د ځپې ځواک (طاقت)

د باد له څپو څخه د انرژۍ نيول د ځپې طاقت دی، تر څو ګټور کار ځينې واخيستل شي – د بېلګې په ډول، د برېښنا تر لاسه کول، د اوبو تصفيه کول، يا د اوبو پمپ کول. هغه ماشين چې د څپو له ځواک څخه ګټه اخلي، د اوبو انرژۍ بدلونکی (WEC) بلل کېږي.

څپې له هغه باد څخه منځ ته راځي چې د سمندر له سطحې څخه تېرېږي. تر هغه ځايه چې څپې پورته  د هوا د رفتار څخه په کراره خپرېږي، نو انرژي له باد څخه څپو ته لېږدول کېږي. د څپې د څوکې د هوا د لګېدو پر لور او له هوا څخه د خوندي لوري تر منځ د هوا د فشار توپيرونه او له سطحې سره د هوا سولېدل د قينچي کېدو د ضربې او د څپې د ودې لامل ګرځي.

د څپې ځواک د سمندري له ځواک څخه جلا دی، کوم چې د لمر او سپوږمۍ د جاذبې قوې له امله منځ ته راغلې انرژۍ جريان تر لاسه کوي. د ماتېدونکو څپو، باد، کوريوليس اغېز، کيبلينګ او تودوخې د درجې او د تروشوالي د توپيرونو په ګډون، نور ځواکونه هم کولای شي چې جريانات پيدا کړي.

تر ۲۰۲۲ز کال پورې، د بادي ځواک، د اوبو ځواک، هستوي ځواک او لمريز ځواک په څېر د نورو نوي کېدو وړ سرچينو په پرتله د څپو ځواک د سوداګريزو فعاليتونو لپاره په پراخه کچه نه دی استعمال شوی. د دې ځواک د کارولو هڅه په ۱۸۹۰ يا له دې څخه مخکې پيل شوې ده، په بنسټيز ډول د دې ځواک د کثافت (غلظت يا ډبلوالی) له امله. د فوټوولټک تختو کثافت 1 kW/m2 دی (په يو متر مربع کې يو کيلوواټه)، په داسې حال کې چې باد د يوې ثانيې په اندازه په دولسو مترو کې په يو متر مربع يواځې يو کيلوواټ ته رسېږي؛ د بېلګې په ډول د سان فرانسسکو په ساحل کې د څپې کلني ځواک کثافت په یو متر کې پنځه ويشت کيلوواټه دی.

په ۲۰۰۰ز کال کې د « Islay LIMPET» په نوم په نړۍ کې د څپو د ځواک لومړۍ سوداګريزه اله د سکاټلينډ د «ايسلي» په ساحل نصب شوې وه او له ملي شبکې سره نښلول شوې وه. په ۲۰۰۸ز کال کې، لومړۍ ګڼ جنراتوري د څپو کارخونه د پرتګال په (Aguçadoura Wave Park) کې پرانيستل شوه.

په پرانيستي سمندر کې د څپې د ځواک د سيستم د فعاليت د تاييد او ډاډمنتيا ازموينې کارول شوي دي. په ۲۰۲۱ز کال کې، « CalWave Power Technologies, Inc» د سان ډياګو په ساحل کې، د خپل تجربوي واحد اله پر کار واچوله.

د څپو د انرژي بدلونکي د هغې د کار کولو د اصولو پر بنسټ ډلبندي کېدای شي:

• د ښوځنده (ځنګېدونکو/يو خوا بل خوا ټال وهونکو) اوبو ستنې (د هوايي توربين سره)
• ښوځنده جسمونه (د هايډرواليکټريک موټر، هايډروليک توربين، خطي برېښنايي جنراتور سره)
• ډېرې لوړې (د ښکته سر هاډروليک توربين سره)

فزیکي مفکوره

د ډېرو مايعو حرکتونو په څېر، د سمندري څپو او انرژۍ د بدلونکو تر منځ تعامل د يو لوړ ترتيب غېر خطي ښکارنده ده. دا د نه راټولېدونکي « Navier-Stokes» معادلاتو په استعمال سره بيانېدای شي

$${\begin{aligned}{\frac {\partial {\vec {u}}}{\partial t}}+({\vec {u}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {u}}&=\nu \Delta {\vec {u}}+{\frac {{\vec {F_{\text{ext}}}}-{\vec {\nabla }}p}{\rho }}\\{\vec {\nabla }}\cdot {\vec {u}}&=0\end{aligned}}$$

په داسې حال کې چې د مايع رفتار دی،  فشار دی،  کثافت دی، ${\textstyle {\vec {u}}(t,x,y,z)}$   سرېښتناک والی دی او په هرې مايعې ذرې سوچه بهرنی ځواک دی (عموماً د جاذبې قوه). خو په عامو حالاتو کې، د څپو خوځښت د بادي څپو د تيورۍ په مټ تشریح کېږي، کوم چې په لاندې ډول فرض کېدای شي 

په داسې حال کې چې د مايع رفتار دی،  فشار دی،  کثافت دی،  سرېښناکوالی دی او  په هرې مايعې ذرې سوچه بهرنی طاقت دی (عموماً د جاذې قوه). خو په عامو حالاتو کې، د څپو خوځښت د بادي څپو د تيووۍ په مټ تشریح کېږي، کوم چې دا فرض کوي چې

• تقريباً د مايع حرکت نه څرخېدونکی دی
• د ابو په سطحه فشار تقريباً ثابت دی، او
• د سمندر د فشار ژوروالی تقريباً ثابت دی.

په دې فرضيو (انګېرنو) کې تر ټولو اختلافي يې دويمه فرضيه ده؛ د سطحې د تشنج اغېزې يواځې د څو ډيسي مترو څخه د ډېرې اوږدې څپې لپاره ډېرې کمې دي.

ايري معادلې

د لومړي شرط موخه دا ده چې حرکت د رفتار د وړتيا په مټ تشریح کېدای شي ${\textstyle \phi (t,x,y,z)}$:

$${{\vec {\nabla }}\times {\vec {u}}={\vec {0}}}\Leftrightarrow {{\vec {u}}={\vec {\nabla }}\phi }{\text{,}}$$

کوم چې بايد د لاپلاس معادلې ته ځواب ووايي،

$$\nabla ^{2}\phi =0{\text{.}}$$

په یو بېلګه ييز جريان کې، ټينګوالی (سرېښتناک والی) د نيشت برابر دی او په مايع فعاليت کونکی يواځينی بهرنی قوت د ځمکې د جاذبې قوه ده. ${\vec {F_{\text{ext}}}}=(0,0,-\rho g)$ . په دې حالاتو کې، د «Navier-Stokes» معادله په لاندې ډول راکمېږي

$${\partial {\vec {\nabla }}\phi \over \partial t}+{1 \over 2}{\vec {\nabla }}{\bigl (}{\vec {\nabla }}\phi {\bigr )}^{2}=-{1 \over \rho }\cdot {\vec {\nabla }}p+{1 \over \rho }{\vec {\nabla }}{\bigl (}\rho gz{\bigr )},$$

کوم چې د برنولي د تحفظ په قانون کې (په ځايي توګه) مدغم کېږي:

$${\partial \phi \over \partial t}+{1 \over 2}{\bigl (}{\vec {\nabla }}\phi {\bigr )}^{2}+{1 \over \rho }p+gz=({\text{const}}){\text{.}}$$

د ممکنه خطي جريان تيوري

د کوچنيو عرض لرونکو څپو او حرکتونو په اړوند د فکر کولو پر مهال، د دويمې درجې اصطلاح ${\textstyle \left({\vec {\nabla }}\phi \right)^{2}}$ له پامه غورځول کېدای شي چې د برنولي خطي معادله ورکوي،

$${\partial \phi \over \partial t}+{1 \over \rho }p+gz=({\text{const}}){\text{.}}$$

او درېيمې ايري مفروضې بيا په لاندې ډول دلالت کوي

$${\begin{aligned}&{\partial ^{2}\phi \over \partial t^{2}}+g{\partial \phi \over \partial z}=0\quad \quad \quad ({\text{surface}})\\&{\partial \phi \over \partial z}=0{\phantom {{\partial ^{2}\phi \over \partial t^{2}}+{}}}\,\,\quad \quad \quad ({\text{seabed}})\end{aligned}}$$

دا خنډونه په بشپړ ډول د «سينوسي» شکله (کوبه کوبه منحني شکل) څپې محلولونه ټاکي

$$\phi =A(z)\sin {\!(kx-\omega t)}{\text{,}}$$

چېرته چې د محلول د څپو د شمېر ټاکنه کوي او $A(z)$ او $\omega$ د پولې د خنډونو په مټ ټاکل شوي دي (او $k$) په ځانګړي ډول،

$${\begin{aligned}&A(z)={gH \over 2\omega }{\cosh(k(z+h)) \over \cosh(kh)}\\&\omega =gk\tanh(kh){\text{.}}\end{aligned}}$$

له دې وروسته د سطحې لوړوالی $\eta$  په ساده ډول په لاندې ډول اخستل کېدای شي

$$\eta =-{1 \over g}{\partial \phi \over \partial t}={H \over 2}\cos(kx-\omega t){\text{:}}$$

اواره څپه د ايکس محور په استقامت مخ په وړاندې ځي.

پايلې

ښوځنده حرکت په سطحه تر ټولو لوړ وي او له ژورتيا سره په چټکۍ کمېږي. په هر حال، د انعکاس کوونکي ساحل سره نژدې د ژورو څپو (clapotis) لپاره، د څپې انرژي په ډېره ژورتيا کې د فشار د ښوځنده په توګه موجوده وي چې مايکروسيزم (کوچنۍ زلزلې) پيداکوي. په ډېره ژورتيا کې د فشار لوړوالی او ټيټوالی د څپې د ځواک لپاره ډېر کوچنی دی چې په زړه پورې و اوسي.

د ايري څپو چلند دوه په زړه پورې نظامونه وړاندې کوي: د اوبو اوږدوالی د څپې له نيمايي څخه ډېر ژرو، لکه چې په سمندرونو او بحرونو کې عام دی او کمې ژورې اوبه، د کومو د څپو اوږدوالی چې د اوبو د ژوروالي څخه نږدې شل ځلې زيات وي. ژورې څپې سره تيت پرک وي: د لنډې څپې اوږدوالي څپې په تېزۍ سره خپرېږي او د اوږدې-څپې اوږدوالي څپې تر شا پرېږدي. د ژورو اوبو ګروپ رفتار د اړخ د رفتار نيمايي دی. د کمو ژورو اوبو څپې نه خپرېږي: د ګروپ رفتار د اړخ له رفتار سره برابر وي؛ او ورته څپې بې له کوم خنډ څخه خپرېږي.

لاندې جدول په بېلا بېلو نظامونو کې د څپو د چلند لنډيز وړاندې کوي:

د ژورو اوبو، کمو ژورو اوبو يا منځنۍ کچې ژورتيا په سطحه باندې د ايري جاذبې قوې څپې

اندازه

نښه

واحدونه

ژورې اوبه (h > 1⁄2 λ)

کمې ژورې اوبه (h < 0.05 λ)

د منځنۍ کچې ژوروالی (all λ and h)

د څپې د ځواک فارموله

په ژورو اوبو کې، چېرته چې د اوبو ژوروالی د څپې اوږدوالي له نيمايي څخه ډېر وي، د څپې د انرژۍ جريان په لاندې ډول وي

$P={\frac {\rho g^{2}}{64\pi }}H_{m0}^{2}T_{e}\approx \left(0.5{\frac {\text{kW}}{{\text{m}}^{3}\cdot {\text{s}}}}\right)H_{m0}^{2}\;T_{e},$

چې P به د څپې د لوړې درجې د اوږدوالي يو يونټ څپې د انرژۍ جريان وي، Hm0 د مهمې څپې لوړوالی وي، Te د څپې د انرژۍ موده وي، ρ د اوبو کثافت او g د جاذبې قوې په مټ چټکتيا وي. پورته فارموله وايي چې د څپې ځواک د څپې د انرژۍ مودې او د څپې د لوړوالي د مربع سره د تناسب وړ دی. که د مهمې څپې لوړوالی په متر کې اندازه شي، او د څپې موده په ثانيو کې اندازه شي، نو پايله به يې د «ويوفرنټ» (ويوفرنټ هغه سطحه ده چې د څپې فاز د هغې دپاسه ثابت وي) د اوږدوالي د يو متر پر سر د څپې ځواک په کيلواټونو (kW) کې وي.

د بېلګې په دول، له ساحل څخه څو کيلو متره لرې په ژورو اوبو کې، د درې متره څپې اوږدوالی او د اته ثانيو د څپو انرژۍ مودې سره، د متوسطو سمندري څپو په اړه فکر وکړه. د طاقت توليدولو لپاره حل کول په لاندې ډول دي

$P\approx 0.5{\frac {\text{kW}}{{\text{m}}^{3}\cdot {\text{s}}}}(3\cdot {\text{m}})^{2}(8\cdot {\text{s}})\approx 36{\frac {\text{kW}}{\text{m}}},$

يا د څپې لوړې څوکې د يو متر پر سر د ۳۶ کيلو واټه طاقت وړتيا.

په غټو توپانونو کې، د سمندر تر ټولو سترې څپې نږدې ۱۵ متره لوړې وي او د هغې موده نږدې ۱۵ ثانيې وي. د پورته فارمولې سره سم، دا ډول څپې د «ويوفرنټ» په هر متر کې شا اوخوا ۱.۷ ميګاواټه طاقت له ځانه سره لری.

د ځپې ځواک يوه اغېزناکه اله د څپې د جريان يوه د پام وړ برخه له ځانه سره نيسي. د پايلې په توګه، د الې په شاته برخه کې د څپې لوړوالی کمېږي.

د سمندر په حالت کې، د اوبو په سطحه د جاذبې قوې د څپو په يو واحد سيمه کې منځنۍ کچې انرژۍ کثافت د څپې د لوړوالي مربع سره متناسبه وي، د خطي څپې د تيروۍ سره په سمون کې:

$E={\frac {1}{16}}\rho gH_{m0}^{2},$