3034

Альтернативные источники энергии: энергия волн

Контрольная

Физика

Энергия волн — энергия волн на поверхности океана, используемая для совершения полезной работы — генерации электроэнергии, опреснения воды и перекачки воды в резервуары. Энергия волн — возобновляемый источник энергии. Мощность волнени...

Русский

2012-10-23

167 KB

35 чел.

Энергия волн — энергия волн на поверхности океана, используемая для совершения полезной работы — генерации электроэнергии, опреснения воды и перекачки воды в резервуары. Энергия волн — возобновляемый источник энергии.

Мощность волнения оценивают в кВт на погонный метр, т.е. в кВт/м. По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Так, средняя мощность волнения морей и океанов, как правило, превышает 15 кВт/м. При высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. То есть, при освоении поверхности океанов не может быть нехватки энергии. Конечно, в механическую и электрическую энергию можно использовать только часть мощности волнения, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха - до 85%.

Волновая энергия представляет собой сконцентрированную энергию ветра и, в конечном итоге, солнечной энергии. Мощность, полученная от волнения всех океанов планеты, не может быть больше мощности, получаемой от Солнца. Но удельная мощность электрогенераторов, работающих от волн, может быть гораздо большей, чем для других альтернативных источников энергии.

Несмотря на схожую природу, энергию волн принято отличать от энергии приливов и океанских течений. Выработка электроэнергии с использованием энергии волн не является распространенной практикой, в настоящее время в этой сфере проводятся только экспериментальные исследования.

Представляет интерес и использование энергии волн для движения судов (движители волновые).

Энергия морских волн значительно выше энергии приливов. Приливное рассеяние (трение, вызванное Луной) составляет порядка 2,5 ТВт. Энергия волн значительно выше и может быть использована значительно шире чем приливная. Страны с большой протяженностью побережья и постоянными сильными ветрами, такие как Великобритания и Ирландия, могут генерировать до 5 % требуемой электроэнергии за счет энергии волн. Избыток генерируемой энергии (общая проблема всех непостоянных источников энергии) может быть использована для выработки водорода или алюминия. Основной задачей получения электроэнергии из морских волн-это преобразование движения вверх-вниз во вращательное для передачи непосредственно на вал электрогенератора с минимальным количеством промежуточных преобразований,при этом,желательно,чтобы большая часть оборудования находилась на суше для простоты обслуживания.Недавно выдан Российский патент № 82283 на механизм позволяющий преобразовывать движения качания поплавка на волнах с любой амплитудой во вращение.Выходной вал устройства вращается как от движения поплавка вниз так и вверх.Механизм находящийся на берегу соединяется с поплавком штангой.Кроме того механизмы можно секционировать на общий вал для получения большей суммарной мощности.

 Волнение обычно разделяют на три типа: ветровые волны, которые находятся под непосредственным воздействием ветра, волны зыби, которые наблюдаются после прекращения ветра или после выхода волн из зоны действия ветра, и смешанное волнение, когда ветровые волны накладываются на волны зыби.

 Поскольку ветры над морем изменчивы по скорости и направлению, ветровое волнение пространственно неоднородно и существенно изменчиво во времени. При этом волновые поля еще более неоднородны, чем ветровые, так как волны могут прийти в тот или иной район одновременно из различных зон зарождения.

 В последние годы наука существенно продвинулась в познании ветрового волнения и разработан ряд методов (статистический, спектральный и др.) количественного описания вероятностной структуры изменчивости и неоднородности волнового поля. При этом широко использованы достижения теории вероятностей, гидромеханики, математической статистики.

Энергия волн с точки зрения гидродинамической теории

 Согласно гидродинамической теории, энергия волны складывается из кинетической энергии Eк частиц жидкости, участвующих в волновом движении, и потенциальной энергии Eп, определяемой положением массы жидкости, поднятой над уровнем спокойной поверхности. В волнах малой амплитуды энергия, приходящаяся на площадь, имеющую длину волны и единичную ширину, равна :

где плотность воды, g – ускорение свободного падения, h – высота волны, λ длина волны.

Полная механическая энергия жидкости, приходящаяся на единицу длины

Поток энергии через полоску вертикальной плоскости единичной ширины и бесконечной глубины, перпендикулярную направлению распространения волны, определяется как работа сил давления по выбранному направлению в единицу времени в среднем за период волны или как скорость переноса волновой энергии

где Т – период волны, π - групповая скорость распространения волн.

 Получаем, что мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют длиннопериодные (Т~10 с) волны большой амплитуды (2 м и более), позволяющие снимать с единицы длины гребня от 50 до 70 кВт/м и более.

 Выражения (5.1-5.3) пригодны для описания энергетических характеристик регулярных волн в волновых бассейнах или мертвой зыби. В природе ветровое волнение представляет собой стохастический процесс с большим разбросом амплитуд и составляющих его гармоник. Для его описания классическую теорию модифицируют, используя статистический и спектральный подходы.

Анализ методов оценки потенциала волновой энергии

В первом подходе, предложенном Н.Н. Паникером, в качестве оценочных значений в нерегулярном волнении приняты параметры Hs и Тs значительного волнения. Под значительным волнением понимается среднее из 1/3 наиболее крупных волн, т.е. волнение с обеспеченностью 12,5%.

 Этот метод был использован для оценки волновых энергозапасов в прибрежных зонах Мирового океана. Основу их составили визуальные наблюдения за волнением, скорректированные путем расчета волновой обстановки по метеорологическим данным. Практически во всех районах значение мощности превышает 15 кВт/м. Наибольшие значения мощности волнения Мирового океана отмечаются в высоких широтах северного и южного полушарий Земли – до 70-90 кВт/м.

 Основным недостатком описанного метода является то, что расчет делается на фиксированный момент времени. Кроме того, параметры значительных волн не отражают всей статистики волнения. Для устранения этого недостатка Г.В. Матушевским  был предложен метод, использующий средние многолетние значения характеристик волнения, наблюдавшегося в пределах данной ячейки за много лет. Была введена режимная климатическая функция ψ (h,T), описывающая разнообразие индивидуальных высот волн в длительной нестационарной выборке . Поток энергии волнения с учетом этой двумерной функции плотности распределения высот и периодов может быть представлен в виде:

Значения потока волновой энергии в морях России, вычисленные по методу Матушевского, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Потоки волновой энергии в морях России


В спектральном подходе к изучению мощности волнения элементарная мощность волны dФ, частота которой лежит в диапазоне d ω, а направление распространения в диапазоне d θ, представляется в виде:

Общий поток энергии волн по всем частотам и направлениям равен:

Здесь S(ωθ) - двумерный энергетический спектр ветрового волнения. Часто вместо двумерного энергетического спектра используется частотный спектр

Это позволяет записать поток энергии в виде:

 При использовании спектрального подхода оценка энергозапасов ветрового волнения полностью зависит от энергетического спектра и от адекватности его всем стадиям развития волнения. В настоящее время описание частотного спектра реального волнения представляется трудноразрешимой задачей. Имеющиеся выражения спектров обычно получают в предположении стационарности случайного волнового процесса. Предложено множество выражений частотных спектров, соответствующих определенным стадиям и условиям развития волнения (спектры Крылова, Неймана, Давидана). Это затрудняет выбор конкретного вида спектра, соответствующего некоторым средним для данной акватории условиям развития волнения за большой промежуток времени (сезон, год).

 В И.Н.Давиданом, Л.И.Лопатухиным, В.А.Рожковым и др. выполнено обобщение представлений о развитии волнения, и дано выражение однопараметрического энергетического спектра, результаты расчета потока энергии по которому со средними параметрами h и T представлены в графическом виде на рис. 1. Для удобства на график нанесены статистические кривые, определяющие границы ветрового волнения и зыби, а также кривые соответствующих ветровому волнению скоростей ветра.

Для определения режимных энергетических характеристик акваторий морей и океанов используются справочные сведения по режимно-климатическим параметрам волн, основу которых составляют попутные визуальные судовые наблюдения. Эти сведения обычно приводят в виде повторяемости Pij, ωj по различным сезонам для каждого района. В этом случае режимный поток энергии волнения с учетом повторяемости можно представить в виде:




Важным вопросом практического использования справочных данных является идентификация визуально наблюденных параметров волн с параметрами волн определенной статистической обеспеченности. Как следует из анализа, в Справочнике Регистра СССР представлены режимно-климатические сведения о высотах волн 10% ной обеспеченности, что примерно соответствует понятию “значительных” волн.

Рис. 1. Поток энергии волн по спектру И.Н. Давидана со статистическими
характеристиками ветрового волнения в зависимости от скорости ветра

Вычисления режимного потока волновой энергии для Северной зоны Атлантического океана представлены в табл. 2. Из этой таблицы вытекает важная особенность морского волнения, заключающаяся в его неравномерности по сезонам года. В зимние месяцы оно примерно в два раза выше, чем в летние.

Таблица 2

Поток волновой энергии по Северной зоне Атлантического океана, кВт/м

Широты

Месяцы

Средний

за год

XII-II

III-Y

YI-VIII

IX-XI

Полярные

92

67

46

79

71

Умеренные

85

81

49

89

76

Оценка потенциала волновой энергии по конкретным районам

Переходя от анализа методов оценки потенциала волновой энергии к оценке ее запасов по конкретному району – прибрежной зоне Мурманской области, можно констатировать следующее. По данным Сичкарева В.И.  поток волновой энергии в Северной Атлантике составляет в среднем за год 71-76 кВт на 1 м фронта волны. Эта оценка перекликается с данными, приведенными в, где по материалам зарубежных авторов в условиях побережья Великобритании среднегодовая удельная мощность волн достигает 70 кВт/м, а на западном побережье Канады – 60 кВт/м.

 Баренцево море, омывающее побережье Кольского полуострова, Архангельской области и Новой Земли, прилегает к крайней северо-восточной части Атлантического океана. Согласно оценке Матушевского Т.В.,  потенциал волновой энергии здесь составляет 22-29 кВт/м. Эти цифры близки к данным, характеризующим потенциал энергии волн в соседнем  регионе у берегов Норвегии – 25-30 кВт/м.

 Обобщая представленные данные, можно заключить, что в Баренцевом море удельная среднегодовая мощность волн может составить около 20-25 кВт/м.

Если учесть, что волны формируются под воздействием ветра и что имеется тесная корреляционная связь (рис. 2) сезонного изменения скорости ветра на северном побережья Кольского полуострова с волнением моря в Северной Атлантике (кривые 1 и 2 на рис. 3), то можно сезонное изменение потока волновой энергии Баренцева моря представить кривой 3 (на том же рис. 5.3). То есть можно ожидать, что в зимние месяцы средний потенциал волновой энергии составит 30-32 кВт/м, а в летние – 15-20 кВт/м.

Рис. 2. Корреляционная связь потока волновой энергии Ф со среднемесячной скоростью ветра.

Большое открытое водное пространство Баренцева моря и частые сильные ветры зимой (ноябрь-март) благоприятствуют развитию сильного волнения. В этот период волны высотой 6 м имеют повторяемость 5-8%, а более 8 м – около 2%. В летние месяцы повторяемость сильного волнения уменьшается, и даже в западной и центральной частях моря для волн более 6 м она составляет 1,0-1,5%.

 Что касается Белого моря, то его среднегодовой потенциал волновой энергии значительно ниже – 9-10 кВт/м, это связано со сравнительно небольшими размерами моря и наличием зимой ледяного покрова.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29529. Дифференциал функции. Приложения производной 389 KB
  Дифференциал функции записывается в виде . Дифференциалом 2ого порядка функции называется дифференциал от её первого дифференциала и обозначается т. Если независимая переменная то для нахождения дифференциала функции справедлива формула .
29530. Теоремы о дифференцируемых функциях. Формула Тейлора 300.5 KB
  Если функция непрерывна на отрезке дифференцируема на интервале и то на существует точка такая что . Если функция непрерывна на отрезке и дифференцируема на интервале то на существует точка такая что формула Лагранжа. Если функции и непрерывны на отрезке дифференцируемы на интервале и при всех то на интервале существует точка такая что формула Коши.150 Проверить выполняется ли теорема Ролля для следующих функций и если выполняется то для каких значений : а на отрезке ; б на отрезке ;...
29531. Правило Лопиталя 234.5 KB
  Правило Лопиталя. Правило Лопиталя используют для раскрытия неопределённостей видов и . На каждом этапе применения правила Лопиталя следует пользоваться упрощающими отношение тождественными преобразованиями а также комбинировать это правило с любыми другими приёмами вычисления пределов.
29532. Исследование функций и построение графиков 409 KB
  Точка принадлежащая области определения функции называется критической точкой функции если в этой точке или не существует. Критические точки функции разбивают её область определения на интервалы монотонности интервалы возрастания и убывания. Если точка экстремума функции то или не существует.246 Наибольшее и наименьшее значения функции.
29533. Функции нескольких переменных (область определения, частные производные, дифференциал) 442 KB
  Естественной областью определения функции называется множество точек для координат которых формула имеет смысл. Графиком функции в прямоугольной системе координат называется множество точек пространства с координатами представляющее собой вообще говоря некоторую поверхность в . Линией уровня функции называется линия на плоскости в точках которой функция принимает одно и тоже значение .
29534. ФНП (неявная производная, градиент, производная по направлению, эластичность, локальные и глобальные экстремумы) 487.5 KB
  63 Найти производную для функций заданных неявно: а ; б ; в ; г .64 Найти производные указанного порядка для функций заданных неявно: а если ; б если .65 Найти частные производные для функций заданных неявно: а ; б ; в ; г 6.66 Найти дифференциал функции заданной неявно в указанной точке если: а ; б .
29535. ФНП (производная сложной функции, условные экстремумы, касательная плоскость и нормаль, выпуклость) 418.5 KB
  Достаточное условие условного экстремума. Пусть - точка возможного условного экстремума функции , т.е. в этой точке выполнены необходимые условия условного экстремума. Тогда, если при всевозможных наборах значений , удовлетворяющих соотношениям () и не равных одновременно нулю:
29536. Векторный анализ. Теория поля 102.5 KB
  Векторные функции действительной переменной. Если каждому значению действительной переменной поставлен в соответствие вектор то говорят что на множестве задана векторфункция действительной переменной . Задание векторфункции равносильно заданию трёх числовых функций координат вектора : или кратко .
29537. Функция. Основные понятия. Графики элементарных функций 439 KB
  Графики элементарных функций.12 найти область определения функций: 4.21 выяснить какие из указанных функций четные какие нечетные.30 выяснить какие из функций являются периодическими и определить их наименьший период Т: 4.