DOI: https://doi.org/10.12691/ajer-14-1-2
تاريخ النشر: 2026-02-09
المؤلف: Mehrshad Seraj وآخرون
الموضوع الرئيسي: أمواج المحيط والاستشعار عن بُعد
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في خصائص طاقة موجات المحيط باستخدام طيف JONSWAP من خلال محاكاة MATLAB، مع التركيز على اللحظات الطيفية، فترات الموجات المميزة، ونقل الطاقة عبر أعماق مختلفة وعوامل تعزيز الذروة ($\gamma$). تقارن الدراسة بين حالات البحر غير المنتظمة الممثلة بطيف JONSWAP ومكونات الموجات الأحادية المنتظمة لتحليل سلوك انتشار الطاقة. تشير النتائج إلى أن زيادة $\gamma$ تؤدي إلى طيف أضيق وأكثر طاقة، مما يؤثر بشكل كبير على متوسط فترات الموجات وإمكانات الطاقة. كما تسلط النتائج الضوء على وجود علاقة قوية بين شكل الطيف، انتظام الموجات، ونقل الطاقة، مما يوفر رؤى لتقييم موارد طاقة الموجات وتحسين تصميمات محولات طاقة الموجات (WEC).
تؤكد التحليلات أن اللحظات الطيفية ضرورية لفهم السلوك الإحصائي والديناميكي لموجات المحيط، مما يسمح بتحديد فترات الموجات التمثيلية مثل $T_z$، $T_e$، و$T$. تُظهر المقارنة بين التكامل الطيفي الدقيق والتقريبات اتساقًا في ظروف المياه المتوسطة والعميقة، بينما تظهر الفروقات في المياه الضحلة بسبب تأثيرات التشتت المعتمدة على العمق. تؤكد الدراسة أن طاقة الموجات تتركز بالقرب من الذروة الطيفية، مما يشير إلى أن تصميمات WEC يجب أن تتماشى مع هذه النطاقات الطاقية السائدة لتحقيق الكفاءة المثلى. بالإضافة إلى ذلك، توضح تقييمات معامل تعديل العمق ($C_h$) وطول الموجة ($\lambda$) الدور الحاسم لعمق المياه في نقل الطاقة وانتشار الموجات، مع توفر طاقة أقل في المياه الضحلة، خاصة عند الترددات العالية. تؤكد هذه النتائج على ضرورة دمج تصحيحات العمق وتغيرات طول الموجة في تقييمات طاقة الموجات لتعزيز تقديرات إمكانات الطاقة وتحسين استراتيجيات وضع WEC في البيئات الساحلية والبحرية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية طاقة الموجات كمصدر للطاقة المتجددة، مع التأكيد على الحاجة إلى تقدير دقيق لطاقة الموجات وتغيرها مع حالة البحر والعمق لتصميم فعال لمحولات طاقة الموجات (WECs). تميز بين الأشكال الموجية المنتظمة (الدورية) وغير المنتظمة (العشوائية)، مشيرة إلى سلوكياتها المختلفة في المياه العميقة مقابل المياه المحدودة. تهدف الدراسة إلى تحليل كلا النوعين من الموجات لتعزيز موثوقية تقييمات إمكانات الطاقة وخصائص الانتشار.
لتحقيق ذلك، طور المؤلفون إطار عمل عددي قائم على MATLAB لحساب الخصائص الطيفية، تشتت طول الموجة، ومعامل التعديل ($h_C$) لكل من ظروف المياه العميقة والمحدودة. تقيم الدراسة كل من صيغة تقريبية لطاقة الموجات والطاقة المتكاملة طيفيًا عبر حالات البحر المختلفة، مع التركيز على كيفية تأثير انتظام الموجات وشكل الطيف على انتشار الطاقة. تفحص التحليلات بشكل منهجي تأثيرات عمق المياه على استخراج طاقة الموجات والفروقات بين الطريقتين، مما يوفر رؤى قيمة حول أداء WECs تحت ظروف المحيط الواقعية.
نقاش
في هذا القسم، يتركز النقاش حول طيف JONSWAP، وهو نموذج تجريبي لتوزيع طاقة موجات المحيط، والذي يقوم بتحسين طيف Pierson-Moskowitz من خلال إدخال عامل تعزيز الذروة ($\gamma$). يلتقط طيف JONSWAP بشكل فعال شكل الطيف للبحار المتطورة، مع قيم $\gamma$ التي تشير إلى تركيز الطاقة حول تردد الذروة. تكشف تحليل اللحظات الطيفية عن معلمات موجية حاسمة، مثل فترة الذروة ($T_p$)، فترة العبور الصفري ($T_z$)، ومتوسط فترة الموجة ($\bar{T}$)، والتي تظهر أنه مع زيادة $\gamma$، تصبح الطاقة أكثر تركيزًا عند الترددات المنخفضة، مما يؤدي إلى موجات أطول وأكثر انتظامًا وانخفاض في عرض الطيف. تعتبر هذه التحولات من حالة بحرية واسعة وغير منتظمة إلى حالة أكثر تنظيمًا وضيقًا ضرورية لفهم ديناميات الموجات.
يقارن القسم أيضًا بين التكامل الطيفي وطريقة تقريبية لتقدير طاقة الموجات، مما يبرز أهمية التأثيرات المعتمدة على العمق في استخراج الطاقة. توفر الطريقة الطيفية تمثيلًا أكثر دقة لطاقة الموجات، خاصة في المياه الضحلة حيث تميل التقريب إلى المبالغة في تقدير الطاقة بسبب تأثيرات العمق المبسطة. مع زيادة عمق المياه، تتقارب الطريقتان، مما يشير إلى أن تصحيحات العمق ضرورية لتقييمات دقيقة لطاقة الموجات. تؤكد النتائج على الحاجة إلى اعتبار دقيق للعمق والخصائص الطيفية في تصميم محولات طاقة الموجات (WECs)، لضمان وضع مثالي وكفاءة في استخراج الطاقة من موجات المحيط.
DOI: https://doi.org/10.12691/ajer-14-1-2
Publication Date: 2026-02-09
Author(s): Mehrshad Seraj et al.
Primary Topic: Ocean Waves and Remote Sensing
Overview
This research investigates ocean wave power characteristics using the JONSWAP spectrum through MATLAB simulations, focusing on spectral moments, characteristic wave periods, and energy transmission across varying depths and peak enhancement factors ($\gamma$). The study compares irregular sea states represented by the JONSWAP spectrum with regular monochromatic wave components to analyze their power propagation behavior. Results indicate that an increase in $\gamma$ results in a narrower, more energetic spectrum, significantly influencing mean wave periods and power potential. The findings also highlight a strong correlation between spectral shape, wave regularity, and power transmission, providing insights for assessing wave energy resources and optimizing wave energy converter (WEC) designs.
The analysis confirms that spectral moments are essential for understanding the statistical and dynamic behavior of ocean waves, allowing for the determination of representative wave periods such as $T_z$, $T_e$, and $T$. The comparison of exact spectral integration with approximations shows consistency in intermediate and deep-water conditions, while discrepancies arise in shallow waters due to depth-dependent dispersion effects. The study emphasizes that wave energy is concentrated near the spectral peak, suggesting that WEC designs should align with this dominant energy band for optimal efficiency. Additionally, the evaluation of the depth modification coefficient ($C_h$) and wavelength ($\lambda$) illustrates the critical role of water depth in energy transmission and wave propagation, with reduced power availability in shallower waters, particularly at higher frequencies. These findings underscore the necessity of incorporating depth corrections and wavelength variations in wave power assessments to enhance energy potential estimations and improve WEC placement strategies in coastal and offshore environments.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of wave energy as a renewable power source, emphasizing the need for precise estimation of wave power and its variability with sea state and depth for the effective design of wave energy converters (WECs). It distinguishes between regular (periodic) and irregular (random) wave forms, noting their differing behaviors in deep versus finite waters. The study aims to analyze both wave types to enhance the reliability of energy potential assessments and propagation characteristics.
To achieve this, the authors developed a MATLAB-based numerical framework to compute spectral characteristics, wavelength dispersion, and the modification coefficient ($h_C$) for both deep and finite water conditions. The research evaluates both an approximate formula for wave power and spectrally integrated power across various sea states, focusing on how wave regularity and spectral shape influence energy propagation. The analysis systematically examines the effects of water depth on wave energy extraction and the discrepancies between the two approaches, providing valuable insights into the performance of WECs under realistic ocean conditions.
Discussion
In this section, the discussion centers on the JONSWAP spectrum, an empirical model for ocean wave energy distribution, which refines the Pierson-Moskowitz spectrum by introducing a peak enhancement factor ($\gamma$). The JONSWAP spectrum effectively captures the spectral shape of developing seas, with $\gamma$ values indicating the concentration of energy around the peak frequency. The analysis of spectral moments reveals critical wave parameters, such as peak period ($T_p$), zero-crossing period ($T_z$), and mean wave period ($\bar{T}$), which demonstrate that as $\gamma$ increases, energy becomes more concentrated at lower frequencies, leading to longer, more regular waves and a decrease in spectral width. This transformation from a broad, irregular sea state to a more organized, narrow-banded condition is essential for understanding wave dynamics.
The section also compares spectral integration with an approximation method for estimating wave power, highlighting the significance of depth-dependent effects on energy extraction. The spectral method provides a more accurate representation of wave power, particularly in shallow waters where the approximation tends to overestimate energy due to simplified depth effects. As water depth increases, the two methods converge, indicating that depth corrections are crucial for accurate wave power assessments. The findings emphasize the need for careful consideration of depth and spectral characteristics in the design of wave energy converters (WECs), ensuring optimal placement and efficiency in energy extraction from ocean waves.