تخمین انرژی قابل استحصال از امواج با ایجاد جریان‌های شکافنده مصنوعی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم دریایی، دانشکده محیط زیست و انرژی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات

2 گروه صنایع دریایی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات

3 گروه علوم دریایی، دانشکده محیط زیست و انرژی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران.

4 دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم تحقیقات تهران

چکیده

امروزه استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، ازجمله انرژی‌های اقیانوسی به یک ضرورت تبدیل شده است. امواج دریای خزر برای استخراج انرژی، توان قابل‌ملاحظه‌ای ندارند، اما اگر بتوان انرژی امواج را تجمیع نمود، انرژی قابل‌توجهی در ‌دسترس خواهد بود. با الگوگیری از یک پدیدۀ طبیعی به‌نام جریان شکافنده می‌توان به این هدف دست ‌یافت. پس با مدل‌سازی جریان‌های شکافنده و در‌نظرگرفتن متغیرهای ارتفاع شاخص موج، پریود موج، شیب بستر، ارتفاع کانال جریان شکافنده، فاصله کانال تا ساحل و فاصله بین کانال‌ها به محاسبه میزان توان قابل استحصال با استفاده از نرم‌افزارهای مایک و متلب پرداخته می‌شود. در این تحقیق، ابتدا با نرم‌افزار متلب کانال شبیه‌سازی شد، سپس با استفاده از نرم‌افزار مایک مش‌بندی و توپوگرافی پیاده‌سازی‌ شد. نتایج شامل سرعت آب در 36 نقطه بین کانال در عمق‌های مختلف استخراج شد و درنهایت با استفاده از محاسبات نرم‌افزار متلب دبی و توان حاصل از کانال شبیه‌سازی‌شده، محاسبه شد. نتایج نشان‌دهندۀ آن است که بهترین حالت، ارتفاع شاخص موج 1/5متر، پریود 5 ثانیه، شیب بستر 7/5%، ارتفاع کانال 4/95 متر، فاصله کانال تا ساحل، 75 متر و فاصله کانال‌های جریان شکافنده 10 متر است که با مشخصات امواج برخی نقاط سواحل مازندران مطابقت دارد و توانی حدود 30 کیلووات از آن قابل استحصال است. این حالت از بین 23 حالت بررسی‌شده به دست آمده است. مهم‌ترین پارامترهایی که بیشترین تغییر را در استخراج توان ایجاد می‌کنند، ارتفاع شاخص موج و ارتفاع کانال هستند. در حالت‌های بررسی‌شده، توان تقریباً از صفر تا 29/2 کیلووات تغییر می‌کند و برای تنها چهار حالت توان بالاتر از 17 کیلووات بوده و قابل بررسی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Estimation of Extractable Energy from the Waves by Developing Artificial Rip Currents

نویسندگان [English]

  • Baharak Sabahi Namini 1
  • Madjid Ghodsi Hassanabad 2
  • Sara Allahyaribeik 3
  • Mojtaba Ezam 4
1 ِDepartment of Marine science, Faculty of environment and energy, Islamic Azad University, Science and Research Branch
2 Department of Marine industries, faculty of Engineering, Science and research branch, Islamic Azad university, Tehran, Iran.
3 Department of marine science, faculty of environment and energy, Science and research branch, Islamic azad university, Tehran, Iran.
4 Department of Marine Sciences, Science and Research Branch, Islamic Azad University
چکیده [English]

T
Today, many schemes are being considered for using renewable sources of energy such as ocean wave energy. While the Caspian Sea, for example, has waves that do not hold much energy for extraction purposes, if waves energy of the sea could be augmented, a greater amount of energy could be possible. In our research, we model the natural phenomenon of rip currents to achieve this objective. We used MATLAB for simulations and MIKE for meshing and topography in modeling rip currents, while considering different variables including: significant wave height and period of incident waves, sea bottom slope, height of rip channel, and channel gap. From the data, we calculated the amount of extractable power. Our results show the rate of water flow in the channel at different depths at 36 different points. We used a program written in MATLAB to show the flow rate and power generated from the simulated channel. Our findings indicate that the optimum condition can be achieved when the significant wave height is 1.5m, period is 5sec, sea bottom slope is 7.5%, height of channel is 4.95m, distance from channel to beach is 75m, and channel gap is 10m. When these conditions are applied to a width of 100m, 30kW power can be expected and in 23test cases, we found a reasonable outcome. The variables with the most important effects on changes in power extraction were wave height and channel height. Moreover, in the cases we investigated, power ranged from approximately zero to 29.2Kw, and in four cases, it was greater than 17Kw.

کلیدواژه‌ها [English]

  • rip currents
  • Extraction of Energy
  • Artificial Channels
  • Caspian Sea

[1] Short AD. Rip current type, spacing and persistence Narrabeen beach, Australia. Marine Geology. 1985;65(1-2): 47-71.

[2] MacMahan JH, Thornton EB, Stanton TP, Reniers AJ. RIPEX: Observations of a rip current system. Marine Geology. 2005 Jun 30;218(1-4):113-34.

[3] Bruneau N. Field observations of an evolving rip current on a meso-macrotidal well-developed inner bar and rip morphology. Continental shelf research. 2009;29(14): 1650-1662.

[4] Dongeren AV. Rip current predictions through model-data assimilation on two distinct beaches. Coastal dynamics. 2013; 1775-1786.

[5] غلامی زهرا، چگینی وحید، لاری کامران. پهنه‌بندی جریان‌های شکافنده در سواحل غرب گیلان. یازدهمین همایش صنایع دریایی؛1388 ؛جزیره کیش، ایران.

[6] Castelle B, Marieu V, Cocco G, Bonneton P, Ruessink B.G. On the impact of an offshore bathymetric anomaly on surf zone rip channels. Journal of geophysical research: Earth surface. 2012; 117(F1):1029-1038.

[7] علیزاده حمید. مقدمه‌ای بر ویژگی‌های دریای خزر. تهران: انتشارات نوربخش؛ 1383.

[8] Shafiei Sabet D, Barani GA. Field investigation of rip currents along the southern coast of Caspian Sea. Scientia Iranica. 2011;18(4):878-884.

[9] ولی پور آزاده. بررسی تأثیر عوامل مختلف هیدرودینامیکی بر فاصله و عرض کانال‌های جریان برگشتی با استفاده از همانندسازی فیزیکی و عددی[رسالۀ‌ دکترا]. تهران: دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات؛ 1392.

[10] Chabaud V. The potential of extracting wave energy from rip currents. Master of science thesis, Norwegian university of science and technology. 2011.

[11] Kumar N, Voulgaris G, Warner JC. Implementation and modification of a three-dimensional radiation stress formulation for surf zone and rip-current applications. Coastal Engineering. 2011; 58(12):1097-1117.

[12] Castelle B, Reniers AJ, MacMahan JH. Numerical modeling of surfzone retention in rip current system: on the impact of the surfzone sandbare morphology. Coastal Dynamics. 2013; 13:295-304.

[13] Bruneau N, Bonneton P, Castelle B, Pedreros R. Modeling rip current circulations and vorticity in a high-energy mesotidal-macrotidal environment. Journal of geophysical research. 2011; 116(C7): 1-20.

[14] Jie Yu. Effects of wave-current interaction on rip currents. Journal of geology research. 2003; 108(C3):1-19.

[15] MacMahan JH, Thornton EB, Reniers AJ, Stanton TP, Symonds G. Low-energy rip currents associated with small bathymetric variations. Marine Geology. 2008 Dec 5;255(3-4):156-64.

[16] MacMahan JH, Thornton EB, Reniers AJ. Rip current review. Coastal Engineering. 2006 Feb 1;53(2-3):191-208.

[17] Ghorbani A, Rasulyjamnany A. The modelling of rip channel in creation of rip currents. Indian journal of science and technology. 2012;5(4): 2529-33.

[18] Criado-Sudau FF, Nemes DD, Gallo MN. Rip currents dynamic of a swell dominated microtidal beach. Journal of Coastal Research. 2019 Jul;92(sp1):121-7.

[19] Haller MC, Dalrymple RA, Svendsen IA. Rip Channels and Nearshore Circulation. Proceedings of the international conference on coastal research through large scale experiments Plymouth; 1997 23-27 Jun; UK.

 [20] کمیجانی فرشته. طبقه‌بندی هیدرودینامیکی سواحل جنوبی دریای خزر- استان مازندران. نشریه مهندسی دریا.1395؛12(95):53-64.

 [21] MIKE21 & MIKE3 FLOW MODEL manual [Internet].2017.Available from: http://manuals.mikepoweredbydhi.help/2017/ Coast_and_Sea/MIKE_FM_HD_Step_By_Step.pdf.

[22] Hansen MO. Aerodynamics of wind   turbines. 2nd edition. Earthscan; 2008.