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

36 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

35833. Структурная схема подключения ЦАП к микропроцессорной системе с использованием ША, ШУ, ШД. Программа на ассемблере для вывода данных 931.4 KB
  MOV Аl FFh загрузка в 8битный акк. При адресации испся регистры общ значения Dx и l MOV Аl 378h в регр Dx попадает число 378 адрес внешнего устройства OUT Dx l содержимое аккра попадает во внешн порт адрес котго хранится в Dx это косвенная адресация. формируется сигнал чтения MOV Dx 379h в регр Dx попадает число 379 IN l Dx инфия из порта адрес котго хранится в регре Dx попадает в аккр 3. Программа выполняет: Выставляет данные на 378 порт; выдает сигн...
35834. Информация, данные, кодирование. Автоматизированные информационные системы (АИС): информационно-поисковые системы (ИПС), банки данных (БнД), базы знаний (БЗ) 448.5 KB
  Автоматизированные информационные системы АИС: информационнопоисковые системы ИПС банки данных БнД базы знаний БЗ. Информация это комплекс логически связанных мыслей возникших в сознании на основании полученных данных. Запрос это вопрос к базе данных БД. АИС длятся на: ИПС информационнопоисковые системы; БнД банки данных; БЗ базы знаний.
35835. Математические методы анализа экономики 435 KB
  Для разрешимости транспортной задачи необходимо чтобы суммарные запасы продукции у поставщиков равнялись суммарной потребности потребителей. В нашем случае потребность всех потребителей 65 единиц продукции равна запасам всех поставщиков. из незадействованных маршрутов маршрут доставки продукции от поставщика 1 к потребителю B4 наиболее рентабельный. Запасы поставщика 1 составляют 20 единиц продукции.
35837. Реализация переключательных функций на логических элементах 794.5 KB
  В нашем примере нужен элемент ИЛИ с двумя входами 2 элемента И с двумя входами каждый рисунок 1. Рисунок 1. 3 Конъюнкции образованные одной переменной отсутствуют поэтому данное выражение является исходным для реализации схемы рисунок 2. Рисунок 2 Реализация ПФ 3.
35838. Эконометрика 771.13 KB
  Модель парной регрессии. Условия нормальной линейной регрессии ГауссаМаркова. Задачу определения парной регрессии можно сформулировать так: по наблюденным значениям одной переменной X нужно оценить или предсказать ожидаемое значение другой переменнойY. В модели линейной регрессии теоретически предполагается существование между переменными X и Y связи след вида: Простейшая регрессионная модель: y = βx U 1 y зависимая объясняемая переменная результирующий признак; х независимая объясняющая переменная...
35839. Менеджмент 783 KB
  Классическая школа организации управления Школа научного менеджмента самая первая по времени возникновения школа в теории организации. Теоретики этой школы впервые постулировали что объект управления в организации человек и только им можно управлять. Рассматривая организацию как единый организм Файоль определил что для любой деловой организации характерно наличие шести видов деятельности или шести функций: техническая деятельность производство: техника технология инженеры коммерческая деятельность закупка сбыт и обмен...
35840. Линейное программирование. Задачи линейного программирования 769.1 KB
  Симплексный метод решения задачи линейного программирования ЛП Симплексный метод СМ алгебраический метод позволяющий решить задачу ЛП с помощью итераций. Идея СМ начиная с некоторого исходного опорного решения начальной точки с учетом ограничений осуществляется последовательно направленное перемещение по опорным решениям задачи к оптимальному к точке глобального оптимума угловая точка такая что при перемещении в любую другую точку допустимой области решений значение ЦФ не убывает для задач на mx и не возрастает на min....
35841. Методы расчета линейных электрических цепей постоянного тока 682 KB
  После нахождения контурных токов токи которые протекают в совместных ветвях находят как разности соответствующих контурных токов Метод узловых потенциалов Ток в любой ветви схемы можно найти по закону Ома для участка цепи содержащей ЭДС. Ток в данной цепи не изменяется если ветвь b включает в себя 2 разные и противоположно направленные ЭДС Ток протекающий через данную цепь можно представить как сумму двух токов где I ток вызванный ЭДС E1 и всеми источниками ЭДС и тока активного двухполюсника; I ток вызванный одной ЭДС E2 Можно...