Bølgekraft

Bølgekraft er mekanisk effekt fra havets overflatebølger samt omsetning av denne effekten til en nyttig form, f.eks. elektrisk effekt via en generator eller pumping av vann opp i et reservoar. Bølgekraft kommer inn under fornybar energi, slik som vindkraft og vannkraft. Bølgekraft må ikke forveksles med tidevannskraft og kraft fra understrømmer.

Det har vært gjort diverse typer forsøk på effektiv utnyttelse av bølgekraft, også i Norge, men foreløpig har disse ikke ført til noen permanente installasjoner.

Bølgene

Normalt er det de store bølgene som har størst effekt ettersom bølgekraften avhenger av bølgehøyde, bølgehastighet, bølgelengde og tetthet.

Bølgestørrelsen kommer an på vindhastighet, virkedistanse (distansen vinden har anledning til å «dra» på bølgene) og dybde samt bunntopografi (som fokuserer eller sprer bølgeenergien). For en gitt hastighet er det er samsvarende grense for hvor store bølger som kan skapes, uansett virkedistanse og tid.

De nordlige og sørlige tempererte soner har de beste stedene for å hente ut bølgekraft. De dominerende vestlige vindene her er sterkest om vinteren.

Bølgebevegelser er kraftigst ved overflaten og avtar eksponentielt med dybden. Bølgeenergi er også til stede som trykkbølger på større dyp.

Den potensielle energien i en gruppe bølger er proporsjonal med kvadratet av bølgehøyden ganger bølgeperioden (tiden mellom bølgetopper på gitt sted). Bølger med lengre perioder har relativt lengre bølgelengder og større hastighet. Den potensielle energien er lik den kinetiske energien (som kan forbrukes). Bølgekraft uttrykkes i kW/ m (langs en kystlinje).

Formelen under viser hvordan bølgekraft kan beregnes. Hvis vi ser bort fra bølger ved orkanforhold, blir de største bølgene ca. 15 meter høye og har en periode på rundt 15 sekunder. Ifølge formelen er slike bølger bærere av ca. 1700 kW pr. meter bølgefront. Et bra sted for å anlegge et bølgekraftanlegg har en middelfluks som er langt lavere enn dette, kanskje rundt 50 kW/m.

Formler

Energiinnhold per arealenhet av havoverflaten:

$E=\alpha \cdot \rho \cdot g\cdot H^{2}$

hvor:

E er energiinnholdet (målt i J/m²)

ρ er sjøvannets tetthet = 1030 kg/m³

g er tyngdeakselerasjonen = 9,81 m/s² (9,82 m/s² ved 60. breddegrad)

H er bølgehøyden (målt i m)

α er en bølgeformparameter

For en sinusformet bølge er α = 1/8. For havbølger er α = 1/16 dersom H står for signifikant bølgehøyde, hvor signifikant bølgehøyde regnes som gjennomsnittshøyden av de 1/3 høyeste bølgene.

Forholdet mellom bølgelengde (λ) og bølgeperiode (T):

$\lambda ={\frac {gT^{2}}{2\pi }}$       (   $\lambda \approx 1,56\cdot T^{2}$ )

Omvendt uttrykt blir sammenhengen:

$T={\sqrt {\lambda \cdot {\frac {2\pi }{g}}}}$       (   $T\approx 0,8\cdot {\sqrt {\lambda }}$ )

Effekt per breddeenhet av bølgefront:

Effekten (energiinnhold per tidsenhet) per lengdeenhet av bølgefronten, som finnes i en gitt bølge angis i watt per meter bølgefront (W/m), og er gitt ved formelen:

$P={\frac {\alpha \rho g^{2}H^{2}T}{4\pi }}$

Hvor:

H = bølgehøyde (topp til bunn) i meter

T = bølgeperioden (topp til topp) i sekunder

For virkelige havbølger hvor α = 1/16, sjøvannsdensiteten (ρ) = 1030 kg/m³ og g = 9,81 m/s² kan vi forenkle formelen slik:

$P\approx 493\cdot H^{2}T$

Dersom vi vil ha svaret i kW/m i stedet for W/m, må vi dele resultatet på 1000, slik:

$P\approx 0,493\cdot H^{2}T$

Maksimal steilhet:^{[trenger referanse]}

Den maksimale teoretiske steilheten en bølge kan ha, er gitt ved sammenhengen:

${\frac {H}{\lambda }}={\frac {1}{7}}$

hvor H er bølgehøyden (det vil si den vertikale avstanden fra bølgedal til bølgetopp) og λ er bølgelengden (det vil si den horisontale avstanden mellom to etterfølgende bølgetopper).

Dette gir følgende sammenheng for hvor høy en bølge med en gitt bølgeperiode maksimalt kan være:

$H\leq {\frac {g}{14\cdot \pi }}\cdot T^{2}$

Dette er tilnærmet det samme som:

$H\leq 0,223\cdot T^{2}$

eller:

$T\geq 2,117\cdot {\sqrt {H}}$

Formellenker

1. www.esru.strath.ac.uk – Wave Power Arkivert 26. desember 2008 hos Wayback Machine.

Utfordringer

Se også:Bølgekraftens grunnleggende utfordringer

Den fundamentale utfordringen ved bølgekraft er å konvertere bølgebevegelsene effektivt til elektrisitet gjennom anlegg som kan overleve ekstreme værforhold og sjøvannskorrosjon. Typiske problemområder er sveiser som svikter og fortøyninger som sliter seg. I lys av dette er det ofte blitt utviklet anlegg som er så overdimensjonert at anleggskostnaden ødelegger totaløkonomien. I den senere tid har økt offentlig støtte i mange land skapt en ny giv, og det finnes nå mange lovende pilotanlegg i drift.

En måte å utnytte bølger på, er å lage «samlelinser» på grunt vann på steder der bølger normalt kommer fra samme retning hele tiden. Riktig gjort, vil en kunne forsterke og fokusere bølger til både å treffe et bestemt område, og bli vesentlig kraftigere. Dette ble forsøkt utnyttet til å lede et bølgesystem opp til et samlebasseng, der en kunne slippe vannet tilbake via en generator. I Øygarden, utenfor Bergen ble bølgene for sterke og slo i stykker de vesentligste delene av arrangementet. Slike bunnarrangementer i sand blir brukt ved enkelte badestrender for å lage ekstra store surfebølger, men må vedlikeholdes ganske ofte.

State of the art

Bølgekraftanlegg karakteriseres ved måten de demper bølgene, hvordan kraften konverteres og hvilke typer steder de plasseres på. Metodene er punktabsorpsjon (over et lite område), bølgedempning (opererer normalt på bølgefrontene) og bølgestopping (opererer parallelt med bølgefrontene). Anleggene plasseres ved strandlinjen, et stykke til havs eller på dypt vann. Kraftkonvertering utføres med hydraulikk, peristaltisk pumpe, vannkraftturbin eller lineær elektrisk generator.

Systemene kan ha svingende vannsøyle, forankrete flytere, bølgepumpe eller kilerenne med reservoar og tradisjonell vannkraftturbin/generator. Flere av disse kombineres med parabolsk bølgefokusering for å samle bølgekraften dvs. øke bølgehøyden der den fanges opp.

Energiopptaket er størst når svingebevegelsen har optimal amplitude og optimal fase (se bølgefase), dvs. når dempingen av systemet er optimal, samtidig som svingningen er i resonans med bølgene. Mye av bølgekraftforskningen omhandler metoder for styring av svingebevegelsen, slik at man kommer nærmest mulig disse kriteriene. En slik styring avhenger av målinger av de innkommende bølgene, samt beregninger i sanntid. En forenklet metode for å oppnå tilnærmet optimal fase, er å holde igjen svingebevegelsen i visse deler av perioden.

Generiske bølgekraftkonsepter

Bølgekraftkonsepter faller vanligvis inn under en av disse kategoriene:

1. punkt-absorbator (point-absorbator)
2. hengslet flytende innretning (attenuator)
3. svingeplate (oscillating wave surge converter)
4. svingende vannsøyle (OWC)
5. oppskyllingsanlegg (overtopping device)
6. nedsenket trykkforskjell (submerged pressure differential)

Eksterne lenker

• Bølgeenergiforskning ved NTNU
• SRI Bøye 2008 Arkivert 1. februar 2009 hos Wayback Machine.
• Wave Dragon bølgekraftverk
• Bølgekraft på Runde Miljøsenter