CALCULATION OF THE POTENTIAL POWER IN A WAVE



Note: The biggest wave ever measured in the world was observed in Alaska in the year of 1933. The data for this wave were as follows:

h : 34 m ---- (wave height)

L : 342 m ---- (wave length)

T : 14.8 m ---- (wave period), in terms of velocity, this value corresponds to V : 23.1 m/s (velocity) or Vg: 11.5 m/s (group velocity)


1 ) -----Wave power = P = 5.5 h² T L

d : depth of water ---------- m
g : gravitational acceleration ------ 9.81 m/s²
h : wave height ------------ m
T : period ------------------- s
V : velocity ( l/T ) -------- m/s
l : wave length ------------ m
Vg : group velocity ------- m/s
a : wave crest ------------- m
H : wave circle diameter – m

Around the wave surface, H = h.
• d ( l/2 ) corresponds to deep waters. Generally, the seas with a depth greater than 40 m
• d ( l/20 ) corresponds to the shallow waters.


2 ) -----According to another approach;

w = G.q. ( h / 2 )² ……………………J/m²        g : 9.81 m/sn²

P = Vg.w ……………………………watt/mt        q : 1025 kg/m³


PERSONAL NOTES:

w = m/sn² x kg/m³ x m² = Nt/m x m²/m² = Nm/m² = Joull / m²

P = Vg.w →→→ P = m/sn x Joull/m² = Joull/ms = watt/m

İş = w = F.s = 10 Nt. X 2 mt = 20 Nmt = 20 Joull ( 10 Nt luk yükün 2 mt kaldırılması )

F = m.g →→ Here, half the wave height (h/2) is taken for the calculation of the wave mass, m.

For the average wave weight m = L.( h/2 ). ( h/2 ) . q

w = F = m.g

F = w = g ( h/2 )² . q. L ……………Joull

Dividing both sides by “L” w = g.q. ( h/2 )² ………………Joull/m


3 ) -----According to another approach  the power may be calculated using the constant and known values in the following power equation, according to the unit length of the three-dimensional sea waves;

     P = Q . g . H² . Cg / 4 = Q . g . H² . L / 8 T ………..( KW )

     P = 1256.91 H² . L / T

     P = 1256.91 H² . V

     P = 2514 H² . Cg ……………………( w/m )

Cg = group velocity m/s ……………. Cg = V/2 = L / 2T
H = average wave height … m

Q = 1025 kg / m³
g = 9.81 m / s²

Note: The observed values for the wave measurement data for the coastlines of Turkey are rather inadequate. The data used in order to calculate the wave energy densities on the coastlines of Turkey could be obtained from the studies conducted for NATO and could be reflected on the map of Turkey with the aid of the software Surfer.

EXAMPLE SOLUTION: For the biggest wave observed in 1933;

h = 34 mt          V = 23.1 m/sn
L = 342 mt        Vg = 11.5 m/sn
T = 14.8 sn


According to the 1st approach P = 5.5 h² T L

    P =5.5 x 34² x 14.8 x 342 = 32.2 x 106 w/mt

According to the 2nd approach w = g . q . ( h/2 )² →→ P = Vg . w

    w = 9.81 x 1025 x 34² / 4 = 2.906 x 1000000
    P = 2.906 x 106 x 11.5 = 33.41 x 106 w/mt

According to the 3th approach P = Q . g . H² . Cg / 4

    P = Q . g . H² .L / 8T = 1256.91 H² . L /T
    P = 1256.91 x 34² x 342 / 14.8 = 33.5 x 106 w/mt

    P = 1256.91 H² . V
    P = 1256.91 x 34² x 23.1 = 33.5 x 106 w/mt

    P = 2514 . H² . Cg
    P = 2514 x 34² x 11.5 = 33.4 x 106 w/mt


In cases where it is not possible to perform reliable observations and measurements for the wave motions, the wave energy may be calculated based on the current wind velocity data for such region, by using such data in semi-empirical relations;

W = Wave energy spectrum ( m²s )

W = 8.1    x   g² x 10-3    x    e-0.74[ g / ɯ .Vr ]    / ɯ5

g = gravitational acceleration = 9.81 m/sn2
Vr = wind velocity m/sn
ɯ = Wave cyclic frequency rad / sn

Note: In practice, the wave cyclic frequencies in the range of 0.2—3 rad/s contribute to the wave energy acting upon the unit area.

Wave Power = P = E . b . Cg ………….. ( watt )

B = Wave width
Cg = Wave velocity       For deep water, Cg = C/2      c = wave velocity
                                 For shallow water, Cg = √ g.d      d = water depth



OBSERVATION CHART




DESCRIPTION OF TERMS Average Wind Velocity – knots M/sec Open Sea Effect Code for the state of the sea Average maximum height of the waves------feet
Sakin ˂1 0-0.2 Deniz bir ayna gibi düzdür -0-Çırpıntısız deniz 0
Hafif esintili 1-3 0-0.2 Su üstünde balık puluna benzeyen buruşukluklar belirir, fakat köpük yoktur. --Ayna gibi deniz 0
Hafif briz 4-6 1.6-3.3 Dalgacıklar henüz kısadır, fakat belirlidirler, tepeleri donuktur ve çatlamazlar -1-Durgun deniz 0—1
Zayıf briz 7-10 3.4-5.4 Çok küçük dalgacıkların tepeleri çatlamaya başlıyor. Bulan görünüşlü köpükler, bazen dağınık sakarcıklar. -2-Güzel ( dalgacıklı ) deniz 1—2
Mutedil briz 11-16 5.5-7.9 Küçük dalgacıklar uzar, köpükler çoğalır. -3-Hafif çalkantılı deniz 2--4
Sert briz 17-21 8.0-10.7 Orta dalgalar uzun bir şekil alır, bir çok sakarcıklar husule gelir. ( Bazı dalga serpintileri-embruns-serpintiler ) -4-Mutedil deniz 4--8
Kuvvetli rüzgar 22-27 10.8-13.8 Büyük dalgalar hasıl olur. Beyaz köpüklü tepeler daha fazla uzanır. ( Umumiyetle, müteaddid-embruns-serpintileri ) -5-Kaba deniz 6—13
Şiddetli rüzgar 28-33 13.9-17.1 Deniz kabarır, çatlayan dalgalardan gelen beyaz köpükler rüzgarın yatağına doğru sürüklenmeye başlar. -6-Pek kaba deniz 13--20
Fırtınamsı rüzgar 34-40 16.2-20.7 Orta yükseklikte ve daha da uzamış dalgalar, bu dalgaların tepeleri kenarında embrun’ler savrulur. Rüzgar yatağına doğru belirli bir iz halinde köpük sürüklenmektedir. ------ ----
Fırtına 41-47 20.8-24.4 Cesim dalgalar kalın köpük serpintileri rüzgar yatağına itilir. Deniz kükremeye başlar. Embrun’ler ( dalga serpintileri ) havayı bulandırır, rüyeti azaltır. ------ ----
Şiddetli fırtına 48-55 24.5-28.4 Uzun sorguçlu çok cesim dalgalar hasıl olur, köpükler geniş sıralar halinde toplanıp dizi dizi rüzgar yatağına doğru sürüklenir. Umumiyetle suların üstü beyaz görünür. Rüyet azalmıştır. -7-Yüksek deniz 20--30
Orkanımsı fırtına 56-63 28.5-32.6 İstisnai olarak çok yüksek dalgalar teşekkül edip ( Ufak ve orta tonajdaki gemiler bazen gözden kaybolur. ) Rüzgar istikametinde uzanmış beyaz köpükler denizi tamamen kaplar. Her tarafta dalgaların tepelerinin üstüne rüzgar üfleyerek köpük saçar. Rüzgar azalmıştır. -8-Pek yüksek deniz 30--45
Orkan 64-71 32.7-36.9 Hava köpük ve emrun’lerle doludur. Deniz köpük sıraları ile tamamen beyazlaşmıştır. Rüyet çok fazla azalmıştır. -9-Müthiş korkunç deniz 45 ve fazlası
72-80 37.0-41.4 ---------------------------------
81-89 41.5-46.1 ---------------------------------