تم تسخير قوة المد والجزر منذ القرن السادس على الأقل، حيث بنى الرومان القدماء طواحين المد والجزر، والتي استخدمت انحسار وتدفق المد والجزر لتحويل عجلات المياه الكبيرة، وتوجيه الطاقة من خلال التروس والحجارة لطحن الحبوب والذرة، على الرغم من هذا التاريخ الطويل، فإن قوة المد والجزر الحديثة، مثل قوة الأمواج لم تظهر حقًا حتى أزمة النفط في السبعينيات، حيث كان هناك دفع كبير لمصادر طاقة بديلة للنفط.
استغلال الطاقة
في الوقت الحاضر، يتم استخدام شكلين رئيسيين من تكنولوجيا طاقة المد والجزر لتوليد الكهرباء، توربينات المد والجزر القائمة بذاتها وقناطر المد والجزر.
توربينات المد والجزر
توربينات المد والجزر القائمة بذاتها، والمعروفة أيضًا باسم مولدات تيار المد والجزر، تبدو وتعمل بشكل مشابه جدًا لتوربينات الرياح، ولكن بدلاً من تحويل طاقة الرياح إلى كهرباء، فإنها تسخر قوة المد، تمثل توربينات المد والجزر حاليًا النوع الأكثر شيوعًا من محولات طاقة المد والجزر.
تحتوي توربينات المد والجزر على شفرتين أو ثلاث ريش، وهي مثبتة في قاع البحر. عندما تنحسر قوى المد والجزر وتدفقها، تدور الشفرات حوالي 12-18 مرة في الدقيقة، في تكوين مشابه لتوربينات الرياح، يتم توصيل التوربين بصندوق تروس يسرع وينقل الدورات إلى مولد، والذي يدور بشكل أسرع، حوالي 1200 مرة في الدقيقة، يستخدم المولد هذه الدورات السريعة لإنتاج الكهرباء لشبكات الطاقة.
في حين أن توربين المد والجزر يشبه في وظيفته توربينات الرياح، إلا أن هناك بعض الاختلافات المهمة في التصميم لمراعاة حقيقة أن الماء أكثر كثافة من الهواء ويمكن أن يحمل الماء المتحرك طاقة أكثر من الهواء المتحرك بنفس السرعة، طاقة المد والجزر هي أيضًا أكثر موثوقية ويمكن التنبؤ بها من طاقة الرياح.
لتعظيم الطاقة المستمدة من المد والجزر، يجب وضع توربين المد والجزر حيث تكون تدفقات المد والجزر أسرع، وتصل بشكل مثالي إلى أكثر من 10 كم/ساعة، على الرغم من أنه يمكن استخدام تدفقات أبطأ، غالبًا ما تكون هذه المواقع، حيث يتركز التدفق بين العوائق، مثل بين الجزر أو النتوءات الصخرية، أو عند مدخل الخليج أو النهر.
قناطر المد والجزر
وابل المد والجزر عبارة عن هيكل كبير يشبه السد، وغالبًا ما تُبنى جدرانه عند مدخل الخليج أو النهر، بدلاً من سد المياه، يتحكم وابل المد والجزر في تدفق المياه عبر بوابات السد بين الخليج المغلق وبقية المحيط مع ارتفاع وانخفاض المد والجزر.
تتحكم قذائف المد والجزر في وقت وحجم تدفق المياه بين جانبي سد القناطر، مع ارتفاع المد، يحتفظ الوابل بالمياه على السطح الخارجي للسد، وعندما ينخفض، يتم الاحتفاظ بالمياه داخل السد، يؤدي هذا إلى تراكم كميات هائلة من ضغط الماء على الجانب الذي يحتفظ بالمياه الزائدة، بمجرد أن يكون الضغط مثاليًا، فإنه يطلق الماء من خلال التوربينات عند بوابات السد، والتي تقوم بتدوير المولد، وبالتالي تحويل طاقة تدفق المد والجزر إلى كهرباء مفيدة.
هناك طرق عديدة لتصنيف الأنواع المختلفة من التكنولوجيا المستخدمة لتحويل طاقة المد والجزر إلى كهرباء، من أجل التبسيط، يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أنواع رئيسية: أعمدة المياه المتذبذبة، والأجسام المتذبذبة والمحولات العلوية.
تأرجح أعمدة المياه
تستخدم أعمدة المياه المتذبذبة موجات موجية لدفع تيار من الهواء المحبوس عبر التوربينات الهوائية، هذه الأجهزة عبارة عن أعمدة كبيرة مجوفة نصف مغمورة في المحيط، مع فتحة تنفيس تحت الماء مفتوحة على البحر، تدفع حركة الأمواج الماء إلى الحجرة، مما يدفع الهواء عبر العمود، عندما تنحسر الأمواج، يُمتص الهواء عائدًا عبر العمود في الاتجاه الآخر.
تقوم حركة الهواء بتدوير التوربينات في العمود، والتي تقوم بسرعة بتحويل المولد لتوليد الكهرباء، تم تصميم التوربينات الموجودة في أعمدة المياه المتذبذبة خصيصًا لتدور في نفس الاتجاه بغض النظر عن اتجاه حركة الهواء، مما يستفيد من حركة الهواء ذهابًا وإيابًا.
أجسام تتأرجح
تستخدم الأجسام المتذبذبة عوامات عائمة أو منصات ترتفع وتنخفض مع الانتفاخ، لا يوجد معيار واحد لهذا النوع من التكنولوجيا، وهي تظهر بأشكال عديدة.
تسمى الأجسام المتذبذبة الأكثر شيوعًا عوامات امتصاص النقاط، يتم تثبيتها في قاع البحر عن طريق مضخة هيدروليكية، تتحرك العوامة لأعلى ولأسفل على طول قمم وأحواض المحيط المتضخمة، مما يؤدي إلى تنشيط المضخة الهيدروليكية التي تدفع الماء أو الهواء عبر التوربينات، والتي بدورها تقوم بتدوير المولد لإنتاج الكهرباء.
مولد طاقة موجة آخر شائع الاستخدام هو مخفف السطح. هذه سلسلة من المقاطع الأسطوانية الطويلة العائمة، المتصلة بواسطة مفصلات والمرتبة بشكل عمودي على الموجات القادمة، عندما تمر الموجة على طول المخفف، تتحرك المقاطع الأسطوانية لأعلى ولأسفل بالنسبة لبعضها البعض، يؤدي هذا إلى ضغط المضخات الهيدروليكية عند المفصلات، مما يؤدي إلى ضخ سائل عالي الضغط لتدوير المولد وتوليد الكهرباء.
تجاوز المحولات
تسمح المحولات العلوية بالانتفاخ لتوصيل المياه فوق الجزء العلوي من الهيكل الذي يلتقطه أعلى من مستوى سطح البحر، ثم يطلق الماء لتشغيل التوربينات الكهرومائية، على غرار السد الكهرومائي.
تتضخم المحيطات التي عادة ما تصطدم بالشاطئ أو منحدر صخري يتم توجيهها بدلاً من ذلك منحدر إلى خزان مياه على ارتفاع 3-5 أمتار فوق مستوى سطح البحر. ثم يتم إطلاق الماء، من خلال التوربينات، للعودة إلى مستوى سطح البحر.
