều cao sóng được xác định bởi tốc độ gió, thời gian gió thổi, lấy (khoảng cách mà gió kích thích sóng) và bởi độ sâu và địa hình của đáy biển (có thể tập trung hoặc phân tán năng lượng của sóng). Tốc độ gió đã cho có giới hạn thực tế phù hợp với thời gian hoặc khoảng cách sẽ không tạo ra sóng lớn hơn. Khi giới hạn này đã đạt tới biển được cho là "hoàn toàn phát triển".
Nói chung, sóng lớn hơn mạnh hơn nhưng sóng điện cũng được xác định bởi tốc độ sóng, bước sóng và nước mật độ.
Chuyển động dao động cao nhất trên bề mặt và giảm dần theo cấp số nhân với độ sâu. Tuy nhiên, đối với sóng đứng (clapotis) gần bờ biển phản xạ, năng lượng sóng cũng có mặt dưới dạng dao động áp suất ở độ sâu lớn, tạo microseism s. Những dao động áp suất ở độ sâu lớn hơn là quá nhỏ để có thể thú vị từ quan điểm của sóng điện.
Các sóng truyền trên bề mặt đại dương, và năng lượng sóng cũng được vận chuyển theo chiều ngang với vận tốc nhóm. Tốc độ truyền tải trung bình của năng lượng sóng thông qua một mặt phẳng mặt phẳng (toán học) theo chiều rộng đơn vị, song song với đỉnh sóng, được gọi là năng lượng sóng flux (hoặc công suất sóng, không được nhầm lẫn với sức mạnh thực tế được tạo ra bởi một thiết bị năng lượng sóng).

Đặc điểm và cơ hội nước sâu

Nước sâu tương ứng với độ sâu nước lớn hơn một nửa bước sóng, đó là tình trạng phổ biến ở biển và đại dương. Trong nước sâu, sóng dài hơn truyền nhanh hơn và vận chuyển năng lượng của chúng nhanh hơn. Vận tốc nhóm nước sâu là một nửa [vận tốc pha]. Trong nước nông, đối với các bước sóng lớn hơn khoảng hai mươi lần độ sâu của nước, được tìm thấy khá thường xuyên gần bờ biển, vận tốc nhóm bằng vận tốc pha.

Khái niệm vật lý

Sóng được tạo ra bởi gió đi qua bề mặt của biển. Miễn là những con sóng truyền chậm hơn tốc độ gió ngay trên sóng, có một chuyển năng lượng từ gió sang sóng. Cả hai áp suất không khí khác nhau giữa gió ngược và mặt lee của sóng đỉnh, cũng như ma sát trên mặt nước bởi gió, làm cho nước đi vào ứng suất cắt gây ra sự tăng trưởng của sóng.
Chiều cao sóng được xác định bởi tốc độ gió, thời gian gió thổi, lấy (khoảng cách mà gió kích thích sóng) và bởi độ sâu và địa hình của đáy biển (có thể tập trung hoặc phân tán năng lượng của sóng). Tốc độ gió đã cho có giới hạn thực tế phù hợp với thời gian hoặc khoảng cách sẽ không tạo ra sóng lớn hơn. Khi giới hạn này đã đạt tới biển được cho là "hoàn toàn phát triển".
Nói chung, sóng lớn hơn mạnh hơn nhưng sóng điện cũng được xác định bởi tốc độ sóng, bước sóng và nước mật độ.
Chuyển động dao động cao nhất trên bề mặt và giảm dần theo cấp số nhân với độ sâu. Tuy nhiên, đối với sóng đứng (clapotis gần bờ biển phản xạ, năng lượng sóng cũng có mặt dưới dạng dao động áp suất ở độ sâu lớn, tạo ra microseism s. Những biến động áp suất ở độ sâu lớn hơn là quá nhỏ để được thú vị từ quan điểm của sóng điện.
Các sóng truyền trên bề mặt đại dương, và năng lượng sóng cũng được vận chuyển theo chiều ngang với vận tốc nhóm. Tốc độ truyền tải trung bình của năng lượng sóng thông qua một mặt phẳng theo chiều rộng đơn vị, song song với đỉnh sóng, được gọi là năng lượng sóng flux (hoặc công suất sóng, không được nhầm lẫn với sức mạnh thực tế được tạo ra bởi một thiết bị năng lượng sóng).

Lịch sử

Bằng sáng chế đầu tiên được sử dụng để sử dụng năng lượng từ sóng biển có từ năm 1799, và được Girard và con trai ông đệ trình tại Paris. Một ứng dụng đầu tiên của sóng điện là một thiết bị được Bochaux-Praceique chế tạo vào khoảng năm 1910 để thắp sáng và cấp điện cho ngôi nhà của ông tại Royan, gần Bordeaux ở Pháp. Có vẻ như đây là loại thiết bị năng lượng sóng nước đầu tiên dao động.
 Từ năm 1855 đến năm 1973 đã có 340 bằng sáng chế được nộp riêng tại Vương quốc Anh.
Theo đuổi khoa học hiện đại về năng lượng sóng đã được tiên phong trong các thí nghiệm của Yoshio Masuda vào những năm 1940.
 Ông đã thử nghiệm các khái niệm khác nhau về các thiết bị năng lượng sóng trên biển, với hàng trăm đơn vị được sử dụng để điều khiển đèn chiếu sáng. Trong số này là khái niệm về việc giải phóng sức mạnh từ chuyển động góc ở các khớp của một chiếc bè có khớp nối, được đề xuất vào những năm 1950 bởi Masuda.
Một mối quan tâm mới về năng lượng sóng được thúc đẩy bởi cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973. Một số nhà nghiên cứu trường đại học đã xem xét lại tiềm năng tạo ra năng lượng từ sóng biển, trong đó đáng chú ý là Stephen Salter từ Đại học Edinburgh, Kjell Budal và Johannes Falnes từ Viện Công nghệ Na Uy (nay đã được hợp nhất thành Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy, Michael E. McCormick từ Học viện Hải quân Hoa Kỳ, David Evans từ Đại học Bristol, Michael French từ Đại học Lancaster, Nick Newman và Mai Cường Trung từ MIT.
Phát minh năm 1974 của Stephen Salter được biết đến là vịt của Salter hoặc "vịt gật đầu", mặc dù nó được chính thức gọi là Vịt Edinburgh. Trong các thử nghiệm có quy mô nhỏ, cơ thể giống như cam cong của Duck có thể ngăn chặn 90% chuyển động của sóng và có thể chuyển đổi 90% số đó thành điện cho hiệu suất 81%.
Trong những năm 1980, khi giá dầu giảm, kinh phí năng lượng sóng giảm mạnh. Tuy nhiên, một vài nguyên mẫu thế hệ đầu tiên đã được thử nghiệm trên biển. Gần đây hơn, sau vấn đề biến đổi khí hậu, một lần nữa sự quan tâm ngày càng tăng trên toàn thế giới về năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng sóng.

Cơ sở thử nghiệm năng lượng biển đầu tiên trên thế giới được thành lập vào năm 2003 để bắt đầu phát triển ngành công nghiệp năng lượng sóng và thủy triều ở Anh. Có trụ sở tại Orkney, Scotland,
European Marine Energy Centre (EMEC) đã hỗ trợ việc triển khai nhiều thiết bị năng lượng sóng và thủy triều hơn bất kỳ trang web nào khác trên thế giới. EMEC cung cấp nhiều địa điểm thử nghiệm trong điều kiện biển thực. Trang web kiểm tra sóng được nối lưới của nó nằm ở Billia Croo, ở rìa phía tây của đại lục Orkney, và chịu toàn bộ lực lượng của Đại Tây Dương với biển cao tới 19 mét được ghi lại tại khu vực này. Các nhà phát triển năng lượng sóng hiện đang thử nghiệm tại trung tâm bao gồm Aquamarine Power, Pelamis Wave Power, ScottishPower Renewables và Wello.

Công nghệ hiện đại

Các thiết bị công suất sóng thường được phân loại theo phương pháp được sử dụng để nắm bắt năng lượng của sóng, bằng vị trí và bằng hệ thống tăng năng lượng. Địa điểm là bờ biển, gần bờ và ngoài khơi. Các loại mất điện bao gồm: ram thủy lực, bơm ống đàn hồi, bơm-to-shore, tuabin thủy điện, tuabin khí, và máy phát điện tuyến tính. Khi đánh giá năng lượng sóng như một loại công nghệ, điều quan trọng là phải phân biệt giữa bốn phương pháp phổ biến nhất: phao hấp thụ điểm, bộ suy hao bề mặt, cột nước dao động và thiết bị tràn.

Phao hấp thụ điểm

Thiết bị này nổi trên bề mặt nước, được giữ bằng dây cáp nối với đáy biển. Các phao sử dụng sự tăng và giảm của các phiến để tạo ra điện theo nhiều cách khác nhau bao gồm trực tiếp thông qua máy tạo tuyến tính, hoặc thông qua máy phát điện được điều khiển bởi bộ chuyển đổi tuyến tính-quay-tơ hoặc máy bơm thủy lực. EMF được tạo ra bằng cáp truyền dẫn điện và âm thanh của các thiết bị này có thể là mối quan tâm đối với sinh vật biển. Sự hiện diện của phao có thể ảnh hưởng đến cá, động vật có vú biển và chim là nguy cơ va chạm nhỏ tiềm ẩn và các địa điểm trú ẩn. Tiềm năng cũng tồn tại cho sự vướng víu trong các dòng neo đậu. Năng lượng loại bỏ khỏi sóng cũng có thể ảnh hưởng đến bờ biển, dẫn đến một khuyến cáo rằng các trang web vẫn còn một khoảng cách đáng kể từ bờ biển.

Bộ suy giảm bề mặt

Các thiết bị này hoạt động tương tự phao hấp thụ điểm, với nhiều phân đoạn nổi kết nối với nhau và được định hướng vuông góc với sóng tới. Một chuyển động uốn cong được tạo ra bởi các phiến động đẩy các máy bơm thủy lực để tạo ra điện. Các hiệu ứng môi trường tương tự như các phao hấp thụ điểm, với một mối quan tâm thêm rằng các sinh vật có thể bị chèn ép ở các khớp.

Công cụ chuyển đổi sóng dao động

Các thiết bị này thường có một đầu cố định với cấu trúc hoặc đáy biển trong khi đầu kia được tự do di chuyển. Năng lượng được thu thập từ chuyển động tương đối của cơ thể so với điểm cố định. Các bộ chuyển đổi sóng dao động thường xuất hiện dưới dạng phao nổi, cánh tà hoặc màng. Các mối quan tâm về môi trường bao gồm rủi ro va chạm nhỏ, rạn san hô nhân tạo gần điểm cố định, EMF tác động từ cáp ngầm, và loại bỏ năng lượng vận chuyển trầm tích. Một số thiết kế này kết hợp phản xạ parabol như một phương tiện để tăng năng lượng sóng tại thời điểm bắt giữ. Các hệ thống chụp này sử dụng chuyển động tăng và giảm của sóng để thu năng lượng.
  Khi năng lượng sóng được bắt tại nguồn sóng, công suất phải được chuyển đến điểm sử dụng hoặc kết nối với lưới điện bằng truyền tải điện cáp điện ngầm.

Cột nước dao động

Dao động Cột nước thiết bị có thể được đặt trên bờ hoặc trong vùng biển sâu ngoài khơi. Với một buồng khí được tích hợp vào thiết bị, nở khí nén trong các buồng hút không khí thông qua một tuabin khí để tạo điện. Tiếng ồn đáng kể được tạo ra khi không khí được đẩy qua các tuabin, có khả năng ảnh hưởng đến chim và sinh vật biển khác trong vùng lân cận của thiết bị. Ngoài ra còn có mối quan tâm về sinh vật biển bị mắc kẹt hoặc vướng vào các buồng khí.

Thiết bị Overtopping

Thiết bị chạy ngược là cấu trúc dài sử dụng vận tốc sóng để lấp đầy một hồ chứa với mực nước lớn hơn so với đại dương xung quanh. Năng lượng tiềm năng trong chiều cao hồ chứa sau đó được bắt với các tuabin đầu thấp. Các thiết bị có thể ở trên bờ hoặc nổi ngoài khơi. Các thiết bị nổi sẽ có những lo ngại về môi trường về hệ thống neo đậu ảnh hưởng đến [sinh vật đáy sinh vật], sinh vật trở nên vướng víu, hoặc các hiệu ứng EMF được tạo ra từ cáp ngầm. Ngoài ra còn có một số lo ngại về mức độ thấp của tiếng ồn tuabin và loại bỏ năng lượng sóng ảnh hưởng đến môi trường sống gần.

Chênh lệch áp suất ngập

Các bộ chuyển đổi dựa trên chênh lệch áp suất chìm là một công nghệ tương đối mới hơn sử dụng màng dẻo (thường được gia cố bằng cao su) để chiết năng lượng sóng. Những bộ chuyển đổi này sử dụng chênh lệch áp suất tại các vị trí khác nhau dưới sóng để tạo ra sự chênh lệch áp suất trong hệ thống chất lỏng cất cánh kín. Sự chênh lệch áp suất này thường được sử dụng để tạo ra dòng chảy, điều khiển một tuabin và máy phát điện. Bộ biến áp chênh lệch áp suất chìm thường xuyên sử dụng màng linh hoạt làm bề mặt làm việc giữa đại dương và hệ thống cất cánh điện. Màng mang lại lợi thế hơn các cấu trúc cứng nhắc của việc tuân thủ và khối lượng thấp, có thể tạo ra sự ghép nối trực tiếp hơn với năng lượng của sóng. Bản chất tương thích của chúng cũng cho phép thay đổi lớn hình học của bề mặt làm việc, có thể được sử dụng để điều chỉnh phản ứng của bộ chuyển đổi cho các điều kiện sóng cụ thể và để bảo vệ nó khỏi tải quá nhiều trong điều kiện khắc nghiệt.
Một bộ chuyển đổi ngập nước có thể được đặt ở trên đáy biển hoặc ở giữa. Trong cả hai trường hợp, bộ chuyển đổi được bảo vệ khỏi tải trọng va đập nước có thể xảy ra tại bề mặt tự do. Tải sóng cũng giảm trong tỷ lệ [[phi tuyến tính] phi tuyến tính] với khoảng cách bên dưới bề mặt tự do. Điều này có nghĩa là bằng cách tối ưu hóa độ sâu ngập nước cho một bộ chuyển đổi như vậy, có thể tìm thấy một sự thỏa hiệp giữa việc bảo vệ khỏi tải trọng cực lớn và khả năng tiếp cận với năng lượng sóng. Các WEC ngập nước cũng có khả năng làm giảm tác động đối với tiện nghi và điều hướng biển, vì chúng không ở trên bề mặt. Ví dụ về các bộ chuyển đổi áp suất chênh lệch ngập nước bao gồm M3 Wave, mWave của Bombora Wave Power,và CalWave.

Tiềm năng

Nguồn năng lượng sóng bờ biển trên toàn thế giới đã được ước tính lớn hơn 2 TW.
Các địa điểm có tiềm năng sóng lớn nhất bao gồm bờ biển phía tây châu Âu, bờ biển phía bắc của Vương quốc Anh và bờ biển Thái Bình Dương của Bắc và Nam Mỹ, Nam Phi, Úc và New Zealand. Phía bắc và phía nam khu vực ôn đới có các địa điểm tốt nhất để chụp sóng điện. Westerlies thịnh hành ở những khu vực này mạnh nhất vào mùa đông.

Thách thức

Có một tác động tiềm tàng đối với môi trường biển. Ví dụ, ô nhiễm tiếng ồn có thể có tác động tiêu cực nếu không được giám sát, mặc dù tiếng ồn và tác động rõ rệt của từng thiết kế có thể thay đổi rất nhiều. Các tác động sinh lý khác (thực vật và động vật, chế độ trầm tích và cấu trúc cột nước dòng chảy) của việc mở rộng quy mô công nghệ đang được nghiên cứu. Về thách thức kinh tế xã hội, các trang trại sóng có thể dẫn đến việc chuyển ngư dân thương mại và giải trí từ ngư trường sản xuất, có thể thay đổi mô hình nuôi dưỡng cát bãi biển và có thể đại diện cho mối nguy hiểm. Sóng tạo ra khoảng 2.700 gigawatt điện. Trong số 2.700 gigawatts này, chỉ có khoảng 500 gigawatt có thể được bắt bằng công nghệ hiện tại.