Κυματική Ενέργεια: Τεχνολογίες Εκμετάλλευσης και Ελληνικό Κυματικό Δυναμικό

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ TMHMA ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Κυματική Ενέργεια: Τεχνολογίες Εκμετάλλευσης και Ελληνικό Κυματικό Δυναμικό Διπλωματική Εργασία Ντάβαλης Γεώργιος Επιβλέπων Καθηγητής: Μ. Αλεξιάδης Θεσσαλονίκη 2016

2 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά Τον επιβλέποντα καθηγητή κύριο Μ. Αλεξιάδη για την καθοδήγηση και την εμπιστοσύνη. Τον κύριο Τακβόρ Σουκισσιάν για την συνεισφορά του. Το Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών για την πολύτιμη βοήθεια. 1

3 Περιεχόμενα: Μέρος Α: Τεχνολογίες Εκμετάλλευσης Κυματικής Ενέργειας 1. Εισαγωγή 5 2. Ιστορική αναδρομή 6 3. Κυματική Ενέργεια Ορισμός Κυματική Ισχύς Συμβολή των ανέμων στο κυματικό δυναμικό Κύματα Θεωρίες Κυμάτων Θεωρία του Airy Θεωρία του Stokes Θεωρία των μεμονωμένων κυμάτων Τυχαία κύματα ή κύματα τυχαίας θάλασσας Τροποποίηση Κυμάτων Θραύση Κύματος Αλληλεπίδραση κυμάτων με φυσικά εμπόδια Μετατροπείς Κυματικής ενέργειας Βασικές αρχές δέσμευσης της κυματικής ενέργειας Κινήσεις πλωτών διατάξεων Συντονισμός Τύποι μετατροπέων κυματικής ενέργειας Ταξινόμηση με βάση την απόσταση από την ακτή Ταξινόμηση με βάση την αρχή λειτουργίας 27 i. Εξασθενητές 27 ii. Σημειακοί Απορροφητές 28 iii. Ταλαντευόμενοι μετατροπείς κύματος 29 iv. Μετατροπείς ταλαντευόμενης στήλης νερού 29 v. Συσκευές υπερύψωσης 30 vi. Συσκευές διαφορικής πίεσης 31 vii. Μετατροπείς περιστρεφόμενης μάζας Υπό λειτουργία μετατροπείς κυματικής ενέργειας Pelamis PowerBuoy WaveStar Oyster WaveRoller LimpetκαιMutriku WaveDragon 53 2

4 6.8 Ceto AWS-III Penguin 61 Μέρος Β: Ελληνικό Κυματικό Δυναμικό 7. Δεδομένα Κυματικού Δυναμικού της Ελλάδος Δεδομένα hindcast του μοντέλουwam Επιτόπιες μετρήσεις από πλωτούς σταθμούς του Συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ Ρόδος Σκύρος Μύκονος Σύνοψη- Συμπεράσματα Βιβλιογραφία 99 3

5 Μέρος Α Τεχνολογίες Εκμετάλλευσης Κυματικής Ενέργειας 4

6 1.Εισαγωγή Για περισσότερο από έναν αιώνα η ανθρωπότητα βασίζεται για την παραγωγή του μεγαλύτερου μέρους του ηλεκτρισμού που καταναλώνει στα ορυκτά καύσιμα, για τον σχηματισμό των οποίων χρειάστηκαν περίπου 400 εκατομμύρια χρόνια. Με την πάροδο όμως των χρόνων και την αυξανόμενη κατανάλωση ηλεκτρισμού είναι πλέον ορατός ο κίνδυνος τόσο της έλλειψης ορυκτών καυσίμων στο άμεσο μέλλον όσο και της αδυναμίας επαρκούς απορρόφησης των καυσαερίων τους από τον πλανήτη με άμεσο αποτέλεσμα την υπερθέρμανσή του. O πρώτος που επισήμανε τους κινδύνους αλλά και αμφισβήτησε την επικρατούσα άποψη της εποχής του περί πλήρους και αποτελεσματικής αντιμετώπισης του προβλήματος παραγωγής ενέργειας ήταν ο βρετανός οικονομολόγος E.F. Schumacher. Στο βιβλίο του, Small is beautiful: a study of economics as if people mattered, που εκδόθηκε το 1973, τόνισε την ανάγκη να γίνει αντιληπτός ο διαχωρισμός μεταξύ κεφαλαιακών και προσόδων ενεργειακών πόρων της γης έτσι ώστε να σταματήσει η αλόγιστη χρήση των ορυκτών καυσίμων και να γίνει σεβαστή η περιορισμένη ικανότητα του πλανήτη να απορροφά τα αέρια προϊόντα της καύσης των ορυκτών καυσίμων. Οι απόψεις του, παρότι αγνοήθηκαν ή και χλευαστήκαν εκείνη την εποχή σήμερα αποτελούν την κυρίαρχη τάση και καταβάλλονται συντονισμένες προσπάθειες ώστε να αναπτυχτούν αποδοτικά ενεργειακά συστήματα που να χρησιμοποιούν ανανεώσιμους ενεργειακούς πόρους χωρίς σημαντικές εκπομπές ρύπων. Αφορμή για την αλλαγή στάσης απέναντι στην αποκλειστική εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα αποτέλεσε η πετρελαϊκή κρίση του Ξεκίνησε τον Οκτώβριο του 1973 όταν τα μέλη του οργανισμού αραβικών πετρελαιοπαραγωγών χωρών (ή OAPEC) διακήρυξαν εμπάργκο πετρελαίου μέχρι το τέλος του οποίου, τον Μάρτιο του 1974, η τιμή είχε τετραπλασιαστεί. Το εμπάργκο ήταν τρόπον τινά παράθυρο σε ένα μέλλον χωρίς φθηνά, λόγω έλλειψης, καύσιμα. Αυτό αποτέλεσε το εφαλτήριο για να στραφεί η προσοχή των ανεπτυγμένων χωρών στην μελέτη της δυνατότητας εξαγωγής σημαντικών ποσών ενέργειας από τις φυσικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας του πλανήτη. Με τον ορό ανανεώσιμη ενέργεια εννοούμε την ενέργεια η οποία είναι διαθέσιμη μακροπρόθεσμα χωρίς η χρήση της να μειώνει τα αποθέματα του πλανήτη και χωρίς να προκαλεί περιβαλλοντική βλάβη που η φύση δεν δύναται να διορθώσει χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση. 5

7 2. Ιστορική αναδρομή Όταν αναφερόμαστε στις ανανεώσιμες ενέργειες, η αιολική και η ηλιακή είναι αυτές που έρχονται συνηθέστερα στο μυαλό. Όμως για να διαχειριστούμε την κλιματική αλλαγή και τις προκλήσεις που επιβάλλει η ανάγκη εξεύρεσης εναλλακτικών και αξιόπιστων πηγών ενέργειας, είναι απαραίτητο να εκμεταλλευτούμε τους τεράστιους πόρους της θάλασσας, δηλαδή την κυματική ενέργεια. Η δυναμική της κυματικής ενέργειας έχει αναγνωριστεί από την αρχαιότητα, κυρίως όμως σαν καταστροφική δύναμη. Η πρώτη ευρεσιτεχνία για την αξιοποίηση της ενέργειας των κυμάτων χρονολογείται το 1799 και αποδίδεται στον Γάλλο μηχανικό Pierre Girard και το γιο του οι όποιοι σχεδίασαν έναν τρόπο αξιοποίησης της κυματικής ενέργειας για την μεταφορά και επεξεργασία ξυλείας. Η ιδέα τους όμως δεν κατασκευάστηκε ποτέ. Η ενεργειακή κρίση του 1973 έστρεψε τους ερευνητές προς την αναζήτηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όμως το ερέθισμα για την συστηματική ενασχόληση με την μετατροπή της κυματικής ενέργειας αποτέλεσε η μελέτη του καθηγητή Stephen Salter από το πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου που δημοσιεύτηκε το 1974 στο περιοδικό Nature καθώς απέδειξε ότι είναι εφικτή η υψηλή απόδοση με ενεργειακούς μετατροπείς μεγάλης κλίμακας. 3. Κυματική ενέργεια 3.1 Ορισμός Η μέση κυματική ενέργεια είναι το άθροισμα της δυναμικής ενέργειας των μορίων του νερού που οφείλεται στην κατακόρυφη ταλάντωσή τους και της κινητικής ενέργειας που οφείλεται στην περιστροφική κίνηση των μορίων του νερού. Εικόνα 1: Κυματική ενέργεια. 6

8 Η συνολική ενέργεια των κυμάτων υπολογίζεται από την σχέση: Ε Δ + Ε Κ = 1 4 ρga ρga2 = 1 8 ρgη2 [J/m 2 ] όπου: ρ: η πυκνότητα του νερού g: η επιτάχυνση της βαρύτητας Η: το ύψος του κύματος Α: το πλάτος του κύματος Α = Η 2. Η εκμετάλλευση της ενέργειας των κυμάτων συγκεντρώνει πολλά πλεονεκτήματα. Είναι όπως όλες οι ανανεώσιμες πήγες ανεξάντλητη, προσφέρει ανεξαρτησία από εισαγωγές καυσίμων και συμβάλλει στην δημιουργία θέσεων εργασίας. Η εκμετάλλευση της προκαλεί μηδαμινή μόλυνση του περιβάλλοντος. Μάλιστα, συμφώνα με μελέτες για κάθε ΜWh ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται από μετατροπή της κυματικής ενέργειας εξοικονομούνται κατά μέσο ορό 136 μεγάτονοι CO2. Οι επιπτώσεις από την εγκατάσταση κατασκευών εκμετάλλευσης της κυματικής ενέργειας στην χλωρίδα και την πανίδα θεωρούνται ήπιες, ενώ μικρές θεωρούνται η οπτική και ακουστική ενόχληση. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα όμως της κυματικής ενέργειας είναι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα που παρουσιάζει η οποία είναι η υψηλότερη μεταξύ των ανανεώσιμων πηγών. Αναλυτικότερα, στην επιφάνεια της θάλασσας η πυκνότητα της κυματικής ενέργειας είναι 5 φορές μεγαλύτερη από την αιολική ενέργεια που εμφανίζεται 20 μετρά υψηλοτέρα και φορές μεγαλύτερη από την ηλιακή ενέργεια στην ιδία περιοχή. Η τόσο μεγάλη διάφορα οφείλεται στο ότι η κυματική ενέργεια μεταφέρεται από το νερό η πυκνότητα του οποίου είναι 800 φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα του αέρα. Οι παγκόσμιοι πόροι κυματικής ενέργειας εκφρασμένοι σαν ισοδύναμη ηλεκτρική ενέργεια ανέρχονται σε 2TW και είναι της τάξης μεγέθους της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρισμού. Με μετριοπαθείς εκτιμήσεις θεωρείται εφικτή η εξαγωγή και αξιοποίηση του 10-25% της ισχύος αυτής και συνεπώς στο μέλλον η κυματική ενέργεια θα μπορεί να έχει μεγάλη συμβολή στο παγκόσμιο ενεργειακό μίγμα. 7

9 3.2 Κυματική Ισχύς Η κυματική ισχύς είναι ο ρυθμός με τον οποίο η κυματική ενέργεια μεταδίδεται κατά την κατεύθυνση της διάδοσης του κύματος. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος έκφρασης της ισχύος των κυμάτων είναι σε kw ανά μετρό μετώπου του κύματος, δηλαδή kw/m. Εικόνα 2: Μέσες τιμές κυματικής ισχύος σε παγκόσμια κλίμακα. Τα υψηλότερα επίπεδα κυµατικής ενέργειας στον πλανήτη µας εµφανίζονται στην περιοχή του Αν. Ατλαντικού και του Ν. Ειρηνικού. Σύµφωνα µε πρόσφατες μελέτες το υπεράκτιο κυµατικό δυναµικό για τις χώρες της Ε.Ε., συμπεριλαμβανομένης της Νορβηγίας, εκτιμάται σε 320 GW, από τα οποία περίπου 30 GW αφορούν την Μεσόγειο Θάλασσα. Σε ετήσια βάση, ο μέσος όρος κυµατικής ισχύος κυμαίνεται στον Αν. Ατλαντικό σε kw/m, στην Β. Θάλασσα kw/m και στο Αιγαίο όπου σημειωτέον παρουσιάζονται οι υψηλότερες τιμές κυµατικής ισχύος στην Μεσόγειο kw/m. Το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο κυµατικό δυναµικό για τα κράτη µέλη της Ε.Ε. υπολογίζεται συνολικά σε TWh/έτος, από τα οποία 5-9 TWh/έτος αντιστοιχούν στις ελληνικές θάλασσες. 8

10 Εικόνα 3: Κυματικοί πόροι σε GW ανά περιοχή. 9

11 3.3 Συμβολή των ανέμων στο κυματικό δυναμικό. Παρατηρούμε λοιπόν από τα παραπάνω, ότι οι κυματικοί πόροι δεν διανέμονται ισομερώς μεταξύ των χωρών που βρέχονται από θάλασσες και ωκεανούς. Αυτή η ανισοκατανομή οφείλεται κυρίως στο μοτίβο των ανέμων που εμφανίζονται. Σημαντική για την κατανόηση της συμβολής των ανέμων στην δημιουργία κυμάτων υπήρξε η συμβολή των G.Hadley ( ) καιw.ferrell ( ). Εικόνα 4: Κατανομή ανέμων στις γεωγραφικές ζώνες. Παρουσιάζεται συνοπτικά η σημασία της ζώνης γεωγραφικού πλάτους και της κατεύθυνσης των ανέμων. Οι δυνατοί αλλά ευμετάβλητοι δυτικοί άνεμοι (westerlies) με γεωγραφικό πλάτος μεταξύ 40 ο -60 ο (βόρειοι και νότιοι) παράγουν το μεγαλύτερο μέρος της παγκόσμιας εκμεταλλεύσιμης κυματικής ενέργειας. Είναι προφανές ότι χώρες με δυτικές όχθες ευνοούνται. Οι αληγείς άνεμοι (trade winds) που πνέουν σε γεωγραφικό πλάτος μεταξύ 10 ο και 30 ο (βόρειοι και νότιοι) είναι επίσης πολύ σημαντικοί για την μετατροπή κυματικής ενέργειας. Παρότι παράγουν κύματα με μικρότερη κατά μέσο όρο ενέργεια από τους δυτικούς ανέμους, είναι πιο σταθεροί. Οι πολικοί ανατολικοί άνεμοι (Polar easterlies) έχουν μικρή επίδραση στο παγκόσμιο κυματικό δυναμικό καθώς παράγουν μικρά κύματα τα οποία συχνά συγκρούονται με πάγους χάνοντας μεγάλο μέρος της ενέργειάς τους. 10

12 Εικόνα 5: Ακτές με υψηλούς πόρους κυματικής ενέργειας. 4. Κύματα Ο ρόλος του ανέμου στο σχηματισμό των κυμάτων είναι κυρίαρχος όπως άλλωστε και του ήλιου στην δημιουργία των ανέμων. Η κίνηση των ατμοσφαιρικών μαζών προκαλείται κυρίως από την ηλιακή θερμότητα και την περιστροφή της γης. Η ατμόσφαιρα της γης εκτίνεται σε ύψος μεγαλύτερο από 100 km. Τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας κυρίως, απορροφούν διαφορετικά ποσά ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτή η διαφορική θέρμανση της ατμόσφαιρας αποτελεί την γενεσιουργό αιτία της αιολικής ενέργειας. Μέρος της αιολικής ενέργειας και πιο συγκεκριμένα της ενέργειας των ανέμων της τροπόσφαιρας, μεταφέρεται στην υδάτινη επιφάνεια σχηματίζοντας έτσι τα κύματα. Η μεταφορά αυτή παρέχει μια φυσική αποθήκευση την αιολικής ενέργειας στο νερό της επιφάνειας της θάλασσας. 11

13 Εικόνα 6: Δημιουργία κυμάτων. Το ποσό της ενέργειας που μεταφέρεται στα κύματα και επομένως το μέγεθος τους εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου, την διάρκεια πνοής του ανέμου και από την απόσταση πάνω από την οποία πνέει ο άνεμος Ισχύς συγκεντρώνεται σε κάθε στάδιο του σχηματισμού των κυμάτων με αποτέλεσμα ηλιακή ισχύς της τάξης των 100 W/m 2 να σχηματίζει κύματα με ισχύ kw/m μετώπου κύματος. Συνεπώς, η κυματική ενέργεια θα μπορούσε να θεωρηθεί ως μια συμπυκνωμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας. Κάθε κύμα έχει τέσσερα κύρια χαρακτηριστικά. Το ύψος H, που είναι η κατακόρυφη απόσταση από την κορυφή ως το βαθύτερο σημείο κοιλιάς. Το μήκος κύματος λ, που είναι η οριζόντια απόσταση μεταξύ των κορυφών δύο διαδοχικών κυμάτων. Την περίοδο Τ, που είναι ο χρόνος σε δευτερόλεπτα που χρειάζεται για να διέλθουν από τον ακίνητο παρατηρητή δύο διαδοχικές κορυφές. Την ταχύτητα C, η οποία χωρίζεται σε ταχύτητα ομάδας και σε ταχύτητα φάσης. Τα κύματα μπορούν να χαρακτηρισθούν με βάση την περίοδό τους. Κύματα με περίοδο έως 0,1sec λέγονται «τριχοειδή», με περίοδο μεταξύ 0,1-1sec «τριχοειδή-βαρύτητας» και με περίοδο 1-30 sec «βαρύτητας». Κύματα με περίοδο 30sec-5min «υπό-βαρύτητας». Κύματα με περίοδο μεγαλύτερη των 5min προέρχονται είτε από τσουνάμι είτε από παλίρροιες. 12

14 Εικόνα 7: Χαρακτηρισμός κυμάτων με βάση την περίοδο τους. Για όλες της μορφές των κυμάτων ισχύει η παρακάτω απλή σχέση μεταξύ της ταχύτητας του μήκους κύματος και της περιόδου: C= λ T Τα κύματα βαρύτητας που στην βιβλιογραφία αναφέρονται και ως ανεμογενή κύματα παρουσιάζουν την υψηλότερη ενεργειακή συγκέντρωση και είναι τα πιο σημαντικά από την άποψη των επιπτώσεων τους στον άνθρωπο. Δυνατοί άνεμοι πρέπει να είναι παρόντες για αρκετό χρονικό διάστημα για να ξεκινήσουν την δημιουργία πλήρως ανεπτυγμένων κυμάτων και αυτό πρέπει να συμβαίνει για τακτά χρονικά διαστήματα στην διάρκεια ενός έτους ώστε να δημιουργήσουν μια χρήσιμη πηγή ενέργειας. Παρατηρώντας την επιφάνεια της θάλασσας δεν φαίνεται να υπάρχει ομοιογένεια στις μορφές των κυμάτων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός πως στην πράξη έχουμε διάφορους κυματισμούς που συμβάλλουν μεταξύ τους με διάφορους συνδυασμούς διαφοράς φάσης και έτσι η μορφή της θαλάσσιας επιφάνειας είναι αποτέλεσμα της υπέρθεσης. 13

15 Εικόνα 8: Υπέρθεση κυματισμών. 4.1 Θεωρίες Κυμάτων Εξαιτίας της μεγάλης ποικιλίας των μορφών των κυμάτων και της μεταβολής των χαρακτηριστικών τους δεν είναι επαρκής μόνο μια θεωρία για την περιγραφή τους. Για την δημιουργία της κάθε θεωρίας είναι απαραίτητο να γίνουν παραδοχές όσον αφορά την σχέση του ύψους του κύματος με το βάθος του νερού, ή του βάθους του νερού με το μήκος κύματος Η θεωρία του Airy Η θεωρία του Airy ή θεωρία των γραμμικών κυμάτων επινοήθηκε από τον Άγγλο μαθηματικό και αστρονόμο G.Airy ( ).Η θεωρία αυτή ισχύει για ανεμογενή κύματα με την παραδοχή ότι το ύψος του κύματος είναι πολύ μικρό σε σχέση με το βάθος του νερού και το μήκος κύματος. Πρέπει δηλαδή να ισχύουν: H<<Dκαι H<<λ, ενώ δεν υπάρχουν περιορισμοί για την σχέση μεταξύ του βάθους και του μήκους κύματος. 14

16 Στην θεωρία αυτή το κύμα έχει ημιτονοειδή μορφή με πλάτος Α, ύψος Η και μήκος κύματος λ όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Εικόνα 9: Γραμμικά κύματα. Η εξίσωση που περιγράφει τα γραμμικά κύματα είναι: h= Η 2 sin(2πχ λ - 2πt T ) Όπου: «h» το ύψος του κύματος τη χρονική στιγμή t σε οριζόντια απόσταση x. Οι γενικές εξισώσεις της ταχύτητας και του μήκους κύματος είναι: και C= gλ 2π tanh(2πd λ ) λ= gt 2π tanh(2πd λ ) όπου: g η επιτάχυνση της βαρύτητας. Οι εξισώσεις αυτές επιδέχονται απλοποιήσεως που εξαρτώνται από την τιμή του λόγου D/L όπως φαίνεται στον πίνακα: 15

17 Εικόνα 10: θεωρία του Airy. Η κίνηση των μορίων του νερού στην θεωρία του Airy είναι κυκλική με διάμετρο που μειώνεται εκθετικά με το βάθος. R=He 2πΖ L, όπου: R: η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς σε βάθος Ζ κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας, L: το μήκος του κύματος, Η: το ύψος του κύματος. Το ποσό της ενέργειας που μεταφέρεται από τα κύματα είναι J= ρg 2 T Η2 32π = 0.986T H2 [kw/m] Παρατηρούμε ότι είναι ανάλογη της περιόδου και του τετραγώνου του ύψους του κύματος. 16

18 4.1.2Η θεωρία του Stokes Ο Stokes παρατήρησε ότι η θεωρία του Airy δεν είναι αρκετή για να εξηγήσει τις περιπτώσεις στις οποίες έχουμε μεταφορά μάζας νερού κατά την διεύθυνση της διάδοσης του κύματος. Η αδυναμία της θεωρίας του Airy προκύπτει από την υπόθεση ότι το ύψος του κύματος πρέπει να είναι πολύ μικρότερο από το μήκος του. Αυτό όμως δεν συμβαίνει πάντα στην πράξη. Έτσι ο Stokes έλαβε υπόψη του στους υπολογισμούς του και το ύψος του κύματος. Η συνθήκη που οφείλει να πληρείται για να ισχύει η θεωρία του Stokes είναι ότι το βάθος πρέπει να είναι μεγάλο σε σχέση με το μήκος κύματος λ και συγκεκριμένα: D/λ >0,1. H ταχύτητα του κύματος δίνεται από την σχέση: C= gλ 2π (1 + π2 Η 2 2λ 2 ) Κατά την θεωρία του Stokes τα μόρια του νερού κινούνται γράφοντας κυκλικά τόξα και όχι πλήρεις κύκλους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα μόρια του νερού να κινούνται στην διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Έχουμε δηλαδή και διάδοση μάζας σε αντίθεση με την θεωρία του Airy που είχαμε μόνο διάδοση ενέργειας. Εικόνα 11: Θεωρία του Stokes. 17

19 Η ταχύτητα διάδοσης της μάζας είναι: όπου: C: η ταχύτητα του κύματος Cm: η ταχύτητα της μάζας. Cm= πη2 λ 2 C Παρατηρούμε ότι για πολύ μικρό ύψος κύματος σε σχέση με το μήκος κύματος η ταχύτητα μάζας τείνει στο μηδέν επιβεβαιώνοντας δηλαδή την θεωρία του Airy.Η μορφή του κύματος κατά Stokes μοιάζει με ημιτονοειδή καμπύλη αλλά έχει πεπλατυσμένες κοιλιές και οξύτερες κορυφές Θεωρία των Μεμονωμένων Κυμάτων Στην θεωρία αυτή κάθε κύμα εξετάζεται χωριστά. Το κύμα διαδίδεται πάνω στην ελεύθερη υδάτινη επιφάνεια σαν μια έξαρση χωρίς να υπάρχει κοιλιά. Τα μόρια του νερού είναι ακίνητα και μόλις περάσει από πάνω τους το κύμα κινούνται προς τα μπροστά γράφοντας είτε τροχιά τόξου εφόσον βρίσκονται στην επιφάνεια, είτε ευθύγραμμου τμήματος αν βρίσκονται στον πυθμένα. Εικόνα 12: Μεμονωμένα κύματα. Η απόσταση που κινούνται προς τα εμπρός είναι: x=4 DH 3 18

20 Η ταχύτητα του μεμονωμένου κύματος είναι: C= g(d + H) Τα μεμονωμένα κύματα δεν συναντώνται συχνά στην φύση όμως μπορούν να θεωρηθούν σαν μεμονωμένα κύματα που βρίσκονται σε πολύ ρηχά νερά και οι κορυφές τους απέχουν περισσότερο από απόσταση s. όπου: s 2πD D 3H Τυχαία κύματα ή κύματα τυχαίας θάλασσας Αν και οι παραπάνω θεωρίες είναι πολύ χρήσιμες για την κατανόηση των κυμάτων, στην πράξη τα κύματα με τα οποία καλούνται να αλληλεπιδράσουν οι μετατροπείς κυματικής ενέργειας δεν εμπίπτουν σε κάποια από αυτές. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται μια πεντάλεπτη καταγραφή του ύψους των κυμάτων σε μια φουρτουνιασμένη θάλασσα. Εικόνα 13: Χρονοσειρά ύψους κύματος. 19

21 Σε μια τυχαία θάλασσα τα κύματα δεν έχουν την ημιτονοειδή μορφή των γραμμικών κυμάτων που επιτρέπει τον εύκολο καθορισμό του ύψους και της περιόδου τους. Για αυτό το λόγο είναι αναγκαίο να στηριχθούμε σε στατιστικά στοιχεία για να περιγράψουμε τα τυχαία κύματα που πρέπει να μελετηθούν. Εικόνα 14: Ακολουθία τυχαίων κυμάτων. Το πιο σημαντικό στατιστικό στοιχείο είναι το «σημαντικό ύψος κύματος» (significant wave height, SWH) που ορίζεται ως ο μέσος όρος του ενός τρίτου των υψηλότερων κυμάτων που καταγράφονται. Για παράδειγμα αν μετρηθούν 30 κύματα τότε ο μέσος όρος των 10 υψηλότερων κυμάτων δίνει το σημαντικό ύψος κύματος. Αυτός ο ορισμός για το SWH δημιουργήθηκε κατά τον 2 ο ΠΠ ως ένας εύκολος τρόπος υπολογισμού της αγριότητας της θάλασσας. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό των τυχαίων κυμάτων είναι η περίοδός τους (Τ) που όπως το ύψος είναι στατιστικό μέγεθος. Ορίζουμε την «σημαντική περίοδο του κύματος»(significant wave period, SWP) ως την περίοδο του ενός τρίτου των υψηλότερων κυμάτων. Εικόνα 15: Κατάσταση τυχαίας θάλασσας. 20

22 Εκτελώντας ανάλυση Fourier διαπιστώνουμε ότι μια τυχαία θάλασσα μπορεί να θεωρηθεί ότι προκύπτει από την υπέρθεση ενός μεγάλου αριθμού κυμάτων με διαφορετικά ύψη και συχνότητες, τα οποία διαδίδονται σε διάφορες κατευθύνσεις. Έτσι μια περίπλοκη κυματομορφή μπορεί να θεωρηθεί ως άθροισμα ημιτονοειδών κυμάτων κατάλληλου πλάτους, συχνότητας και φάσης, το οποίο λέγεται φάσμα της κυματομορφής. Εικόνα 16: Μορφές κυματικών φασμάτων. Το φάσμα δίνει πληροφορίες για το πόση ενέργεια μεταφέρεται από τις διάφορες συχνότητες σε μια τυχαία θάλασσα. Συχνά το κυματικό φάσμα συμβολίζεται ως S(f,θ) ώστε να δοθεί έμφαση ότι είναι συνάρτηση τόσο της συχνότητας όσο και της κατεύθυνσης. Όταν όμως θεωρώ μια μόνο κατεύθυνση γράφεται S(f). Τo φάσμα του κύματος συμβολίζεται με S(f) και με ολοκλήρωση αυτής της συνάρτησης σε όλες τις συχνότητες του φάσματος προκύπτει το συνολικό ποσό της ενέργειας που μεταφέρεται. S(f, θ)df = Hs2 16 όπου Hs είναι το σημαντικό ύψος κύματος ορισμένο στο πεδίο της συχνότητας. Το φάσμα μιας τυχαίας θάλασσας είναι ευμετάβλητο αλλά υπό κανονικές συνθήκες είναι αρκετά σταθερό για τον χρόνο που χρειάζεται ώστε να μετρηθεί. 21

23 4.2Τροποποίηση των κυμάτων θραύση κύματος Ένα φαινόμενο που συχνά παρατηρείται είναι η θραύση των κυμάτων. Το φαινόμενο αυτό συμβαίνει σε 3 περιπτώσεις: i) Σε ρηχά νερά όπου το βάθος d είναι πολύ μικρότερο από το μήκος του κύματος λ, όταν το ύψος του κύματος ξεπεράσει τα 0.8d. Εικόνα 17: Θραύση κύματος. ii) Σε βαθιά νερά όταν η κλίση του κύματος, η οποία ορίζεται ως το λόγος του ύψους h και του μήκους του κύματος λ, υπερβεί την τιμή Εικόνα 18: Θραύση κύματος. iii) Σε συνθήκες ισχυρών ανέμων είναι πιθανό ο αέρας να ρίξει την κορυφή του κύματος από την βάση της. Κατά την θραύση τους τα κύματα χάνουν σημαντικό μέρος της ενέργειάς τους. 22

24 4.2.2 Αλληλεπίδραση κυμάτων με φυσικά εμπόδια Τροποποίηση των κυμάτων συμβαίνει και όταν τα κύματα συναντούν εμπόδια. Τα τρία βασικά φαινόμενα που προκύπτουν από την σύγκρουση των κυμάτων με αντικείμενα είναι: i)η ανάκλαση του κύματος: όπου το κύμα αλλάζει πορεία και στρέφεται πίσω στην πηγή του. Εικόνα 19: Ανάκλαση κύματος. ii) Η διάθλαση του κύματος: όπου προκαλεί αλλαγή στην κατεύθυνση των κυμάτων εξαιτίας αλλαγής στην ταχύτητα τους. Εικόνα 20: Διάθλαση κύματος. iii) Η περίθλαση του κύματος: όπου προκαλεί την εξάπλωση των κυμάτων όταν αυτά συναντούν στενωπούς με μήκος ίδιας τάξης μεγέθους με το μήκος τους. Εικόνα 21: Περίθλαση κύματος. 23

25 5. Μετατροπείς Κυματικής ενέργειας Η πρόκληση για τους επιστήμονες είναι να καταφέρουν να σχεδιάσουν και να αναπτύξουν εύρωστες διατάξεις που να δεσμεύουν την κυματική ενέργεια αποτελεσματικά και αξιόπιστα ενώ θα πρέπει να μπορούν να αντέχουν στις αντίξοες συνθήκες της θάλασσας. Οι διατάξεις αυτές ονομάζονται ενεργειακοί μετατροπείς κυμάτων ή μετατροπείς κυματικής ενέργειας και στην συνεχεία θα αναφερόμαστε σε αυτές και με την αγγλική συντομογραφία τους, WEC (wave energy converters). O σχεδιασμός των διατάξεων εξαρτάται από την απόσταση από την ακτή στην οποία θα κληθούν να λειτουργήσουν το βάθος της θαλάσσιας περιοχής και το κυματικό δυναμικό. Κρίσιμοι παράγοντες για ένα επιτυχημένο WEC είναι: α) η αποτελεσματική τεχνική απόδοση. β) η οικονομική κατασκευή, τοποθέτηση και λειτουργία του. γ) η αξιοπιστία και επιβιωσιμότητα σε ακραίες συνθήκες λειτουργίας. δ) οι αποδεκτές περιβαλλοντικές επιπτώσεις 5.1 Βασικές αρχές δέσμευσης της κυματικής ενέργειας Κινήσεις πλωτών διατάξεων Ένας μεγάλος αριθμός WEC είναι πλωτές διατάξεις που βρίσκονται είτε υπεράκτια είτε παράκτια. Υπό την επίδραση των κυμάτων κινούνται με περισσότερους από έναν τρόπους. Είναι σημαντική η μελέτη και κατανόηση της κίνησης των πλωτών διατάξεων για τον σχεδιασμό των WEC. Οι κινήσεις αυτές χωρίζονται σε α) περιστροφικές και β) μη περιστροφικές και είναι οι ακόλουθες: α) κινήσεις χωρίς περιστροφή: Ανύψωση (heave): δηλαδή μια κάθετη ταλάντωση Διόγκωση (surge) :δηλαδή μια οριζόντια κίνηση παράλληλη στην κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Λίκνισμα (sway): οριζόντια κίνηση κάθετη στην κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. 24

26 β) περιστροφικές κινήσεις: Κλυδωνισμός (pitch): περιστροφή γύρω από τον οριζόντιο άξονα που προκαλεί τα άκρα της πλωτής συσκευής να ανεβοκατεβαίνουν. Κύλιση (roll): κίνηση γύρω από τον οριζόντιο άξονα που προκαλεί την περιστροφή της μηχανής από την μία πλευρά στην άλλη. Περιστροφή (yaw): κίνηση γύρω από τον κάθετο άξονα. Το φυσικό μέγεθος μιας πλωτής συσκευής έχει μεγάλο αντίκτυπο στην κίνηση της, ειδικά αν η διάσταση του στην κατεύθυνση της διάδοσης του κύματος είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με το μήκος του κύματος. Για παράδειγμα κλυδωνισμό έχουμε όταν το μήκος της συσκευής είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του μήκους του κύματος, δηλαδή: όπου Ν=1,2,3,.. l= Νλ Ανύψωση παρατηρείται όταν το μήκος της διάταξης είτε είναι πού μικρότερο από το μήκος του κύματος ή ισούται με περιττό πολλαπλάσιο μισού μήκους κύματος, δηλαδή: l= Ν λ 2, όπου Ν=1,3,5,.. Στο ακόλουθο σχήμα παρουσιάζονται οι κινήσεις που περιγράφηκαν. Εικόνα 22: Κινήσεις πλωτών συσκευών. 25

27 5.1.2 Συντονισμός Έχει παρατηρηθεί ότι τα WEC αυξάνουν την απόδοση τους όταν συντονίζονται στην συχνότητα των διερχόμενων κυμάτων. Κάθε συσκευή έχει την δική της φυσική συχνότητα η οποία εξαρτάται από την μάζα και την άνωσή της. Μειώνοντας την μάζα του WEC ή/και αυξάνοντας την άνωση της η φυσική συχνότητα μεγαλώνει. Όταν η συσκευή συναντά κύματα με συχνότητα παραπλήσια της φυσικής συχνότητάς της τότε η κίνηση της συσκευής γίνεται εντονότερη. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται συντονισμός και λαμβάνει χώρα ανεξαρτήτως του μεγέθους του κύματος. Η κατάλληλη ρύθμιση της συσκευής για να επιτευχθεί είναι μια από τις βασικές αρχές σχεδιασμού μετατροπέων κυματικής ενέργειας. 5.2.Τύποι μετατροπέων κυματικής ενέργειας (WEC s) Η πληθώρα διαφορετικών σχεδίων WEC δημιουργεί την ανάγκη ομαδοποίησης τους. Η ταξινόμηση τους γίνεται σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας τους, την περιοχή που λειτουργούν και το στάδιο ανάπτυξής τους Ταξινόμηση με βάση την απόσταση από την ακτή Οι συσκευές κατηγοριοποιούνται σε σχέση με την απόσταση από την ακτή ως: α) υπεράκτιες (offshore): Οι μετατροπείς αυτού του είδους τοποθετούνται σε τοποθεσίες με βάθος μεγαλύτερο από 40m όπου το ενεργειακό δυναμικό είναι μεγάλο. β) παράκτιες (near-shore ή coastal): Η εγκατάστασή τους γίνεται σε μεσαίο βάθος (20-30m) και σε απόσταση έως 500m από την ακτή. γ) επί της ακτής ή επάκτιες (shoreline): Πρόκειται για σταθερές διατάξεις στην ακτή και έτσι δεν απαιτείται σύστημα αγκυροβόλησης ή υποθαλάσσια καλώδια για την ηλεκτρική διασύνδεση με την ακτή. όσο η εγκατάσταση τους όσο και η συντήρηση τους είναι σχετικά εύκολη. Μειονεκτήματα τους είναι το περιορισμένο κυματικό δυναμικό και περιορισμοί που εισάγονται από τα τοπογραφικά χαρακτηριστικά της ακτογραμμής. 26

28 Εικόνα 23: Χαρακτηρισμός περιοχής ανάλογα με την απόσταση από την ακτή Ταξινόμηση με βάση την αρχή λειτουργίας Η κατηγοριοποίηση και περιγραφή των αρχών λειτουργίας των WEC θα γίνει με βάση την πρόταση του Ευρωπαϊκού Κέντρου Θαλάσσιας Ενέργειας (EMEC). Οι τύποι των WEC είναι: i) Εξασθενητές (attenuators): Είναι μακρόστενες διατάξεις οι οποίες τείνουν να στρέφονται έτσι ώστε η μεγαλύτερη διάσταση τους να είναι παράλληλη στην κατεύθυνση των κυμάτων. Μπορούν να είναι είτε πλωτοί, που είναι και το συνηθέστερο, είτε πλήρως βυθισμένοι. Κατά κανόνα είναι αρθρωτές διατάξεις και αποτελούνται από έναν αριθμό τμημάτων τα οποία κάμπτονται και στρέφονται από τα κύματα. Οι εξασθενητές χρησιμοποιούν την ενέργεια των επερχόμενων κυμάτων για να προκαλέσουν ταλάντωση των γειτονικών τμημάτων της διάταξης. Σε αυτή την ταλάντωση αντιστέκονται τα υδραυλικά εμβολα που είναι εγκατεστημένα στην συσκευή και ωθούν υψηλής πίεσης υδραυλικά υγρά σε κινητήρα ώστε να παραχθεί ηλεκτρισμός. Εξάγουν ενέργεια από τα διερχόμενα κύματα προκαλώντας την προοδευτική εξασθένηση τους, η οποία γίνεται αντιληπτή από την μείωση του ύψους τους. 27

29 Εικόνα 24:Πλωτός εξασθενητής. ii) Σημειακοί απορροφητές (Point absorbers): Αυτού του τύπου οι διατάξεις σχεδιάζονται ώστε να εκμεταλλεύονται την κίνηση της μάζας τους, που προκαλείται από τα διερχόμενα κύματα, ώστε να παράξουν ηλεκτρισμό. Αποτελούνται από δύο συμπαγή μέρη. Το κινούμενο μέρος που αλληλεπιδρά με τα κύματα και το σταθερό μέρος το οποίο είτε είναι αγκυροβολημένο είτε συγκρατείται στον πυθμένα λόγω της βαρύτητας. Μπορούν να είναι πλήρως ή μερικώς βυθισμένες που είναι και ο συνηθέστερος τύπος. Το κινούμενο επάνω μέρος έχει σχετικά μικρές διαστάσεις σε σχέση με το μήκος των κυμάτων με τα οποία αλληλεπιδρά ώστε να απορροφά την ενέργειά τους ανεξαρτήτως της κατεύθυνσής τους. Συνήθως είναι ρυθμισμένο ώστε η φυσική του συχνότητα να είναι παραπλήσια της συχνότητας των κυμάτων της περιοχής που εγκαθίσταται και να προκύπτει συντονισμός. Εικόνα 25: Σημειακός απορροφητής. 28

30 iii) Ταλαντευόμενοι Μετατροπείς Κύματος (oscillating wave surge converter): Οι διατάξεις αυτού του είδους βασίζουν την λειτουργία τους στην κίνηση μάζας νερού εξαιτίας των κυμάτων, εκμεταλλευόμενες το φαινόμενο της ρήχωσης κατά το οποίο οι τροχιές κίνησης των μορίων του νερού γίνονται ελλειπτικές. Για αυτό το λόγο εγκαθίστανται σε παράκτιες περιοχές όπου το βάθος της θάλασσας είναι μικρό. Στοιχίζονται κάθετα στα επερχόμενα κύματα. Κατά κανόνα έχουν έναν βραχίονα ή ένα πτερύγιο, που ταλαντώνεται καθώς περνούν τα κύματα. Οι διατάξεις αυτές συνήθως είναι πακτωμένες στον βυθό, ενώ πλωτές συσκευές αυτής της τεχνολογίας βρίσκονται υπό ανάπτυξη. Εικόνα 26: Ταλαντευόμενοι μετατροπείς κύματος. iv) Μετατροπείς Ταλαντευόμενης Στήλης Νερού (Oscillating Water Column, OWC): Οι διατάξεις αυτής της τεχνολογίας λειτουργούν σαν ένα έμβολο και χρησιμοποιούν την ενέργεια των κυμάτων για να περιστρέφουν μια γεννήτρια και να παράξουν ηλεκτρισμό. Αποτελούνται από τρία κυρίως μέρη. Ένα θάλαμο μερικώς βυθισμένο στο νερό στον οποίο υπάρχει νερό και παγιδευμένος αέρας, ένα άνοιγμα στο μέρος του θαλάμου κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας και έναν αεροστρόβιλο. Τα κύματα που φθάνουν στην συσκευή προκαλούν την κατακόρυφη ταλάντωση της στάθμης του νερού που βρίσκεται στον θάλαμο. Καθώς η στάθμη του νερού ανεβαίνει, αυξάνεται η πίεση μέσα στο θάλαμο και ο αέρας εξέρχεται από το θάλαμο οδηγώντας τον στρόβιλο της γεννήτριας. Αντιστρόφως, καθώς η στάθμη του νερού κατεβαίνει η ροή του αέρα αναστρέφεται και ο αέρας εισέρχεται στον θάλαμο. 29

31 O ηλεκτρισμός παράγεται από της περιστροφής του στροβίλου λόγω της συμπίεσης και αποσυμπίεσης του αέρα του θαλάμου. Η τεχνολογία των συσκευών ταλαντευόμενης στήλης νερού μπορεί να εφαρμοσθεί σε κατασκευές κατά μήκος της ακτογραμμής, αλλά και σε τεχνητούς κυματοθραύστες ή σε πλωτές κατασκευές αγκυροβολημένες σε υπεράκτιες κατασκευές. Εικόνα 27: Μετατροπέας ταλαντευόμενης στήλης κύματος. v) Συσκευές υπερύψωσης (overtopping devices): Οι συσκευές υπερύψωσης, γνωστές και ως καταληκτικές συσκευές (terminators), μετατρέπουν την κυματική ενέργεια σε δυναμική και την χρησιμοποιούν για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Μέσω ράμπας που είναι ενσωματωμένη στις συσκευές αυτού του τύπου, ανυψώνουν και δεσμεύουν νερό από τα κύματα, το αποθηκεύουν σε δεξαμενή που τοποθετείται πάνω από την στάθμη της θάλασσας και τελικά το επιστρέφουν μέσω υδροστροβίλων στην θάλασσα παράγοντας έτσι ηλεκτρισμό. Οι συσκευές αυτού του τύπου μπορεί να είναι είτε σε υπεράκτια περιοχή είτε στην ακτή. Εικόνα28: Μετατροπείς υπερύψωσης. 30

32 vi) Συσκευές Διαφορικής πίεσης (Submerged pressure differential devices): Οι συσκευές διαφορικής πίεσης βασίζονται στην παλλόμενη υδροδυναμική πίεση που προκαλείται από τα διερχόμενα κύματα και εκμεταλλευόμενες τις διαφορές στην πίεση παράγουν ηλεκτρισμό. Οι συσκευές της τεχνολογίας αυτής μπορούν να είναι είτε πλωτές είτε πλήρως βυθισμένες. Στις υποβρύχιες συσκευές, που είναι συνήθως προσαρμοσμένες στον πυθμένα, ασκούνται κάθετες δυνάμεις που οφείλονται στο διερχόμενο από πάνω τους κύμα. Μόλις περάσει το κύμα οι δυνάμεις παύουν να ασκούνται. Οι συσκευές αντιλαμβάνονται την διαφορά πίεσης που προκαλείται από την άνοδο και πτώση των κυμάτων και την χρησιμοποιούν για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Οι πλωτές συσκευές χρησιμοποιούν την αυξανόμενη πίεση από τα διερχόμενα κύματα για να συμπιέσουν αέρα μέσω μιας γεννήτριας και παράγουν ηλεκτρισμό. Εικόνα 28: Μετατροπείς διαφορικής πίεσης. 31

33 vii) Μετατροπείς Περιστρεφόμενης Μάζας (Rotating Mass): Οι συσκευές περιστρεφόμενης μάζας χρησιμοποιούν την κίνηση των κυμάτων για να ασκήσουν δυνάμεις σε μια πλωτή συσκευή η οποία περιέχει μια έκκεντρη μάζα η οποία υπό την επίδραση της κίνησης της πλωτής συσκευής περιστρέφεται. Αυτή η περιστροφή αξιοποιείται για την οδήγηση μια γεννήτριας που εμπεριέχεται και αυτή στην πλωτή συσκευή και παράγει ρεύμα. Εικόνα 29: Μετατροπείς στρεφόμενης μάζας. Άλλες Υπάρχουν συσκευές οι οποίες δεν εμπίπτουν σε καμία από τις παραπάνω κατηγορίες και χρησιμοποιούν καινοφανείς ή αντισυμβατικές τεχνολογίες. 32

34 6. Υπό λειτουργία Μετατροπείς Κυματικής Ενέργειας Παρότι συσκευές μετατροπής κυματικής ενέργειας σχεδιάζονται και δοκιμάζονται για περίπου τρεις δεκαετίες, δεν έχουν ακόμα φθάσει σε ώριμη εμπορική μορφή όπως συμβαίνει με άλλες ΑΠΕ. Αυτό οφείλεται στο σκληρό και αφιλόξενο θαλάσσιο περιβάλλον στο οποίο καλούνται να λειτουργήσουν. Το ενδιαφέρον όμως παραμένει αμείωτο και αρκετές συσκευές έχουν ξεπεράσει το αρχικό πειραματικό στάδιο και εγκαθίστανται ως βιομηχανικά πρωτότυπα πλήρους κλίμακας σε πεδία δοκιμών, κυρίως στην βόρεια θάλασσα και τον ατλαντικό. 6.1 Pelamis Ο μετατροπέας κυματικής ενέργειας Pelamis είναι δημιούργημα της εταιρίας Pelamis Wave Power Ltd, που ιδρύθηκε το 1998 στο Εδιμβούργο. Πήρε το όνομά του από την επιστημονική ονομασία ενός θαλάσσιου φιδιού που συναντάται σε τροπικά νερά. Πρόκειται για έναν μετατροπέα τύπου εξασθενητή. Είναι μια αρθρωτή διάταξη που αποτελείται από έναν αριθμό σωληνοειδών τμημάτων που συνδέονται με ελεύθερες αρθρώσεις. Εικόνα 30: Ελεύθερες αρθρώσεις (universal joints) 33

35 Κάθε τμήμα περιέχει τον δικό του εξοπλισμό μετατροπής ενέργειας που αποτελείται από υδραυλικούς κυλίνδρους, συσσωρευτές υψηλής πίεσης και έναν κινητήρα συνδεδεμένο με μια γεννήτρια. Εικόνα 31: Εξοπλισμός μετατροπής ενέργειας στο εσωτερικό του σωληνοειδούς τμήματος. Η διάταξη είναι σχεδιασμένη να αντιδρά στην καμπυλότητα των κυμάτων και όχι στο ύψος τους. Η κίνηση των τμημάτων του γίνεται σε δύο άξονες κάθετους μεταξύ τους που έχουν περιστραφεί μοίρες από την οριζόντια και κάθετη θέση. Εικόνα 32: Άξονες κίνησης των αρθρώσεων. 34

36 Ο άξονας x ονομάζεται άξονας ταλάντωσης (sway axis) και ο άξονας y ονομάζεται άξονας ανύψωσης (heave axis). Καθώς έρχεται αντιμέτωπο με τα κύματα, τα τμήματά του κινούνται στους δύο άξονες αλλά συναντούν αντίσταση από τα εγκατεστημένα υδραυλικά έμβολα τα οποία στέλνουν υδραυλικά υγρά υψηλής πίεσης μέσω συσσωρευτών εξομάλυνσης στους υδραυλικούς κινητήρες οι οποίοι είναι συζευγμένοι με ηλεκτρογεννήτριες. Εικόνα 33: Σχεδιάγραμμα αλληλεπίδρασης με τα κύματα. Το Pelamis λόγω της χαλαρής αγκυροβόλησης της μιας μόνο άκρης του και του μακρόστενου σχήματός του μπορεί να στρέφεται έτσι ώστε να διατηρείται πάντα παράλληλο στην κατεύθυνση των κυμάτων. Έχει μικρή μετωπική διατομή και απορροφά ενέργεια σε όλο το μήκος του. Με αυτό τον τρόπο το πλάτος σύλληψης της συσκευής είναι πολύ μεγαλύτερο από τις πραγματικό της πλάτος. Η διάταξη είναι σχεδιασμένη για υπεράκτια εγκατάσταση σε βαθιά νερά. Η κατασκευή του γίνεται στην ξηρά σε ασφαλείς συνθήκες. Είναι σημαντικό για την αξιοπιστία της συσκευής ότι βασίζεται σε εδραιωμένη τεχνολογία. 35

37 Έχει το πλεονέκτημα να μπορεί να μεταβάλει την ελευθερία κίνησης στους δύο άξονές του και έτσι να αποφεύγει την επίτευξη συντονισμού σε ακραίες συνθήκες που θα μπορούσε να απειλήσει την επιβιωσιμότητα της συσκευής. Εικόνα 34: Μεταβάλει την ελευθερία κίνησης στους δύο άξονές. Το 2004 το Pelamis P1 εγκαταστάθηκε στις περιοχή δοκιμών του Ευρωπαϊκού Κέντρου Θαλάσσιας Ενέργειας και έγινε το πρώτο υπεράκτιο WEC που τροφοδότησε το ηλεκτρικό δίκτυο του Ηνωμένου Βασιλείου. Σήμερα η κατασκευάστρια εταιρία έχει προχωρήσει στην ανάπτυξη του μοντέλου Pelamis P2 το οποίο έχει μήκος 180 μέτρα, διάμετρο 4 μέτρα και αποτελείται από πέντε σωληνοειδή τμήματα. Η ονομαστική του ισχύς είναι 750 kw και με έλεγχο της κίνησης του στους δύο άξονές του αποφεύγει την υπερφόρτισή του. Τα υδραυλικά υγρά του συστήματος απελευθερώνονται από τους συσσωρευτές υψηλής πίεσης σε υδραυλικούς κινητήρες οι οποίοι οδηγούν τριφασικές γεννήτριες με ονομαστική ισχύ 125 kw. 36

38 Εικόνα 35: Το Pelamis P2 σε χώρο δοκιμών στο EMEC. Είναι σχεδιασμένο για να λειτουργεί σε βάθος 50 μέτρων ή μεγαλύτερο και χρησιμοποιεί χαλαρή αγκυροβόληση. Βρίσκεται σε υπεράκτιες περιοχές σε απόσταση 2-10 χιλιόμετρα από την ακτή. Ο παραγόμενος ηλεκτρισμός από τα πέντε τμήματα μεταφέρεται στο μη αγκυροβολημένο άκρο του Pelamis όπου ανυψώνεται στα 6,6 kv πριν μεταφερθεί με υποθαλάσσιο καλώδιο στην ακτή. Το σύστημα δυναμοληψίας του Pelamis μετατρέπει την παλμικής φύσης κυματική ενέργεια σε σταθερή ηλεκτρική ενέργεια ικανή να τροφοδοτήσει το διασυνδεδεμένο δίκτυο. 37

39 6.2 PowerBuoy Πρόκειται για έναν μετατροπέα κυματικής ενέργειας που ανήκει στην κατηγορία των σημειακών απορροφητών. Κατασκευάζεται από την αμερικάνικη εταιρία Ocean Power Technologies που ιδρύθηκε το 1984 στο Νιού Τζέρσεϊ. Αρχικά η εταιρία κατασκεύαζε συσκευές σχετικά χαμηλής ισχύος της τάξης των 40 kw που στοχεύουν στην αγορά των αυτόνομων θαλάσσιων εφαρμογών που περιλαμβάνουν θαλάσσια ασφάλεια, επιχειρήσεις πετρελαίου και ωκεανογραφικές μελέτες. Τα τελευταία χρόνια η εταιρία έχει προχωρήσει στην κατασκευή συσκευών μεγαλύτερης ισχύος. Μέχρι το 2012 είχε κατασκευάσει το PB150, μια διασυνδεδεμένη συσκευή με ονομαστική ισχύ 150 kw ενώ σε προχωρημένο στάδιο ανάπτυξης βρίσκεται και η συσκευή που ονομάζεται PowerTower ή Mark-4, ονομαστικής ισχύος 500 kw. Εικόνα 36: PB 150 Οι συσκευές αυτές είναι στην ουσία πλωτές σημαδούρες αγκυροβολημένες στον πυθμένα που κινούνται υπό την επίδραση των κυμάτων. Αποτελούνται από ένα πλωτό μέρος, έναν στύλο και μια πλάκα. Το πλωτό μέρος ανεβοκατεβαίνει εξαιτίας των κυμάτων. Η σχετική κίνηση ανάμεσα στην πλωτή σημαδούρα και τον στύλο ο οποίος παραμένει σταθερός λόγω των δυνάμεων που του ασκεί η ανυψωτική πλάκα, οδηγεί ένα μηχανικό σύστημα που είναι εγκατεστημένο στον στύλο. Το σύστημα αυτό μετατρέπει την γραμμική κίνηση σε περιστροφική και οδηγεί μια ηλεκτρογεννήτρια. Στον στύλο υπάρχει χώρος για μπαταρίες ώστε να 38

40 επιτυγχάνεται παροχή ισχύος από τις συσκευές PowerBuoy ακόμα και σε παρατεταμένες περιόδους απουσίας κυματισμού. Στις συσκευές αυτής της τεχνολογίας το μέγεθος του πλωτού μέρους παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην κίνηση τους. Η ανυψωτική κίνηση του μετατροπέα μπορεί να περιοριστεί σημαντικά αν το μήκος το πλωτού τμήματος ξεπεράσει το ένα πέμπτο του μήκους των κυμάτων με τα οποία αλληλεπιδρά, με προφανείς συνέπειες στην αποδοτικότητα τους. Από τις δοθείσες διαστάσεις του PB150 αντιλαμβανόμαστε ότι είναι κατάλληλο για κύματα μεγάλου μήκους. 39

41 Εικόνα 37: Διάγραμμα του PowerBuoy. 40

42 Η συσκευή PB 150 που εγκαταστάθηκε το 2011 στα ανοιχτά της Σκωτίας είναι σχεδιασμένο για λειτουργία σε βάθος 55 μέτρων ή και μεγαλύτερο. Όταν τοποθετηθεί στην κάθετη θέση εκτείνεται σε βάθος 35 μέτρων κάτω από την στάθμη της θάλασσας, ενώ η διάμετρος του πλωτού τμήματός του είναι φθάνει τα 11 μέτρα. Εικόνα 38: Διαστασιολογημένο διάγραμμα του PB150. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της συσκευής είναι ότι χάρη στην αξονική συμμετρία που εμφανίζει είναι δυνατό να αλληλεπιδρά με κύματα ανεξαρτήτως της κατεύθυνσης αυτών. Αποτέλεσμα είναι το πλάτος σύλληψης της συσκευής να είναι μεγαλύτερο από τις φυσικές του διαστάσεις αφού η συσκευή αλληλεπιδρά με όλο το περιβάλλον κυματικό πεδίο. Είναι σχεδιασμένο να παράγει ηλεκτρισμό αλληλεπιδρώντας με κύματα Σημαντικού Ύψους Κύματος (SWH) ενός έως έξι μέτρων. Κατά την διάρκεια των δοκιμών του, που έλαβαν χώρα στην Βόρεια θάλασσα, σε έξι μήνες παρήγαγε 45 kw κατά μέσο όρο με αλληλεπίδραση με κύματα σημαντικού ύψους κύματος 2 μέτρων. Στην περίπτωση του PB150 η εναλλασσόμενη έξοδος της γεννήτριας του ανορθώνεται στα 575 V για 50 Ηz ή 600 V για 60 Ηz, ώστε να είναι κατάλληλη για σύνδεση με το δίκτυο. 41

43 6.3 WaveStar Το WaveStar είναι ένας μετατροπέας κυματικής ενέργειας που ανήκει στην κατηγορία των σημειακών απορροφητών και τοποθετείται σε υπεράκτιες περιοχές σε απόσταση km από την ακτή. Κατασκευάζεται από την εταιρία Wave Star Energy από Η ιδέα για τον σχεδιασμό της συσκευής ανήκει στους Niels και Keld Hansen. Χάρη στην πρωτοποριακή του σχεδίαση εκμεταλλεύεται την ενέργεια ολόκληρου του μήκους του κύματος. Αποτελείται από μια στενόμακρη πλατφόρμα στην κάθε πλευρά της οποίας υπάρχουν εγκατεστημένες 20 ημισφαιρικές σημαδούρες που έχουν ένα μέρος τους βυθισμένο στην θάλασσα. Κάθε σημαδούρα είναι συνδεδεμένη με έναν υδραυλικό κύλινδρο. Καθώς διέρχονται τα κύματα θα ανυψωθούν διαδοχικά οι σημαδούρες και θα σταλθεί υδραυλικό υγρό υπό πίεση στο σύστημα μετάδοσης. Με αυτό τον τρόπο τίθεται σε κίνηση ένας υδραυλικός κινητήρας συνδεδεμένος με μια ηλεκτρογεννήτρια και θα παραχθεί ηλεκτρισμός. Εικόνα 39: WaveStar Το 2004 ξεκίνησαν οι δοκιμές μοντέλου κλίμακας 1:40 σε δεξαμενή. Το 2005 κατασκευάστηκε μοντέλο κλίμακας 1:10 και εγκαταστάθηκε στην περιοχή Bredning Nissum. Οι συνολικά 40 ημισφαιρικές σημαδούρες έχουν διάμετρο 1m. Η εγκατεστημένη ηλεκτρογεννήτρια έχει ονομαστική ισχύ 5,5 kw. Από την εγκατάσταση του μοντέλου τον Απρίλιο του 2006 έχουν καταγραφεί περισσότερες από ώρες λειτουργίας. Τον Φεβρουάριο του 2010 έγινε σύνδεση του WaveStar με το εγκατεστημένο δίκτυο της περιοχής. Στα άμεσα σχέδια της ιδιοκτήτριας εταιρείας είναι η κατασκευή και εγκατάσταση στην Βόρεια θάλασσα ενός μοντέλου μεγάλης κλίμακας για βάθος 20 μέτρων. Οι ημισφαιρικές σημαδούρες θα έχουν διάμετρο 10m και η ηλεκτρογεννήτρια ονομαστική ισχύ 3MW. 42

44 6.4 Oyster Είναι ένας μετατροπέας κυματικής ενέργειας που αναπτύσσεται από την εταιρία Aquamarine Power η οποία ιδρύθηκε το 2005 και έχει έδρα το Εδιμβούργο. Ανήκει στην κατηγορία των Ταλαντευόμενων Μετατροπέων Κύματος. Έχει την μορφή ενός αρθρωτού πτερυγίου, συνδεδεμένου σε μια βάση εγκατεστημένη στον πυθμένα. Στην ουσία είναι μία μεγάλη αντλία που ενεργοποιείται από τα κύματα. Το πτερύγιο το οποίο έχει το μεγαλύτερο μέρος του κάτω από την στάθμη της θάλασσας κλυδωνίζεται μπρος πίσω υπό την επίδραση των κυμάτων ενεργοποιώντας με αυτόν τον τρόπο δύο υδραυλικά έμβολα. Τα έμβολα ωθούν υψηλής πίεσης νερό μέσω ενός κλειστού κυκλώματος και οδηγούν έναν υδραυλικό κινητήρα ο οποίος είναι συνδεδεμένος με μια ηλεκτρογεννήτρια. Εικόνα 40: Σχηματικό διάγραμμα του Oyster. Το πτερύγιο της συσκευής αποσπά ενέργεια από τα κύματα μετά από την σύγκρουση τους με αυτά και την μετατρέπει σε ροπή η οποία μεταφέρεται στα υδραυλικά έμβολα. Η συσκευή συνήθως εγκαθίσταται σε παράκτιες περιοχές σε βάθη μέτρων και απόσταση 0,5-1 χιλιόμετρο από την ακτή. Στην ακτή είναι εγκατεστημένος ο κινητήρας και η ηλεκτρογεννήτρια. Η πρώτη μεγάλης κλίμακας συσκευή αυτού του τύπου ήταν το Oyster 1 ονομαστικής ισχύος 315 kw το οποίο εγκαταστάθηκε το 2009 στην περιοχή του Ευρωπαϊκού Κέντρου Θαλάσσιας Ενέργειας για έρευνα και ανάπτυξη. 43

45 Εικόνα 41: Φωτογραφία του Oyster 1. Οι 6000 ώρες λειτουργίας του Oyster1 έδωσαν αρκετά στοιχεία στην κατασκευάστρια εταιρία ώστε να προχωρήσει στην ανάπτυξη του Oyster 800. Εικόνα 42: Φωτογραφία του Oyster 800. O δεύτερης γενιάς μετατροπέας κυματικής ενέργειας Oyster 800 βρίσκεται εγκατεστημένος στην περιοχή του Ευρωπαϊκού Κέντρου Θαλάσσιας Ενέργειας και λειτουργεί από το Αποτελείται από ένα αρθρωτό πτερύγιο πλάτους 26m και ύψους 12m και έχει ονομαστική ισχύ 800 kw. 44

46 Εικόνα 43: Το Oyster 800 σε λειτουργία. Στα άμεσα σχέδια της εταιρίας είναι η κατασκευή και εγκατάσταση δύο ακόμα όμοιων WEC ώστε να δημιουργηθεί μια εγκατάσταση συνολικής ισχύος 2.4 MW. Ο απώτερος στόχος είναι η κατασκευή εγκαταστάσεων συνδυασμένων κατασκευών Oyster 800 συνολικής εγκατεστημένης ισχύος άνω των 10 MW. Εικόνα 44: Πάρκο πολλαπλών συσκευών Oyster. Ο σχεδιασμός των μετατροπέων τύπου Oyster συνδυάζει τις δύο βασικές απαιτήσεις για ένα επιτυχημένο WEC, την αξιοπιστία και την επιβιωσιμότητα. Στην αξιοπιστία του WEC συμβάλουν τόσο η στιβαρή κατασκευή του πτερυγίου και του υδραυλικού συστήματος που περιέχουν ελάχιστα κινούμενα μέρη, όσο και το ότι τα ηλεκτρονικά και ηλεκτροπαραγωγικά στοιχεία της διάταξης βρίσκονται σε ασφαλείς εγκαταστάσεις στην ξηρά. Στην επιβιωσιμότητα της διάταξης συμβάλει η ίδια η μέθοδος εξαγωγής της κυματικής ενέργειας της συσκευής. Όπως ήδη αναφέραμε υπό την επίδραση των κυμάτων το πτερύγιο κινείται από την όρθια θέση προς τον βυθό. Σε καταστάσεις έντονου κυματισμού το πτερύγιο κατεβαίνει πιο βαθιά με αποτέλεσμα να περνούν κύματα πάνω από την συσκευή χωρίς να αλληλεπιδρούν με το πτερύγιο. Έτσι προστατεύεται ο 45

47 μετατροπέας χωρίς να υπάρχει η ανάγκη πολύπλοκών συστημάτων ελέγχου. Σημαντικό ρόλο παίζει και το γεγονός ότι το Oyster τοποθετείται σε σχετικά ρηχά νερά. Η τριβή στον βυθό και η θραύση των κυμάτων τείνουν να μειώνουν την ενέργεια τους σε σχέση με τα κύματα στις υπεράκτιες περιοχές, δημιουργώντας έτσι ένα φιλικότερο για την συσκευή περιβάλλον. Σε βαθιά νερά ο μέσος όρος της κυματικής ενέργειας είναι υψηλότερος όμως θα πρέπει να αντιληφθούμε ότι στον μέσο όρο αυτό συνυπολογίζονται ακραίες περιπτώσεις κυμάτων που δεν είναι δυνατό να αξιοποιηθούν από τα υπεράκτια WEC γιατί θα έθεταν σε κίνδυνο την επιβίωση τους. Παρότι λοιπόν οι ετήσιοι ενεργειακοί πόροι είναι σημαντικά μικρότεροι σε παράκτιες περιοχές, είναι μεγαλύτερο το ποσοστό της κυματικής ενέργειας που είναι εκμεταλλεύσιμο για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Δύο ακόμα σημαντικά πλεονεκτήματα που προσφέρει η εγκατάσταση σε παράκτιες περιοχές έχουν να κάνουν με την συμπεριφορά των κυμάτων καθώς μικραίνει το βάθος του νερού. Η διασπορά στην κατεύθυνση των κυμάτων μειώνεται όταν εισέρχονται σε ρηχά νερά με αποτέλεσμα η κυματική ενέργεια να έχει πιο σταθερή κατεύθυνση και έτσι εξαλείφεται η ανάγκη περιστροφής του Oyster. Επίσης σε ρηχά νερά παρουσιάζεται το φαινόμενο τις ρήχωσης (shoaling) που αυξάνει τις οριζόντιες δυνάμεις των κυμάτων κατά 50%. Όμως σε βάθος μικρότερο των 10 μέτρων τα πλεονεκτήματα από την ρήχωσης αντισταθμίζονται από την απώλεια κυματικής ενέργειας από την θραύση των κυμάτων. Πολύ σημαντικό για την αποδοτική λειτουργία του Oyster είναι σημαντικός ο σχεδιασμός και η κατασκευή του πτερυγίου. Ένα φαρδύ πτερύγιο είναι πιο αποδοτικό στην εξαγωγή κυματικής ενέργειας από ένα στενότερο. Όμως αν ένα πτερύγιο είναι πολύ φαρδύ τότε η απόδοση μειώνεται σε περίπτωση κυμάτων με μικρό μέτωπο ή σε περίπτωση που τα κύματα δεν προσκρούουν κάθετα στο πτερύγιο. Η αποδοτικότητα του πτερυγίου μπορεί να βελτιωθεί με την προσθήκη καμπυλωμένων άκρων. Πολύ σημαντικό είναι να μην υπάρχει διαρροή νερού κάτω ή μέσα από το πτερύγιο ειδικά σε περιπτώσεις χαλαρού ή μέτριου κυματισμού. Το πτερύγιο πρέπει να τοποθετείται κατά το δυνατόν πλησιέστερα στον πυθμένα ώστε να μεγιστοποιείται η ροπή. Στο Oyster 800 η κυματική ενέργεια μετατρέπεται σε περιστροφική ενέργεια ενός υδροστρόβιλου Pelton ο οποίος συνδέεται στον ίδιο άξονα με ένα βολάν και μια επαγωγική ηλεκτρογεννήτρια. Η ύπαρξη του βολάν χρησιμεύει στην αποθήκευση περιστροφικής ενέργειας, με αποτέλεσμα την ομαλή παράγωγη ηλεκτρισμού. 46

48 Εικόνα 45: Παραγωγή ηλεκτρισμού από την συσκευή Oyster. 6.5 WaveRoller Το WaveRoller είναι ένας μετατροπέας κυματικής ενέργειας που ανήκει στην κατηγορία των ταλαντευόμενων μετατροπέων κύματος και κατασκευάζεται από την εταιρεία AW Energy. Είναι μια παράκτια συσκευή που μετατρέπει την ενέργεια των κυμάτων σε ηλεκτρισμό. Αποτελείται από ένα πλήρως βυθισμένο πτερύγιο αγκυροβολημένο στον πυθμένα. Συνήθως είναι εγκατεστημένο σε απόσταση χιλιομέτρων από την ακτή σε βάθος 8-20 μέτρων. Εικόνα 46: Σχηματικό διάγραμμα του WaveRoller. Ένα WaveRoller έχει ονομαστική ισχύ 0,5-1 MW και ο συντελεστής απόδοσης του παίρνει τιμές αναλόγως τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. Η λειτουργία του βασίζεται στο φαινόμενο που είναι γνωστό ως ρήχωση (shoaling) το οποίο εμφανίζεται όταν τα κύματα πλησιάζουν την ακτή. Σε βαθιά νερά τα μόρια νερού των κυμάτων κινούνται γράφοντας κυκλικές τροχιές. Όσο όμως το βάθος του νερού μειώνεται ξεπερνώντας την κρίσιμη τιμή του μισού μήκους κύματος, οι τροχιές των μορίων του νερού γίνονται ελλειπτικές με αποτέλεσμα την οριζόντια κίνηση τους. Αυτό ενισχύει την οριζόντια ταλάντωση του νερού η οποία κινεί το WaveRoller και έτσι παράγεται ηλεκτρισμός. 47

49 Εικόνα 47: Το φαινόμενο της Ρήχωσης. Η κίνηση του πτερυγίου ενεργοποιεί τα υδραυλικά έμβολα τα οποία ωθούν υδραυλικά υγρά σε ένα κλειστό σύστημα. Τα υδραυλικά υγρά τροφοδοτούν έναν κινητήρα ο οποίος θα οδηγήσει την γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Τα στοιχεία του κλειστού συστήματος βρίσκονται εντός του WEC και έτσι δεν είναι εκτεθειμένα στο θαλάσσιο περιβάλλον ελαχιστοποιώντας τον κίνδυνο διαρροής. Ο παραγόμενος ηλεκτρισμός συνδέεται στο δίκτυο μέσω υποθαλάσσιου καλωδίου. Εικόνα 48: ΣυστοιχίαWaveRoller Είναι εφικτή η εγκατάσταση συστοιχίας δεκάδων WaveRoller σε μια περιοχή αφού οι απαιτήσεις χώρου της κάθε συσκευής είναι μικρές. Η κάθε συσκευή θα έχει την δική της γεννήτρια. Έχουν τη δυνατότητα να επιπλέουν χωρίς εξωτερική στήριξη. Όταν ρυμουλκηθούν στο επιλεγμένο σημείο εγκατάστασης γεμίζει νερό η βάση τους και βυθίζονται στον πυθμένα ώστε να ξεκινήσουν την λειτουργία τους. Για τις διαδικασίες συντήρησης τους, πρεσάρεται αέρας στην βάση τους και απομακρύνει το νερό ώστε να αναδυθεί η συσκευή στην επιφάνεια. 48

50 6.6 Limpet και Mutriku Οι Limpet και Mutriku αποτελούν δύο εγκαταστάσεις ακτογραμμής που ανήκουν στην κατηγορία των μετατροπέων ταλαντευόμενης στήλης νερού. Κατασκευάστηκαν από την εταιρία Voith Hydro Wavegen που έχει έδρα την Σκωτία. Το πρώτο είναι εγκατεστημένο στην περιοχή Islay της Σκωτίας και λειτουργεί από το Υπήρξε τον πρώτο εμπορικής κλίμακας μετατροπέα που συνδέθηκε σε δίκτυο. Το δεύτερο είναι μια πολύ μεγαλύτερη εγκατάσταση κατασκευή η οποία λειτουργεί από το 2011στην περιοχή Mutriku στην βόρεια ακτή της Ισπανίας μεταξύ του Σαν Σεμπάστιαν και του Μπιλμπάο. Limpet Ο μετατροπέας αυτός βρίσκεται στην δυτική όχθη του Islay, κατασκευασμένος σε μια τεχνητή εσοχή, 17 μέτρα εσωτερικότερα της φυσικής ακτογραμμής. Εικόνα 49: Φωτογραφία του επάκτιου WEC στην περιοχή Limpet. Η κοίλη κατασκευή επιτρέπει την είσοδο τον κυμάτων από μια υποθαλάσσια εσοχή. Τα κύματα ανεβαίνουν μέσω ενός κεκλιμένου κατά 40 ο επιπέδου (στήλη νερού) και προκαλούν την διαδοχική συμπίεση και αποσυμπίεση της στήλης αέρα που είναι εγκλωβισμένη σε θάλαμο της συσκευής και έτσι μετακινείται αέρας μπρος- πίσω μέσω του αγωγού στροβίλου συνδεδεμένου με ηλεκτρογεννήτρια. 49

51 Εικόνα 50: Διάγραμμα λειτουργίας του WEC. Σημαντικές ενέργειες έγιναν από την κατασκευάστρια εταιρία για την εξασφάλιση της ανθεκτικότητας της συσκευής στο σκληρό περιβάλλον που καλείται να λειτουργήσει. Η οροφή της εγκατάστασης ενισχύεται από εσωτερικά στηρίγματα τα οποία χωρίζουν την στήλη νερού σε τρείς θαλάμους από μπετόν, διαστάσεων 6*6m, ενώ ο μπροστινός τοίχος είναι αρκετά στιβαρός ώστε να αντέξει το σφυροκόπημα των κυμάτων. Το συνολικό εξωτερικό πλάτος των τριών θαλάμων φθάνει τα 21m. Το πάνω τμήμα των θαλάμων είναι εσωτερικά συνδεδεμένο και η παραγωγή ενέργειας γίνεται από μία μόνο γεννήτρια. Ο στρόβιλος, η γεννήτρια και τα ηλεκτρονικά μέρη της εγκατάστασης βρίσκονται στην ξηρά και δεν έρχονται σε επαφή με τα κύματα. Χρησιμοποιείται στρόβιλος Wells από ανοξείδωτο χάλυβα με διάμετρο 2,6m. Βασικό χαρακτηριστικό του στροβίλου Wells είναι ότι μπορεί να επιταχύνεται ή να επιβραδύνεται ανάλογα με την συμπίεση και αποσυμπίεση του αέρα αλλά ποτέ δεν αντιστρέφεται η φορά περιστροφής του. Αυτό το χαρακτηριστικό τον καθιστά κατάλληλο για να οδηγεί συμβατικές γεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας. Η έξοδος της γεννήτριας της εγκατάστασης εξομαλύνεται και αντιστρέφεται πριν από την σύνδεση με το δίκτυο. Ο θόρυβος που παράγεται από την ροή του αέρα μέσω των στροβίλων μειώνεται σε ειδικό ακουστικό θάλαμο πριν απελευθερωθεί στην ατμόσφαιρα. 50

52 Εικόνα 51: Στρόβιλος Wells. Mutriku Το 2004 αποφασίστηκε η κατασκευή ενός κυματοθραύστη μήκους 400 μέτρων για τη προστασία των πλοίων από τα κύματα στο λιμάνι της περιοχής Mutriku της Ισπανίας. Ο διαγωνισμός για την κατασκευή του συνέπεσε με την άνθηση του ενδιαφέροντος για την εκμετάλλευση της κυματικής ενέργειας και έτσι κατατέθηκε πρόταση για την κατασκευή μιας συνδυαστικής εγκατάστασης. Παρότι θεωρήθηκε ιδανική τοποθεσία για τον μετατροπέα κυματικής ενέργειας ταλαντευόμενης στάθμης νερού, η αδειοδότηση έγινε μόνο υπό την προϋπόθεση ότι δεν θα μειωθεί η απόδοση του κυματοθραύστη. Εικόνα 52: Φωτογραφία του WEC στην περιοχή Mutriku. 51

53 Αυτό κατέστησε το μέγεθος και την τοποθέτηση του WEC ιδιαίτερα σημαντική αφού υπήρχε ο φόβος ότι τα κύματα θα προσέκρουαν στην εγκατάσταση και μετά από ανάκλαση τους θα επέστρεφαν στην ανοιχτή θάλασσα δημιουργώντας προβλήματα στην ναυσιπλοΐα. Τελικά συμφωνήθηκε ότι 100 μέτρα του κυματοθραύστη, μακριά από τα κύρια κανάλια ναυσιπλοΐας θα μπορούσαν να τροποποιηθούν για την εγκατάσταση του μετατροπέα κυματικής ενέργειας. Σε αντίθεση με τον υπόλοιπο κυματοθραύστη που είναι κεκλιμένος, το τμήμα αυτό των 100 μέτρων θα παρουσίαζε ένα κάθετο ελαφρά καμπυλωτό μέτωπο. Έντονες προσπάθειες καταβλήθηκαν για τον λεπτομερή σχεδιασμό της κατασκευής και τον υπολογισμό της δυνητικής ενεργειακής απόδοσης του WEC. Το σχέδιο αποτελείται από16 θαλάμους ταλαντευόμενης στήλης ύδατος με υποθαλάσσια ανοίγματα για την είσοδο των κυμάτων. Οι θάλαμοι σκεπάζονται από 16 κάθετα τοποθετημένους στροβίλους Wells συνδεδεμένους με γεννήτριες ονομαστικής ισχύος 18,5 kwη κάθε μία. Η συνολική ισχύς του μετατροπέα φθάνει τα 296 kw. Η απόδοση κάθε WEC εξαρτάται κυρίως από τα κύματα. Στην περιοχή Mutriku η παράκτια ενεργειακή πυκνότητα μετρήθηκε στα 18 kw/m κατά την χειμερινή περίοδο και στα 5 kw/m την θερινή περίοδο. Μελέτες που έγιναν τόσο σε δοκιμαστικές δεξαμενές όσο και στο Limpet έδειξαν ότι ήταν εφικτή η παραγωγή 600 ΜWh τον χρόνο. Η τελική κατασκευή αποτελείται από 16 στροβίλους Wells συνδεδεμένους με αερόψυκτες γεννήτριες με προσαρτημένους εξασθενητές ήχου. Οι μεταβλητής συχνότητας επαγωγικές γεννήτριες που εγκαταστάθηκαν έχουν ονομαστική ισχύ 400 V έκαστη και συνδέονται σε δύο ομάδες των 8. Εικόνα 53: Εσωτερικό του κυματοθραύστη. Η μεταβαλλόμενη έξοδος των γεννητριών ανορθώνεται στα 13.2 kv για την τροφοδότηση του τοπικού δικτύου των 50 Hz. Το συνολικό κόστος της εγκατάστασης ανήλθε στα 2 εκατομμύρια ευρώ. 52

54 6.7 WaveDragon Ο συσκευή WaveDragon είναι ένας πλωτός μετατροπέας κυματικής ενέργειας που ανήκει στην κατηγορία των συσκευών υπερπήδησης και κατασκευάζεται από την εταιρία Wave Dragon Aps με έδρα την Δανία. Η βασική ιδέα πίσω από την συσκευή αυτή είναι να εφαρμοσθεί η ήδη γνωστή και δοκιμασμένη τεχνολογία των υδροηλεκτρικών εργοστασίων σε υπεράκτιες πλατφόρμες. Κατά την λειτουργία του WaveDragon τα κύματα που φθάνουν στην συσκευή ανυψώνονται μέσω μιας ειδικά σχεδιασμένης ράμπας και το νερό αποθηκεύεται σε μια δεξαμενή που βρίσκεται πάνω από την στάθμη της θάλασσας. Στην συνέχεια το νερό απελευθερώνεται και επιστρέφει στην θάλασσα μέσω υδροστροβίλων συνδεδεμένων με ηλεκτρογεννήτριες και έτσι παράγεται ηλεκτρισμός. Εικόνα 54: Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας του WaveDragon. Η τεχνολογία του είναι μοναδική από την άποψη ότι δεν υπάρχει ανώτατο όριο ύψους ή μήκους κύματος για την λειτουργία του. Σε αντίθεση με άλλα υπεράκτια WEC το WaveDragon είναι σχεδιασμένο να παραμένει στατικό. Δεν μετατρέπει την κυματική ενέργεια με κάποιου είδους κίνηση του, απλά εκμεταλλεύεται την δυναμική ενέργεια του νερού της δεξαμενής. Αυτή η τεχνική επιτρέπει να μην υπάρχουν άλλα κινούμενα μέρη εκτός των στροβίλων κάτι που συμβάλει στην επιβιωσιμότητα της συσκευής. Είναι ο πρώτος υπεράκτιος μετατροπέας κυματικής ενέργειας. Ο σχεδιασμός του WaveDragon ξεκίνησε το 1986 και την περίοδο ένα πρωτότυπο κλίμακας 1:50 τέθηκε υπό δοκιμή στο πανεπιστήμιο Aalborg της Δανίας. Τα αποτελέσματα της δοκιμαστικής περιόδου ήταν ενθαρρυντικά ώστε ξεκινήσει ένα κοινό ευρωπαϊκό πρόγραμμα με την συμμετοχή άλλων έξι χωρών, για τον σχεδιασμό και την κατασκευή ενός μεγαλύτερου, αλλά όχι πλήρους κλίμακας, 53

55 μοντέλου. Το νέο, κατασκευασμένο από ατσάλι, πρωτότυπο, κλίμακας 1:4.5, με βάρος 237 τόνους τοποθετήθηκε στην περιοχή Nissum Brending της Δανίας. Ο βαθμός κλίμακας της συσκευής, η οποία απεικονίζεται στο ακόλουθο σχήμα, επιλέχθηκε με κριτήριο το ήπιο κλίμα της περιοχής. Εικόνα 55: Σε λειτουργία. Οι ώρες λειτουργίας του συγκεκριμένου πρωτοτύπου έδωσαν δεδομένα που βοήθησαν τόσο στην εκτίμηση της απόδοσης της συσκευής όσο και στον επανασχεδιασμό τμημάτων του. Εικόνα 56: Τα μέρη του WaveDragon. Ένας πλήρους κλίμακας μετατροπέας WaveDragon κατασκευασμένος από σκυρόδεμα έχει βάρος που φθάνει τους τόνους και μήκος 300 μέτρα. Είναι σχεδιασμένος για να αγκυροβολείται σε βάθος μεγαλύτερο των 25 μέτρων όπου η ενεργειακή πυκνότητα των κυμάτων είναι μεγαλύτερη. Βέλτιστο βάθος εγκατάστασης θεωρούνται τα 40 μέτρα. Χρησιμοποιείται ο τύπος της χαλαρής αγκυροβόλησης με αλυσίδες. 54

56 Αποτελείται από μια πλατφόρμα που είναι το κυρίως μέρος του, δύο ανακλαστικά φτερά,μια κεκλιμένη ράμπα, τους υδροστρόβιλους και τις ηλεκτρογεννήτριες. Το κυρίως μέρος είναι ουσιαστικά μια πλωτή δεξαμενή η οποία έχει μεγάλες διαστάσεις και βάρος. Στην δεξαμενή αυτή, χωρητικότητας 8000 m 3, συγκεντρώνεται το νερό των κυμάτων που υπερπηδούν την συσκευή δημιουργώντας υδραυλική πίεση, λόγω της υψομετρικής διαφοράς της στάθμης της δεξαμενής από την στάθμη της θάλασσας. Τα ανακλαστικά φτερά συγκεντρώνουν τα κύματα και τα οδηγούν στην ράμπα ώστε ανυψωθούν και να αποθηκευτεί το νερό τους. Ουσιαστικά αποτελούν μια πηγή κυμάτων γιατί στέλνουν στην συσκευή κύματα που χωρίς τα ανακλαστικά φτερά θα είχαν περάσει χωρίς εκμετάλλευση. Συμβάλλουν σημαντικά στην μείωση του κόστους κατασκευής του WEC αφού χωρίς αυτά το κυρίως μέρος της συσκευής θα έπρεπε να έχει πολύ μεγαλύτερες διαστάσεις ώστε να διατηρήσει το ίδιο πλάτος σύλληψης. Τα ανακλαστικά φτερά μένουν προσκολλημένα στο κυρίως μέρος από το σύστημα αγκυροβόλησης και από ένα σύστημα καλωδίων. Μεταξύ του κυρίως μέρους και των ανακλαστικών φτερών τοποθετούνται φύλλα καουτσούκ. Η ράμπα δρα σαν μια απότομη ακτή. Τα κύματα συγκρούονται με αυτή και έτσι ανυψώνονται ευκολότερα στο ύψος της δεξαμενής. Μέσω της κεκλιμένης ράμπας η κινητική ενέργεια των κυμάτων μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια της στάθμης του νερού. Είναι διπλά καμπυλωτή (ελλειπτικά και κυκλικά) ώστε να μεγιστοποιείται η ποσότητα του νερού που υπερπηδά την συσκευή. Εικόνα 57: Τα ανακλαστικά φτερά 55

57 Οι υδροστρόβιλοι μέσω των οποίων επιστρέφει το νερό της δεξαμενής στην θάλασσα, μετατρέπουν την υδραυλική πίεση σε περιστροφική κίνηση. Μπορούν να λειτουργούν ανεξάρτητα ώστε να υπάρχει ομαλή παραγωγή ηλεκτρισμού ανάλογα με τις συνθήκες κυματισμού. Για αυτό και είναι προτιμότερο να μην εγκατασταθεί ένας μεγάλος στρόβιλος αλλά περισσότεροι και μικρότεροι. Οι στρόβιλοι του WaveDragon θα πρέπει να μπορούν να λειτουργούν σε ένα ασυνήθιστα μεγάλο εύρος υδραυλικής πίεσης καθώς αυξομειώνεται η στάθμη του νερού στην δεξαμενή. Ο τύπος στροβίλου που επιλέχθηκε για το WEC είναι ένας κάθετου άξονα στρόβιλος Kaplan που χρησιμοποιείται σε υδροηλεκτρικά εργοστάσια για περισσότερα από 80 χρόνια. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί σε ακαθαρσίες όπως π.χ. δίχτυα και πλαστικά, που επηρεάζουν την κίνηση τους και μειώνουν την απόδοση του μετατροπέα. Εικόνα 58: Στρόβιλος Kaplan Οι στρόβιλοι του WaveDragon θα περιστρέφονται με μεταβλητή αλλά μικρή ταχύτητα. Ο πιο αποδοτικός τρόπος ώστε να μετατραπεί αυτή η περιστροφική κίνηση σε ηλεκτρισμό είναι με την χρήση γεννητριών μόνιμου μαγνήτη που είναι συνδεδεμένες σε κάθε στρόβιλο. Η απόδοση της συσκευής εξαρτάται από το ύψος των κυμάτων, δηλαδή από το αν τα κύματα θα μπορέσουν να ξεπεράσουν το ύψος της δεξαμενής. Για την βελτιστοποίηση της απόδοσης το WaveDragon έχει εγκατεστημένο ένα σύστημα ελέγχου το οποίο χρησιμοποιεί πεπιεσμένο αέρα ώστε να πλέει στο κατάλληλο επίπεδο, ανάλογα με τον περιβάλλοντα κυματισμό. Σε ήπιο κυματισμό το WEC πλέει χαμηλά ώστε να υπερπηδάται από μικρού ύψους κύματα, ενώ σε περιπτώσεις έντονου κυματισμού ανυψώνεται ώστε να εκμεταλλευτεί τα υψηλά κύματα που φέρουν μεγαλύτερη ενέργεια. Στην 56

58 αύξηση του ποσοστού των κυμάτων που ανυψώνονται, άρα και στην απόδοση της συσκευής, παίζει ρόλο και το πόσο βαθιά φθάνει η ράμπα. Σε ρηχά νερά πρέπει να φθάνει στον πυθμένα ενώ σε βαθιά νερά πρέπει να είναι τόσο χαμηλά όσο και οι κοιλιές των κυμάτων που ανυψώνει. Σε βάθος μέτρων η ράμπα φθάνει τα μέτρα. Εκτιμάται ότι ένα πλήρους κλίμακας WaveDragon, κατασκευασμένο από σκυρόδεμα, βάρους τόνων και πλάτους 300 μέτρων δύναται να παράξει 7 MW σε θάλασσα με κύματα ενεργειακής πυκνότητας 36 kw/m. Εικόνα 59: Πίνακας χαρακτηριστικών του WaveDragon. 57

59 6.8 Ceto O μετατροπέας κυματικής ενέργειας Ceto ανήκει στην κατηγορία των μετατροπέων διαφορικής πίεσης. Οφείλει την ονομασία του στην ελληνίδα θεά Κητώ. Είναι ένας υποβρύχιος μετατροπέας ο οποίος στέλνει νερό σε υψηλή πίεση στην ακτή και με αυτό τον τρόπο παράγεται είτε ηλεκτρισμός είτε γλυκό νερό μέσω αφαλάτωσης. Η συσκευή αποτελείται από τον ενεργοποιητή, το καλώδιο, την αντλία και το σύστημα θεμελίωσης. Εικόνα 60: Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας του Ceto Ο ενεργοποιητής είναι ένας πλωτήρας βυθισμένος λίγα μέτρα κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας. Το συμμετρικό σχήμα του ενεργοποιητή χαρίζει ανεξαρτησία από την κατεύθυνση των κυμάτων. Λόγω της κίνησης των κυμάτων ο πλωτήρας ταλαντώνεται κάθετα. Στο κάτω άκρο της σημαδούρας είναι συνδεδεμένο το καλώδιο. Το άλλο άκρο του καλωδίου είναι συνδεδεμένο στην υδραυλική αντλία. Η κυματική ενέργεια που συλλαμβάνεται από την σημαδούρα μεταφέρεται στην αντλία μέσω του καλωδίου. 58

60 Η αντλία αποτελεί το σύστημα δυναμοληψίας του Ceto. Μετατρέπει την ενέργεια των κυμάτων σε υδραυλική πίεση και ωθεί θαλασσινό νερό στην ακτή μέσω του συνδεδεμένου αγωγού. Η ανάπτυξη αυτών των συσκευών ξεκίνησε το 1999 ενώ το πρώτο πρωτότυπο άρχισε να κατασκευάζεται το Η πρώτη συσκευή που κατασκεύασε η εταιρία, το Ceto 1 απέδειξε την θεωρία της. Την περίοδο δοκιμάσθηκε η δεύτερη γενιά, το Ceto2 στην περιοχή Fremantle. Μέχρι το 2011 είχε κατασκευαστεί και δοκιμασθεί στην περιοχή της νήσου Garden το Ceto3 ενώ στην συνέχεια αναπτύχθηκε και το τέταρτης γενιάς Ceto4. Το Ceto5 είναι ένας μετατροπέας με ονομαστική ισχύ 240 kw. Η διάμετρος του ενεργοποιητή στο Ceto5 ανέρχεται στα 11 μέτρα. Τα δεδομένα και η εμπειρία που συγκεντρώθηκαν από τις παραπάνω συσκευές οδήγησαν την εταιρία στο να αναπτύξει το Ceto6 που εμπεριέχει ορισμένες σημαντικές βελτιώσεις. Εικόνα 61: Το Ceto 6 Στην νέα αυτή συσκευή ο ενεργοποιητής που έχει την μεγαλύτερη επιρροή στην απόδοση της συσκευής έχει αυξηθεί σημαντικά, φθάνοντας τα 20 μέτρα. Σημαντική διαφοροποίηση σε σχέση με τις προηγούμενες συσκευές αποτελεί και το η ενσωμάτωση της παραγωγής ισχύος στον πλωτήρα και όχι στην ακτή. Λόγω αυτής της μετατροπής δεν είναι πια αναγκαίο το υδραυλικό σύστημα. 59

61 6.9 AWS-III Ο μετατροπέας κυματικής ενέργειας AWS-III ανήκει στην κατηγορία των μετατροπέων διαφορικής πίεσης και κατασκευάζεται από την εταιρεία AWS ocean energy. Η συσκευή έχει έναν απορροφητή από εύκαμπτη μεμβράνη χωρισμένο σε πολλές κυψέλες. Η λειτουργία του βασίζεται στην μετατροπή της διαφορικής πίεσης των διερχόμενων κυμάτων σε πεπιεσμένο αέρα. Συμπιέζοντας αέρα στις κυψέλες, ο αέρας αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να οδηγήσει έναν αεριοστρόβιλο. Μια τυπική συσκευή αποτελείται από συστοιχίες 9 κυψελών με πλάτος 16μ και βάθος 8μ έκαστη, που τοποθετούνται σε διάταξη που θυμίζει καταμαράν. Το βάρος μιας τέτοιας συσκευής αγγίζει τους 3500 τόνους. Τοποθετούνται σε βάθος περίπου 100 μέτρων χρησιμοποιώντας συνηθισμένες μεθόδους αγκυροβόλησης. Η μέση απόδοση της φθάνει τα 2.4 MW. Οι εύκαμπτοι απορροφητές είναι ιδιαίτερα αποδοτικοί και είναι τα μόνα κινούμενα μέρη του AWS-III που εκτίθενται στην θάλασσα. Εικόνα 62: Ο μετατροπέας κυματικής ενέργειας AWS-III 60

62 6.10 Penguin Πρόκειται για έναν μετατροπέα κυματικής ενέργειας που ανήκει στην κατηγορία των συσκευών στρεφόμενης μάζας. Αναπτύσσεται από το 2008 από την φινλανδική εταιρεία Wello Oy.Είναι ένα ασύμμετρο σκάφος που στεγάζει μια έκκεντρη στρεφόμενη μάζα και μια γεννήτρια, τοποθετημένες στον ίδιο κατακόρυφο άξονα. Εικόνα 63:Penguin Καθώς το σκάφος κινείται υπό την επίδραση των κυμάτων, περιστρέφεται η έκκεντρη μάζα και μέσω της γεννήτριας παράγεται ηλεκτρισμός. Η κατασκευάστρια εταιρεία πραγματοποίησε δοκιμές σε μοντέλα μικρότερης κλίμακας την περίοδο 2008 έως 2011, τα αποτελέσματα των οποίων την οδήγησαν στο να σχεδιάσει και να κατασκευάσει ένα πλήρους κλίμακας μοντέλο με ονομαστική ισχύ 1 MW. Η συσκευή αυτή ναυπηγήθηκε στην Ρίγα της Λετονίας από όπου ρυμουλκήθηκε το 2011, μέσω της βαλτικής θάλασσας, για απόσταση 2000 km, μέχρι την δοκιμαστική περιοχή του Ευρωπαϊκού Κέντρου Θαλάσσιας Ενέργειας στα ανοιχτά της Σκωτίας. Ο μετατροπέας κυματικής ενέργειας Penguin είναι ένα ασύμμετρο σκάφος βάρους 1600 τόνων. Στο βάρος αυτό συμπεριλαμβάνονται και 1300 τόνοι έρματος. Έρμα ονομάζεται το σύνολο των βαρών που τοποθετείται για να αυξηθεί η ευστάθειά τους. Το μήκος της συσκευής είναι 30 μέτρα και ο ύψος της 9 μέτρα από τα οποία τα 2 είναι πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. 61

63 Εικόνα67: To Penguinσε λειτουργία. Για την κατασκευή του χρησιμοποιείται ατσάλι και εφαρμόζονται γνωστές τεχνικές ναυπήγησης. Όλα τα λειτουργικά μέρη της συσκευής βρίσκονται μέσα στο σκάφος κάτι που συμβάλει στην επιβιωσιμότητα της συσκευής. Η έκκεντρη μάζα, η οποία ζυγίζει 120 τόνους και μπορεί να αυξηθεί στους 200 τόνους, στρέφεται συνεχώς αναζητώντας το χαμηλότερο σημείο τόσο υπό την επίδραση της βαρύτητας όσο και λόγω της απόκλισης του άξονα της από την κάθετη θέση. Για κάθε κύμα, η έκκεντρη μάζα κάνει μια πλήρη περιστροφή αναπτύσσοντας περιστροφική ταχύτητα που εξαρτάται από την συχνότητα των κυμάτων και είναι της τάξης των 5-15 rpm. Για την αποδοτικότερη λειτουργία του WEC είναι εγκατεστημένο ένα σύστημα ελέγχου το οποίο αυξάνει την ροπή στον άξονα. Η μηχανική ισχύς είναι ως γνωστό ανάλογη της ροπής της μηχανής. Η αύξηση της ροπής επιτυγχάνεται με την εισαγωγή μιας καθυστέρησης φάσης μεταξύ της στιγμιαίας θέσης της μηχανής και της γωνίας κλίσης του άξονα. Για μικρά κύματα η καθυστέρηση είναι σχεδόν μηδενική αλλά για υψηλά κύματα φτάνει τις 90 ο.η απευθείας συνδεδεμένη με την γεννήτρια έκκεντρη μάζα λειτουργεί και ως βολάν. Η γεννήτρια του Penguin είναι μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη 40 πόλων. Το εύρος της περιστροφικής ταχύτητας του δρομέα της έχει σαν αποτέλεσμα η γεννήτρια να παράγει έξοδο μεταβαλλόμενης συχνότητας η οποία ανορθώνεται από ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος και κατόπιν στέλνεται στην ξηρά μέσω υποθαλάσσιου καλωδίου των 11 kv. 62

64 Μέρος Β Ελληνικό Κυματικό Δυναμικό 63

65 7.Δεδομένα Κυματικού Δυναμικού της Ελλάδος Η ύπαρξη διαθέσιμων δεδομένων μεγάλης διάρκειας για τον άνεμο και τα κύματα σε υπεράκτιες και παράκτιες περιοχές είναι πολύ σημαντική για πολλές θαλάσσιες εφαρμογές και δραστηριότητες όπως ο σχεδιασμός και η κατασκευή υπεράκτιων και παράκτιων δομών και η εκτίμηση της δυνατότητας αξιοποίησης του αιολικού και κυματικού δυναμικού συγκεκριμένων περιοχών. Ο βέλτιστος σχεδιασμός ενός μετατροπέα κυματικής ενέργειας (WEC) βασίζεται στην ποσοτική περιγραφή του κυματικού και αιολικού κλίματος μιας συγκεκριμένης περιοχής. Η ανάλυση του αιολικού και κυματικού κλίματος εξετάζει κυρίως την στατιστική συμπεριφορά των κύριων παραμέτρων τους, όπως η ταχύτητα και κατεύθυνση του ανέμου, το σημαντικό ύψος κύματος και η περίοδος του κύματος, καθώς και την χωρική και χρονική μεταβολή τους. Δεδομένα μακράς περιόδου και εκτεταμένης γεωγραφικής περιοχής συνήθως συνοψίζονται στην μορφή ενός κυματικού άτλαντα. Οι δύο κύριες πηγές πληροφοριών για τα κύματα είναι τα δεδομένα έμμεσων ή άμεσων μετρήσεων και τα αποτελέσματα αριθμητικών μοντέλων. Οι άμεσες (επιτόπιες) μετρήσεις παρέχουν έγκυρα δεδομένα αλλά δεν είναι διαθέσιμες σε πολλά σημεία. Οι έμμεσες (απομακρυσμένες) μετρήσεις προέρχονται από δορυφόρους και καθώς εξελίσσονται είναι ιδιαίτερα ακριβείς και διαθέσιμες για μεγάλο εύρος περιοχών. Τα αριθμητικά μοντέλα χρησιμοποιούν ως δεδομένα τα πεδία ανέμων πάνω από τη θαλάσσια λεκάνη και υπολογίζουν το φάσμα κύματος σε κάθε κόμβο του πλέγματος με το οποίο έχει διακριτοποιηθεί η περιοχή. Τα τελευταία 20 χρόνια έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες χαρτογράφησης του κυματικού δυναμικού και ανάπτυξης πακέτων για τον υπολογισμό παράκτιων κυματικών δυναμικών. Σε ευρωπαϊκό επίπεδο, ο WERATLASή WaveEnergy Resource Atlas (Pontes, 1998) αναπτύχτηκε από μια ομάδα 7 ιδρυμάτων προερχόμενων από 6 χώρες και περιγράφει το κυματικό δυναμικό βαθέων υδάτων του Ατλαντικού και των ακτών της Μεσογείου. Ακόμη, το WorldWaves (Barstow et al., 2003) είναι ένα πακέτο που περιλαμβάνει μια παγκόσμια βάση δεδομένων για υπεράκτια κύματα, στοιχεία βαθυμετρίας, και μοντέλα παράκτιας διάδοσης των κυμάτων. Για τον ελληνικό θαλάσσιο χώρο, τα αιολικά και κυματικά δεδομένα προέρχονται: (α) από μεταγενέστερες εκτιμήσεις (δεδομένα hindcast) από το κυματικό μοντέλο WAM και (β)από τις επιτόπιες μετρήσεις από πλωτούς σταθμούς του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ. 64

66 7.1 Δεδομένα hindcast του μοντέλουwam Ο όρος hindcast χρησιμοποιείται τόσο στην μετεωρολογία όσο και την ωκεανογραφία και αναφέρεται σε μοντέλα πρόβλεψης. Είναι ένας τρόπος ελέγχου ενός μαθηματικού μοντέλου. Γνωστά δεδομένα παλαιότερων γεγονότων εισάγονται στο μαθηματικό μοντέλο και εξετάζεται αν επιβεβαιώνεται το ήδη γνωστό αποτέλεσμα. Εικόνα 64: Διαδικασία Hindcast. Το Αιγαίο πέλαγος τοποθετείται γεωγραφικά στην βορειοανατολική Μεσόγειο καλύπτοντας μια έκταση 240,000 km 2. Στα βόρεια και δυτικά περιβάλλεται από την ελληνική ηπειρωτική χώρα, στα ανατολικά από τα μικρασιατικά παράλια και στο νότο από τα νησιά του Κρητικού τόξου. Εικόνα 65: Ανάγλυφος χάρτης της Ελλάδας. 65

67 Η περίπλοκη τοπογραφική δομή της ακτογραμμής του Αιγαίου και η ύπαρξη περισσότερων από 2000 νησιών διαφόρων μεγεθών έχει ως συνέπεια η μορφολογία του βυθού να παρουσιάζει απότομες και συχνές μεταβολές. Λόγω της πολύπλοκης βαθυμετρίας του Αιγαίου, η χρήση hindcast δεδομένων που προέρχονται από αριθμητικά μοντέλα υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης είναι ο μόνος τρόπος να παρουσιασθούν με ακρίβεια τα κύρια χαρακτηριστικά του αιολικού και κυματικού κλίματος των ελληνικών θαλασσών. Τα κυματικά δεδομένα hindcast προέρχονται από το 3 ης γενιάς κυματικό μοντέλο WAM-Cycle 4, που αναπτύχθηκε στο Max Planck-Institute της Γερμανίας με χωρική ανάλυση 0.1ºx0.1º (περίπου 9x11 km) και χρονική ανάλυση 3 ωρών. Τα αιολικά δεδομένα hindcast προέρχονται από το μη υδροστατικό μοντέλο καιρού SKIRON-ETA. Η χωρική ανάλυση του μοντέλου ορίσθηκε σε 0.1 ο x0.1 ο και το χρονικό βήμα των αριθμητικών ολοκληρώσεων στα 36sec. Η κάθετη δομή του μοντέλου αποτελείται από 38 επίπεδα που εκτείνονται από την επιφάνεια ως την κορυφή του μοντέλου στα km. Τα μετεωρολογικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό των αρχικών και οριακών συνθηκών του μοντέλου προέρχονται από το ECMWF. Τα δεδομένα είναι διαθέσιμα σε χωρική ανάλυση 0.5 ο x0.5 ο και σε 16 πρότυπα επίπεδα πίεσης (100, 925, 850, 700, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 20, 10 hpa) κάθε 6 ώρες (00, 06, 12, 18 UTC). Τα δεδομένα που συλλέγονται αφορούν την θερμοκρασία και την υγρασία στα 4 στρώματα του εδάφους (που ορίζονται στα βάθη 7cm, 28 cm, 100 cm, 255 cm) και την θερμοκρασία της επιφάνειας της θάλασσας. Ακόμα, χρησιμοποιούνται τα πεδία που παράγονται κατά την επιχειρησιακή χρήση του ECMWF και λαμβάνονται μέσω του MARS (Μετεωρολογικό αρχείο και ανάκτηση συστήματος). H περιοχή εφαρμογής του μοντέλου εκτείνεται από 7 ο W ως 42 ο Ε και 30,25 ο Ν ως 45,25 ο Ν, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Εικόνα 66:Περιοχή εφαρμογής του μοντέλου WAM-Cycle 4 66

68 Το κυματικό μοντέλο WAM-Cycle 4 υπολογίζει την χωρική και χρονική εξέλιξη του κυματικού φάσματος λαμβάνοντας υπόψη την δημιουργία κύματος λόγω ανέμου, τη διάθλαση του κύματος λόγω αλλαγής βάθους και της παρουσίας ρευμάτων, καθώς και την απώλεια ενέργειας λόγω θραύσης του κύματος ή τριβής με τον πυθμένα. Η βαθυμετρία είναι προσαρμοσμένη στην χωρική ανάλυση του πλέγματος με διγραμμική παρεμβολή της παγκόσμιας βαθυμετρίας/τοπογραφίας ETOPO 2 με χωρική ανάλυση των 2 (κάθε 1 αντιστοιχεί σε 1852m στον Ισημερινό) και κατακόρυφη ακρίβεια 1m. Σε περιπτώσεις που κρίνεται απαραίτητο γίνονται διορθώσεις με βάση τους ναυτικούς χάρτες της Υδρογραφικής Υπηρεσίας του Πολεμικού Ναυτικού. Η φασματική συχνότητα ανάλυσης του μοντέλου ορίστηκε σύμφωνα με την λογαριθμική κατανομή fi+1=1,1fi,όπου η ελάχιστη συχνότητα ορίστηκε στα 0,05 Hz και η μέγιστη στα 0,793 Hz (30 συχνότητες συνολικά). Το σημαντικό ύψος κύματος και η μέση κατεύθυνση κύματος λαμβάνονται ως ολοκληρωμένα προϊόντα από τα φάσμα του κύματος ενώ η περίοδος κορυφής προέρχεται από την κατανομή του φάσματος. Τα αποτελέσματα του κυματικού μοντέλου διορθώνονται με συνδυασμό δεδομένων από επιτόπιες κατάλληλα επεξεργασμένες μετρήσεις που συλλέγονται από ωκεανογραφικές πλατφόρμες του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ. Το μοντέλο WAM τείνει να υποεκτιμά τις τιμές Hs σε όλη τη περιοχή της Μεσογείου, ενώ οι τιμές της κυματικής ισχύος που υπολογίζει μπορεί να είναι χαμηλότερες μέχρι και 50% σε σχέση με τις πραγματικές τιμές. Οι σχέσεις που χρησιμοποιούνται για την διόρθωση του σημαντικού ύψους κύματος και της περιόδου κορυφής είναι: Ĥs,wam=1.15HS,WAM T P,WAM=1.07TP,WAM όπου οι μεταβλητές Χ δηλώνουν τις διορθωμένες τιμές του αριθμητικού μοντέλου ενώ οι μεταβλητές Χ δηλώνουν τις αρχικές τιμές. Η περιοχή μελέτης για τον υπολογισμό της κυματικής ενέργειας στις ελληνικές θάλασσες από hindcast δεδομένα, ορίζεται από τα εξής σημεία (42.25Ν, 19.00Ε), (42.25Ν, 30.00Ε), (30.25Ν, 19.00Ε),(30.25Ν, 30.00Ε). 67

69 Εικόνα 67: περιοχή μελέτης για τον υπολογισμό της κυματικής ενέργειας στις ελληνικές θάλασσες Αρχικά η περιοχή μελέτης που μας ενδιαφέρει έχει διακριτοποιηθεί μέσω ενός πλέγματος διαστάσεων 0.1ºx0.1º. Σε κάθε κόμβο του πλέγματος έχει υπολογιστεί μια συγκεκριμένη τιμή για κάθε μέγεθος ανά 3 ώρες και για μια συνολική χρονική περίοδο 10 ετών ( ). Από το σύνολο αυτών των δεδομένων σχεδιάζονται οι ισοενεργειακές καμπύλες των ελληνικών θαλασσών. Χρησιμοποιούνται οι μέσοι όροι του σημαντικού ύψους κύματος (Hs) και της περιόδου (Tp) που προέκυψαν με βάση τους παραπάνω υπολογισμούς και δεκαετείς μετρήσεις και υπολογίζεται η τιμή της κυματικής ενέργειας σε kw/m. Η χωρική κατανομή της κυματικής ενέργειας των ελληνικών θαλασσών γίνεται τόσο σε εποχιακή όσο και σε ετήσια βάση. i) Σε εποχιακή βάση: Η διάρκεια του έτους χωρίζεται στις τέσσερεις εποχές: Χειμώνας (Δεκέμβριος, Ιανουάριος, Φεβρουάριος), Άνοιξη (Μάρτιος, Απρίλιος, Μάιος), Καλοκαίρι (Ιούνιος, Ιούλιος, Αύγουστος), Φθινόπωρο (Σεπτέμβριος, Οκτώβριος, Νοέμβριος). 68

70 Για κάθε εποχή υπολογίζεται ο μέσος όρος του σημαντικού ύψους κύματος (Hs) και της περιόδου (Tp) και προκύπτει η μέση κυματική ενέργεια. Στα παρακάτω διαγράμματα παρουσιάζεται η χωρική κατανομή της μέσης κυματικής ενέργειας σε kw/m με τις ισοενεργειακές καμπύλες. Εικόνα 68: Χωρική κατανομή της μέσης κυματικής ενέργειας. Χειμώνας-Άνοιξη. Εικόνα 69: Χωρική κατανομή της μέσης κυματικής ενέργειας. Καλοκαίρι Φθινόπωρο. Τον χειμώνα είναι εμφανές από τα διαγράμματα ότι η μέση κυματική ενέργεια φθάνει τις μέγιστες τιμές της. Βόρεια των Κυκλάδων η κυματική ισχύς φθάνει 69

71 τα10 kw/m ενώ νότια των Κυκλάδων η τιμή της μειώνεται στα 6-8 kw/m. Στο νοτιανατολικό Αιγαίο ανάμεσα στην Κρήτη και την Κάρπαθο η κυματική ισχύς είναι περίπου 10-12kW/m ενώ στο νοτιοδυτικό Αιγαίο η τιμή της κυματικής ισχύος είναι περίπου 8-10kW/m. Μεταξύ των νησιών Κρήτης και Κυθήρων εμφανίζεται το υψηλότερο κυματικό δυναμικό του Αιγαίου Πελάγους της τάξης των kw/m. Κατά τη διάρκεια της άνοιξης η ενέργεια των κυμάτων είναι πιο ήπια και στο βόρειο- κεντρικό και νότιο Αιγαίο δεν υπερβαίνει 5 kw/m. Η υψηλότερη τιμή της μέσης κυματικής ισχύος είναι 7kW/m και εμφανίζεται πάλι στα στενά μεταξύ Κρήτης-Κυθήρων, Κρήτης-Κάσου και Καρπάθου-Ρόδου. Το καλοκαίρι εμφανίζονται χαμηλότερες τιμές κυματικής ενέργειας στις ελληνικές θάλασσες από τις αντίστοιχες της άνοιξης. Ωστόσο στο κεντρικό Αιγαίο βόρεια των Κυκλάδων και στο νοτιοανατολικό Αιγαίο εμφανίζεται μια τοπική σημαντική αύξηση της κυματικής ισχύος η οποία φθάνει τα 5-6kW/m. Οι υψηλές τιμές της κυματικής ενέργειας κατά τους θερινούς μήνες οφείλονται στην επίδραση των Ετησίων Ανέμων (τα λεγόμενα μελτέμια) που πνέουν από βόρεια βορειοδυτικά προς νότια- νοτιοανατολικά στο Αιγαίο Πέλαγος. Τέλος, το φθινόπωρο η μέση τιμή της κυματικής ενέργειας αυξάνεται σταδιακά σε σχέση με το καλοκαίρι σε όλη την Ελλάδα. Στο βόρειο-κεντρικό Αιγαίο η τιμή της κυματικής ισχύος είναι 4-5kW/m. Στο νοτιοανατολικό Αιγαίο ανάμεσα στα στενά της Κρήτης-Κάσου και Καρπάθου-Ρόδου η ισχύς είναι 5-6kW/m. ii) Σε ετήσια βάση Στο ακόλουθο διάγραμμα παρουσιάζεται η μέση κυματική ισχύς στη διάρκεια ενός έτους σε kw/m με τις ισοενεργειακές καμπύλες. 70

72 Εικόνα 70: Μέση ετήσια κυματική ενέργεια στις ελληνικές θάλασσες. Από το διάγραμμα προκύπτουν οι εξής παρατηρήσεις: Στο βόρειο Αιγαίο η ισχύς των κυμάτων είναι περίπου 3-5 kw/m ενώ στο βόρειοκεντρικό Αιγαίο μέχρι το σύμπλεγμα των Κυκλάδων η κυματική ισχύς φθάνει τα 6 kw/m.στο νοτιοδυτικό Αιγαίο η κυματική ισχύς είναι χαμηλότερη (4-5 kw/m). Οι υψηλότερες τιμές της κυματικής ισχύος(6-8 kw/m) παρουσιάζονται στα στενά μεταξύ Κρήτης- Κυθήρων και Κρήτης-Κάσου. Στο στενό Καρπάθου-Ρόδου η κυματική ισχύς είναι περίπου 6 kw/m. 71

73 7.2 Επιτόπιες μετρήσεις από πλωτούς σταθμούς του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ Το Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας του Ελληνικού Κέντρου Θαλασσίων Ερευνών (ΕΛΚΕΘΕ) υλοποιεί το σύστημα παρακολούθησης και πρόγνωσης θαλασσών ΠΟΣΕΙΔΩΝ. Πρόκειται για ένα σύστημα παρακολούθησης, πρόγνωσης και παροχής πληροφοριών που αφορούν τις ελληνικές θάλασσες. Το σύστημα ΠΟΣΕΙΔΩΝ αποτελείται από τα παρακάτω κύρια μέρη: i. Δίκτυο πλωτών σταθμών μέτρησης. ii. Τηλεπικοινωνιακά συστήματα μεταφοράς δεδομένων Πλωτοί Σταθμοί Μέτρησης. Το σύστημα ΠΟΣΕΙΔΩΝ χρησιμοποιεί δύο τύπους πλωτών σταθμών μέτρησης: Τον σταθμό Wavescan ο οποίος είναι μια πλατφόρμα πολλαπλών χρήσεων και εφαρμογών. Έχει σχεδιαστεί ώστε να παρέχει μεγάλη σταθερότητα και άνωση, χαρακτηριστικά που τον καθιστούν ιδανικό για βαθιές ποντίσεις μακριά από την ακτή αλλά και για περιοχές με ισχυρά ρεύματα. Εικόνα 71: Ο σταθμός wavescan 72

74 Τον σταθμό Seawatch ο οποίος είναι μια μετρητική πλατφόρμα με μικρότερη άνωση από τον Wavescan. Είναι κατάλληλος για νερά μικρού και ενδιάμεσου βάθους. Εικόνα 72: Ο σταθμός Seawatch. Παράλληλα με τους πλωτούς σταθμούς χρησιμοποιείται και το Seawatch Deep Sea Module (SDSM) το οποίο είναι ένα παρατηρητήριο πυθμένα εφοδιασμένο με σύστημα ακουστικής επικοινωνίας. Το σύστημα αυτό επιτρέπει την ενσωμάτωση περισσότερων υπομονάδων μέτρησης στους υπάρχοντες πλωτούς σταθμούς. Εικόνα 73: Το SDSM. Το δίκτυο παρακολούθησης ΠΟΣΕΙΔΩΝ αποτελούν 10 ωκεανογραφικοί σταθμοί Wavescan (+2 εφεδρικοί) και 10 πλωτήρες τύπου Seawatch μέτρησης κυματικών παραμέτρων, παρατεταγμένοι στις ελληνικές θάλασσες για μέτρηση μετεωρολογικών, περιβαλλοντικών και ωκεανογραφικών δεδομένων, όπως φαίνονται στον παρακάτω χάρτη. 73

75 Εικόνα 74: Σταθμοί μετρήσεων του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ. Οι σταθμοί είναι εξοπλισμένοι με αισθητήρες οι οποίοι μετρούν τα ακόλουθα μεγέθη: Ταχύτητα και κατεύθυνση επιφανειακών ρευμάτων Ατμοσφαιρική πίεση Θερμοκρασία αέρα Ταχύτητα και κατεύθυνση ανέμου Σημαντικό ύψος, κατεύθυνση και περίοδος κύματος Επιφανειακή θερμοκρασία και αλατότητα Σε δύο σταθμούς πραγματοποιούνται επιπλέον βαθιές παρατηρήσεις για φυσικές και βιοχημικές παραμέτρους: Αλατότητα και θερμοκρασία m Χλωροφύλλη και εξασθένηση φωτός m Διαλυμένο οξυγόνο m Ταχύτητα και κατεύθυνση ρευμάτων m Ραδιενέργεια Πυκνότητα ροής ακτινοβολίας 74

76 Το δίκτυο πλωτών σταθμών βρίσκεται σε λειτουργία από το 1999 και κάθε 3-4 μήνες γίνεται συντήρηση από το ωκεανογραφικό σκάφος «Αιγαίο». Τηλεπικοινωνιακά συστήματα μεταφοράς δεδομένων Τα δεδομένα των πλωτών σταθμών μεταφέρονται μέσω του δορυφορικού συστήματος Inmarsat-C και με χρήση των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων GPRS και Iridiu. Εικόνα 75: Μεταφορά δεδομένων. Συλλέγονται και αποστέλλονται στο ΕΛΚΕΘΕ όπου επεξεργάζονται και αξιοποιούνται για την πρόγνωση της κατάστασης θαλασσών με χρήση αριθμητικών μοντέλων. Οι μετρήσεις από τους πλωτούς σταθμούς είναι χρονοσειρές φασματικών μεγεθών που καλύπτουν μια χρονική περίοδο. Οι μετρήσεις εμφανίζονται με βήμα 3 ωρών και στην πραγματικότητα κάθε τιμή βασίζεται σε καταγραφές διάρκειας 17minπου διενεργούνται με περίοδο δειγματοληψίας 1 Hz. Στα διαγράμματα που ακολουθούν απεικονίζονται μετρήσεις φασματικών παραμέτρων όπως το σημαντικό ύψος κύματοςhs και η περίοδος κορυφήςtp για χρονική περίοδο που κυμαίνεται από 1-4 χρόνια, από 3 πλωτούς σταθμούς του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ οι οποίοι είναι ποντισμένοι σε βαθιά νερά. Πιο συγκεκριμένα είναι οι πλωτοί μετρητικοί σταθμοί: -Βορείως της Ρόδου [37 ο Ν- 25 ο Ε], -Βόρεια- Βορειοανατολικά της Μυκόνου [39 ο Ν-24 ο Ε] και -Βορείως της Σκύρου [36 ο 27 Ν- 28 ο 8.59 Ε]. Και στις τρεις περιπτώσεις η συλλογή των δεδομένων έγινε από μετρητικούς πλωτούς σταθμούς τύπου Seawatch. 75

77 Από τις καταγεγραμμένες τιμές του σημαντικού ύψους κύματος και της περιόδου κορυφής κύματος θα προκύψει η τιμή της κυματικής ισχύος της περιοχής. Σε περίπτωση τυχαίας θάλασσας η κυματική ισχύς προκύπτει από την σχέση: P= ρg2 64π Η s 2 Tp [kw/m] Όπου: ρ η πυκνότητα του νερού (ρ=1025 kg/m 3 ) gη επιτάχυνση της βαρύτητας (g=9.81 m/s 2 ) Ηsτο σημαντικό ύψος κύματος (σε m) Tp η περίοδος κορυφής (σε sec) Ο υπολογισμός της μέσης κυματικής ισχύος για όλες τις διαθέσιμες μετρήσεις προκύπτει από την σχέση: P= Ν 1 P i N [kw/m] όπου: Ν είναι ο συνολικός αριθμός των καταγραφών από τον πλωτό σταθμό. Ακολουθεί η αναλυτική παρουσίαση των καταγραφών στους 3 σταθμούς. 76

78 Ρόδος Οι μετρήσεις για την θαλάσσια περιοχή της Ρόδου προέρχονται από έναν πλωτό σταθμό τύπουseawatch ποντισμένο βόρεια του νησιού και συγκεκριμένα στο σημείο με συντεταγμένες [37 ο Ν- 25 ο Ε]. Οι μετρήσεις του συγκεκριμένου σταθμού έλαβαν χώρα από τις 27/05/1999 έως τις 12/07/2000, δηλ. για περίπου 14 μήνες. Η χρονοσειρά της ταχύτητας του ανέμου την περίοδο φαίνεται παρακάτω: Ταχύτητα Ανέμου (m/sec) τιμές ανά 3h Εικόνα 76: Χρονοσειρά ταχύτητας ανέμου για ένα διάστημα 14 μηνών. Η μικρότερη καταγεγραμμένη τιμή της ταχύτητας του ανέμου είναι τα 0,05 m/s ενώ η μεγαλύτερη τα 16,087m/s, με μέση ταχύτητα του ανέμου τα 6,14 m/s. Στα επόμενα δύο διαγράμματα παρουσιάζονται οι κατευθύνσεις των ανέμων στην περιοχή. 77

79 15.00% % % m/s % m/s m m/s Εικόνα 77: Ροδόγραμμα Ανέμου % 12.00% 10.00% 8.00% 6.00% 4.00% 2.00% 0.00% Κατεύθυνση 0-2m/s 2-4m/s 4-6m 6-8m/s 8-10m/s 10-12m/s >12m/s Εικόνα 78: Ανεπτυγμένο ροδόγραμμα ανέμου. Παρατηρούμε ότι οι άνεμοι πνέουν κυρίως από νοτιοδυτικά. Αυτό εξηγείται από την τοποθεσία του πλωτού σταθμού, βόρεια και ανατολικά του οποίου βρίσκονται τα Μικρασιατικά παράλια ενώ νότια η Ρόδος. Στο χρονικό διάστημα των μετρήσεων η χρονοσειρά του σημαντικού ύψους κύματος που καταγράφηκε είναι: 78

80 Σημαντικό ύψος κύματος Ηs (m) τιμές ανά 3h Εικόνα 79: Χρονοσειρά Hs. Η ελάχιστη καταγεγραμμένη τιμή του σημαντικού ύψους κύματος είναι 0,028m και η μέγιστη 1,875 m. Η μέση τιμή του Hsείναι 0,542 m. Στα ακόλουθα διαγράμματα παρουσιάζεται η κατεύθυνση διάδοσης των κυμάτων στην περιοχή της Ρόδου % 15.00% % % 0.00% ,4m 0,4-0,8m 0,8-1,2m ,2-1,6m 1,6-2m Εικόνα 80: Ροδόγραμμα κύματος. 79

81 Hs (m) % 15% 10% 5% 0% 0-0,4m 0,4-0,8m 0,8-1,2m 1,2-1,6m 1,6-2m Κατεύθυνση Εικόνα 81: Ανεπτυγμένο Ροδόγραμμα Κύματος. Από το ροδόγραμμα προκύπτει το συμπέρασμα ότι τα κύματα έχουν την ίδια κατεύθυνση με τον άνεμο. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η σχέση της ταχύτητας του ανέμου και του σημαντικού ύψους κύματος. H s (u) u (m/s) Εικόνα 82: Ταχύτητα ανέμου- Σημαντικό ύψος κύματος. Προκύπτει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα με την οποία πνέει ο άνεμος πάνω από μια θαλάσσια περιοχή τόσο υψηλότερο είναι το σημαντικό ύψος κύματος. Παρατηρούμε όμως ότι δύναται να υπάρξει κυματισμός ακόμη και απουσία ανέμων στην περιοχή καταγραφών. Αυτό οφείλεται στην διάδοση κυμάτων στην επιφάνεια της θάλασσας τα οποία δημιουργήθηκαν σε άλλη περιοχή και έφτασαν στην περιοχή του πλωτού σταθμού. 80

82 sec % Στο γράφημα που ακολουθεί παρουσιάζεται η ποσοστιαία κατανομή του σημαντικού ύψους κύματος της πάνω χρονοσειράς % Hs(m) ,0-0,2 0,2-0,39 0,4-0,59 0,6-0,79 0,8-0,99 1,0-1,19 1,2-1,39 1,4-1,59 1,6-1,79 m Εικόνα 83: Ποσοστιαία κατανομή Hs. Παρατηρούμε ότι σε ποσοστό περίπου 52% τα κύματα που κατέγραψε ο πλωτός σταθμός έχουν σημαντικό ύψος κύματος 0,4-0,8mκαι μόλις το 5% περίπου υπερβαίνει το 1 μέτρο. Στα γραφήματα που ακολουθούν παρουσιάζεται η χρονοσειρά της περιόδου κορυφής Τpκαι η ποσοστιαία κατανομή αυτής T p (sec) τιμές ανά 3h Εικόνα 84: Χρονοσειρά περιόδου κύματος Tp. 81

83 kw/m % %T p ,0-3,0 3,0-4,0 4,0-5,0 5,0-6,0 6,0-7,0 7,0-8,0 8,0-9,0 9,0-10, ,0 sec Εικόνα 85: Ποσοστιαία κατανομή περιόδου κύματος Τp. Παρατηρούμε ότι σχεδόν το 77% των κυμάτων έχει περίοδο κορυφής 2-5sec.Η μικρότερη τιμή της περιόδου είναι 2,02secκαι η μέγιστη 17,965sec. Με βάση τις καταγεγραμμένες τιμές σημαντικού ύψους κύματος και περιόδου κορυφής προκύπτουν τα δεδομένα κυματικής ισχύος. Η μέση τιμή της κυματικής ισχύος ανά μήνα στην εξεταζόμενη περιοχή είναι: 2.5 Κυματική ισχύς ΔΕΚ ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΙΑ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ Εικόνα 86: Μέση κυματική ισχύς ανά μήνα. Η κυματική ισχύς της περιοχής είναι σχετικά χαμηλή, χωρίς όμως μεγάλες διακυμάνσεις. Η ελάχιστη τιμή είναι τα 0,57 kw/m τον Μάιο και η μέγιστη τα kw/m τον Δεκέμβριο. Ο ετήσιος μέσος όρος της κυματικής ισχύος ανέρχεται στα 1,154 kw/m. Σε εποχιακή βάση, τον χειμώνα (Δεκέμβριος-Ιανουάριος-Φεβρουάριος) η μέση κυματική ισχύς είναι 2,111kW/m, την άνοιξη (Μάρτιος-Απρίλιος-Μάιος) 0,835kW/m, το καλοκαίρι (Ιούνιος-Ιούλιος-Αύγουστος) 0,882kW/m και το φθινόπωρο (Σεπτέμβριος-Οκτώβριος-Νοέμβριος) 0,785kW/m. 82

84 Σκύρος Οι μετρήσεις για την θαλάσσια περιοχή της Σκύρου προέρχονται από έναν πλωτό σταθμό τύπουseawatch ποντισμένο στο σημείο με συντεταγμένες [36 ο 27 Ν- 28 ο 8.59 Ε]. Οι μετρήσεις που παρουσιάζονται καλύπτουν μια χρονική περίοδο 4 χρόνων ( από τις 01/12/2007 έως τις 31/11/2011). Η χρονοσειρά της ταχύτητας του ανέμου σε αυτή την περίοδο μετρήσεων είναι: Ταχύτητα Ανέμου (m/s) τιμές ανά 3h Εικόνα 87: Χρονοσειρά ταχύτητας ανέμου. Η μικρότερη καταγεγραμμένη τιμή της ταχύτητας του ανέμου είναι τα 0,015 m/s ενώ η μεγαλύτερη τα 18,677m/s με μέση ταχύτητα του ανέμου τα 5,081 m/s. Στα διαγράμματα που ακολουθούν παρουσιάζεται η κατεύθυνση του ανέμου. 83

85 m/s 2-4m/s 4-6m 6-8m/s m/s m/s Εικόνα 88: Ροδόγραμμα Ανέμου. 3.0% 2.5% 2.0% 1.5% 1.0% 0.5% 0.0% Εικόνα 89: Ανεπτυγμένο Ροδόγραμμα Ανέμου. 0-2m/s 2-4m/s 4-6m 6-8m/s 8-10m/s 10-12m/s Οι άνεμοι που πνέουν είναι βόρειοι-βορειοδυτικοί και βόρειοιβορειοανατολικοί. Αυτό είναι αναμενόμενο λόγω της θέσης του πλωτού σταθμού βόρεια του οποίου δεν υπάρχει ξηρά σε κοντινή περιοχή η οποία θα προκαλούσε σκίαση, όπως συμβαίνει στην περίπτωση του σταθμού της Ρόδου. Οι άνεμοι με βόρεια- βορειοανατολική κατεύθυνση εμφανίζουν μεγαλύτερη ταχύτητα 84

86 Η χρονοσειρά του σημαντικού ύψους κύματος είναι: Σημαντικό ύψος κύματος H s (m) τιμές ανά 3h Εικόνα 90: Χρονοσειρά Hs Η μέγιστη καταγεγραμμένη τιμή του σημαντικού ύψους κύματος είναι τα 5,39m ενώ η ελάχιστη τα 0,05m. Η μέση τιμή του Hs κύματος είναι τα 0,875m. Στα παρακάτω διαγράμματα παρουσιάζεται η κατεύθυνση των κυμάτων όπως αυτή καταγράφηκε από των πλωτό σταθμό % 8.00% % 4.00% 2.00% 0.00% m 1-2m 2-3m m Εικόνα 911: Ροδόγραμμα κύματος. 85

87 Hs (m) 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% Κατεύθυνση 0-1m 1-2m 2-3m 3-4m Εικόνα 92: Ανεπτυγμένο Ροδόγραμμα κύματος Παρατηρούμε από τα ροδογράμματα ότι τα κύματα φθάνουν στην Σκύρο από βόρεια- βορειοανατολικά. Συγκρίνοντας τα διαγράμματα αυτά με τα αντίστοιχα για την ταχύτητα του ανέμου γίνεται αντιληπτό ότι τα περισσότερα αλλά και υψηλοτέρα κύματα δημιουργούνται από τους ανέμους με την μεγαλύτερη ταχύτητα, οι οποίοι στην συγκεκριμένη περίπτωση είναι οι βόρειοιβορειανατολικοί. Το παραπάνω συμπέρασμα γίνεται εμφανές και από το σχήμα που ακολουθεί στο οποίο παρουσιάζεται η σχέση της ταχύτητας του ανέμου με το σημαντικό ύψος κύματος Ηs H s (u) u (m/s) Εικόνα 93: Ταχύτητα ανέμου- Σημαντικό ύψος κύματος. 86

88 sec % Παρατηρούμε ότι όσο αυξάνεται η ταχύτητα με την οποία πνέει ο άνεμος τόσο υψηλότερα είναι τα κύματα που καταγράφονται. Όμως και σε αυτή την περίπτωση κυματισμός και μάλιστα σημαντικού ύψους παρουσιάζεται και χωρίς την παρουσία ανέμου. Στο γράφημα που ακολουθεί παρουσιάζεται η ποσοστιαία κατανομή του σημαντικού ύψους κύματος της πιο πάνω χρονοσειράς: %H s (m) ,0-0,49 0,50-0,99 1-1,49 1,50-1,99 2,00-2,49 2,50-2,99 3,00-3,49 4,00-4,49 4,50-4,99 5,00-5,49 m Εικόνα 94: Ποσοστιαία κατανομή Hs. Παρατηρούμε ότι το 30% των κυμάτων έχει σημαντικό ύψος κύματος 0,5-1m, ενώ σε ποσοστό 32% ξεπερνούν το 1m. Στα γραφήματα που ακολουθούν παρουσιάζεται η χρονοσειρά της περιόδου κορυφής Τpκαι η ποσοστιαία κατανομή αυτής Tp(s) τιμές ανά3h Εικόνα 95: Χρονοσειρά περιόδου κύματος Tp. 87

89 kw/m % %Tp ,01-3,0 3,0-3,9 4,0-4,9 5,0-5,9 6,0-6,9 7,0-7,9 8,0-8,9 9,0-9, ,9 sec Εικόνα 96: Ποσοστιαία κατανομή περιόδου κύματος Tp. Παρατηρούμε ότι σχεδόν το 37% των καταγεγραμμένων κυμάτων έχει περίοδο κορυφής μεγαλύτερη των 5sec. Το 49% των κυμάτων έχει περίοδο 3-5sec. Η μικρότερη τιμή της περιόδου είναι 1,99secκαι η μέγιστη 10,43sec. Με βάση τις καταγεγραμμένες τιμές σημαντικού ύψους κύματος και περιόδου κορυφής προκύπτουν τα δεδομένα κυματικής ισχύος. Η μέση τιμή της κυματικής ισχύος ανά μήνα στην εξεταζόμενη περιοχή από την τετραετή μέτρηση είναι: Κυματική Ισχύς 0 ΔΕΚ ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΪ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ Εικόνα 97: Μέση ετήσια κατανομή κυματικής ενέργειας. Ο ετήσιος μέσος όρος της κυματικής ισχύος ανέρχεται στα 3,492 kw/m.η ελάχιστη τιμή είναι τα 0,641 kw/m τον Ιούλιο και η μέγιστη τα 6,828 kw/m τον Δεκέμβριο. Σε εποχιακή βάση, το χειμώνα (Δεκέμβριος-Ιανουάριος- Φεβρουάριος) η μέση κυματική ισχύς είναι 6,114 kw/m, την άνοιξη (Μάρτιος- Απρίλιος-Μάιος) 2,571 kw/m, το καλοκαίρι (Ιούνιος-Ιούλιος-Αύγουστος) 1,532 kw/m και το φθινόπωρο (Σεπτέμβριος-Οκτώβριος-Νοέμβριος) 3,761 kw/m. 88

90 Μύκονος Τα δεδομένα για την θαλάσσια περιοχή της Μυκόνου προέρχονται από έναν πλωτό σταθμό τύπου Seawatchο οποίος είναι ποντισμένος σε σημείο με συντεταγμένες [39 ο Ν- 24 ο ]. Στα διαγράμματα που ακολουθούν παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν από την 01/12/2007 έως τις 30/11/2011. Η χρονοσειρά της ταχύτητας του ανέμου σε αυτή την περίοδο μετρήσεων είναι: 20 Ταχύτητα ανέμου (m/s) τιμές ανά 3h Εικόνα 98: Χρονοσειρά ταχύτητας ανέμου. Ακολουθούν τα διαγράμματα κατεύθυνσης του ανέμου όπως αυτά καταγράφηκαν από τον πλωτό σταθμό της Μυκόνου 10.00% % m/s 4-8m/s % m/s m/s 16-20m/s Εικόνα 99: Ροδόγραμμα Ανέμου. 89

91 % 8% 6% 4% 2% 0% Κατεύθυνση 0-4 m/s 4-8m/s 8-12m/s 12-16m/s 16-20m/s Εικόνα 100: Ανεπτυγμένο Ροδόγραμμα Ανέμου. Παρατηρούμε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό των ανέμων που πνέουν στην περιοχή έρχονται από βόρεια- βορειοδυτικά. Η χρονοσειρά του σημαντικού ύψους κύματος είναι: Σημαντικό ύψος κύματος Η s (m) τιμές ανά 3h Εικόνα 101: Χρονοσειρά Hs. Η μέγιστη τιμή σημαντικού ύψους κύματος είναι 7.19 m ενώ η ελάχιστη τιμή 0,073m. Η μέση τιμή του Hsείναι 1.1m. Ακολουθούν τα διαγράμματα που παρουσιάζουν την κατεύθυνση διάδοσης των κυμάτων στην περιοχή του πλωτού σταθμού της Μυκόνου. 90