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

37 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

48237. ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 5.35 MB
  Остов двигателя Уравновешивание одноцилиндрового двигателя. Уравновешивание четырехцилиндрового однорядного двигателя Уравновешивание двухцилиндрового Vобразного двигателя.
48238. Л.Д. Малевич. Українська мова професійного спілкування 282.5 KB
  Стилі і норми української літературної мови в професійному спілкуванні Мовне законодавство в Україні Природа і функції мови. Місце української мови серед мов світу. Правовий статус української мови.
48239. УКРАЇНСЬКА МОВА ЗА ПРОФЕСІЙНИМ СПРЯМУВАННЯМ 888.5 KB
  Усне ділове спілкування. Етика ділового спілкування її предмет та завдання. Структура ділового спілкування. Мовленнєвий етикет Правила усного спілкування фахівця зустрічі переговори телефонне спілкування.
48240. ІСТОРІЯ УКРАЇНИ 430.5 KB
  Програма з курсу Історія України Укл. ВСТУПНЕ СЛОВО Пропоновані матеріали підготовлено з урахуванням проекту навчальної програми з курсу Історія України для вищих навчальних закладів освіти і передбачають розвязання таких завдань: а використання останніх досягнень світової і вітчизняної історичної науки в процесі викладання історії України; б постійне підвищення і вдосконалення наукового і виховного рівня викладання; в забезпечення реалізації в ході навчання принципів історизму та обєктивності в оцінці конкретних подій і явищ; г...
48241. УКРАЇНСЬКА КУЛЬТУРА 102.5 KB
  Ульяновський Українська наукова і культурницька еміграція у ЧехоСловаччині між двома світовими війнами Українська культура: розвиток ідеї та історія книги Автори Української культури: Дмитро Антонович Василь Біднов Дмитро Дорошенко Олександр Лотоцький Симон Наріжний Степан Сірополко Володимир Січинський Дмитро Чижевський Андрій Яковлів Українська культура: Лекції за редакцією Дмитра Антоновича Упор. Ця книжка унікальна спроба цілісного дослідження феномена української культури з найдавніших до...
48242. УКРАЇНСЬКА ЛІТЕРАТУРА ХХ СТОЛІТТЯ 1.33 MB
  Франка нова генерацiя прагнула цiлком модерним європейським способом зобразити своєрiднiсть життя українського народу. Психологiзм змалювання внутрiшнього життя особистостi як важливого моменту образу свiту. Поставши на грунтi класичного реалiзму але не сприйнявши лiнiйно мiметичного принципу зображення життя у формах життя неореалiсти визначали свiй концептуальний принцип мiж документальною достовiрнiстю фiлософськоаналiтичним заглибленням у дiйснiсть та лiричною стихiєю; подеколи промовиста деталь реалiстичного письма сюжет....
48243. УКРАЇНСЬКА МОВА 1.04 MB
  Поняття літературної мови. Тенденції розвитку української літературної мови на сучасному етапі. Функції мови. Культура мови.
48244. Текстове оформлення довідково-інформаційних документів 345.5 KB
  СТАТУТ обєднання співвласників багатоквартирного будинку КРИСТАЛ м. Обєднання співвласників багатоквартирного будинку Кристал надалі Обєднання створюється на підставі Закону України Про обєднання співвласників багатоквартирного будинку від 29 листопада 2001 р. як організаційноправова форма обєднання власників житлових і нежитлових приміщень для сумісного управління єдиним комплексом нерухомого майна й забезпечення...
48245. Українська мова за професійним спрямуванням. Класифікація стилів сучасної української мови 145 KB
  Місце української мови серед інших мов світу. Норми літературної мови. Функціональні стилі сучасної української літературної мови. Місце української мови серед інших мов світу Мова це величне надбання людства.