lecture12 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004)

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)12. Энергетические ресурсы океана12.1. Баланс возобновляемой энергии океанаОсновная доля энергии, поступающей в Мировой океан – результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масспланеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты.Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты и составляет примерно 360 млн.

км2. Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. В океанской воде примерно 65 % солнечного излучения поглощается первым метром водной толщи и до 90 % – десятиметровым слоем. В дневное время внизких широтах вода прогревается примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхностьсуши прогревается не более чем на 0,5 м).Запасенное океаном тепло частично в виде длинноволнового излучения( λ > 10 мкм) переизлучается, а частично передается в атмосферу теплопроводным пограничным слоем и вследствие испарения. Относительная рольэтих процессов различна для разных районов планеты, но на широтах от 70°с.ш.

до 70° ю.ш. характеризуется примерно одинаковыми значениями [2.9]:длинноволновое излучение в атмосферу и космическое пространство 41 %;передача тепла атмосфере за счет теплопроводности 5 %; потери на испарение 54 %.За счет движения воздушных и водных масс запасенная океаном энергия переносится по всей планете, причем в области между экватором и 70° с.ш. в среднем 40 % тепла переносится океанскими течениями, а на 20° с. ш.вклад океана в перенос энергии составляет до 74%.

Ежегодно с поверхностиокеана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340·1012 т) иоколо 36·1012 т воды возвращается со стоком рек, ледников и т.п.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20041Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Примерно 2/3 суммарного солнечного излучения испытывают в океанеи на поверхности суши различные изменения: преобразуются в тепло 43 %;расходуются на испарение, образование осадков 22 %; сообщение энергиирекам, ветру, волнам, различным видам течений в океане 0,2 %. Примерно0,02 % всей энергии воспринятого солнечного излучения идет на образование продукции фотосинтеза и частично на образование ископаемого топлива.Соизмерим с этой величиной суммарный поток энергии, поступающейиз недр Земли и в виде приливной энергии. Выделить из указанных потоковте, что непосредственно имеют отношение только к океану, достаточнотрудно.

Для энергетики важны не абсолютные величины мощностей различных источников, а лишь та их часть, которую можно преобразовать в требуемые для хозяйственной деятельности виды энергии.Сотрудниками океанографического института Скриппса (США) выполнены оценки суммарных и допустимых для переработки мощностей различных океанических источников энергии за пять лет – с 1977 по 1982 г. Соответствующие данные приведены на диаграммах рис. 12.1.1, на которых отмечены два уровня – суммарный и допускающий преобразование (заштрихован). Более поздние оценки сделаны с учетом целого ряда технологических иэкологических факторов. Они, как правило, в части допустимой к использованию энергии оказались ниже.Рис.

12.1.1. Распределение океанских источников энергии по мощности (правые столбцы – по оценкам 1977 г. [1.89], левые – по оценкам 1982 г. [1.81]).©Кафедра теплоэнергетических систем, 20042Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)При оценке возможностей приливной энергетики учтено, что работатьна полную мощность ПЭС могут только в течение 30 % времени.

Данные поокеанским течениям получены с учетом 1 % допустимого замедления скорости течения. При оценке возможностей энергетического использованияпродукции океанского фотосинтеза приняты во внимание 50 % эффективности преобразования бурых водорослей в метан и возможность размещениясоответствующих ферм в 20 % районов естественного апвеллинга. Апвеллинг – подъем глубинных вод, богатых биогенными веществами, играющи-ми роль удобрений.

Для прибрежных волновых генераторов установленыКПД 50 % и время работы 40 % годового бюджета времени. КПД преобразования градиента солености принят равным 3%, а градиента температур – 5 %,причем в последнем случае считается реальным разместить преобразователина 2 % поверхности океана в тропической зоне. Для ветровых станций коэффициент преобразования энергии ветра принят равным 60%, и допустимым уровнем изъятия мощности считают 1 % мощности ветров, дующих наудалении от берега [1.81, 1.89].Немаловажны и такие «технологические» свойства океанских ресурсовэнергии, как плотность энергии и стабильность источника энергии.

Эти свойства определяют размеры будущих преобразователей, необходимые установленные мощности, режимы использования энергии.12.2. Основы преобразования энергии волнОгромные количества энергии можно получить от морских волн.Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляютдлиннопериодные ( T ≈ 10 с) волны большой амплитуды ( a ≈ 2 м), позволяющие снимать с единицы длины гребня в среднем от 50 до 70 кВт/м.Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывается для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий©Кафедра теплоэнергетических систем, 20043Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превышает величину половины длины волны λ / 2 .Поверхностные волны на глубокой воде имеют следующие основныехарактерные особенности:− волны являются неразрушающимися синусоидальными с нерегулярнойдлиной, фазой и направлением прихода;− движение каждой частицы жидкости в волне является круговым (в товремя как изменяющиеся очертания волн свидетельствуют о распространении волнового движения, сами по себе частицы не связаны сэтим движением и не перемещаются в его направлении);− амплитуда движения частиц жидкости экспоненциально уменьшается сглубиной.− существенно, что амплитуда волны а не зависит от ее длины λ , скоро-сти распространения c , периода T , а зависит лишь от характера предшествовавшего взаимодействия ветра с морской поверхностью.В волнах на глубокой воде нет поступательного движения жидкости.

Вподповерхностном слое жидкости ее частицы совершают круговое движениес радиусом орбиты a , равным амплитуде волны (рис. 12.2.1). Высота волныH от вершины гребня до основания равна ее удвоенной амплитуде ( H = 2a ).Угловая скорость движения частиц ω измеряется в радианах в секунду. Изменение формы волновой поверхности таково, что наблюдается поступательное движение, хотя сама вода не перемещается в направлении распространения волны (слева направо).

Это кажущееся перемещение есть результат наблюдения фаз смещения последовательно расположенных частиц жидкости; как только одна частица в гребне опускается, другая занимает ее место, обеспечивая сохранение формы гребня и распространение волновогодвижения вперед.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20044Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рис. 12.2.1. Характеристики волны.Соотношение, устанавливающее зависимость между частотой и длинойдля поверхностной волны на глубокой водеλ=2πgω2.(12.2.1)Период движения волны2πT=ω=2π2πg=2πλ.g(12.2.2)λСкорость частицы жидкости в гребне волны2πgv = aω = aλ.(12.2.3)Скорость перемещения поверхности волны в направлении x определится какc=gλωλ gλ= =g=.2π ω2πg2π(12.2.4)Скорость c называют фазовой скоростью распространения волн, создаваемых на поверхности жидкости.

Эта величина не зависит от амплитудыволны и неявным образом связана со скоростью движения частиц жидкости вволне.Полная кинетическая энергия на единицу ширины волнового фронта иединицу длины вдоль направления распространения волны равнаEk =ρa 2 g4.(12.2.5)Нормированная потенциальная энергия волны равна в точности такой©Кафедра теплоэнергетических систем, 20045Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)же величинеρa 2 gEp =.4(12.2.6)Полная энергия на единицу площади поверхности волны равна суммекинетической и потенциальной энергий.E = Ek + E p =ρa 2 g2.(12.2.7)Выражение для энергии на единицу ширины волнового фронта и наединицу длины волны вдоль направления его распространения запишется ввидеE λ = Eλ =ρa 2 g λ2.(12.2.8)Подставим λ из (12.2.1)πρa 2 g 2Eλ =,ω2(12.2.9)ρa 2 g 2 T 2Eλ =.4π(12.2.10)что с учетом (12.2.2)Выражение для мощности, переносимой в направлении распространения волны на единицу ширины волнового фронта, имеет видP′ =ρga 2 c4=ρga 2 λ4T.(12.2.11)С учетом (12.2.7) и (12.2.11) мощность P ′ равна полной энергии (кинетическая + потенциальная) E в волне на единицу площади поверхности, умноженной на величину u =c– групповую скорость волн на глубокой воде, с2которой волны переносят энергию.

С учетом выражения для групповой скоростиcP ′ = Eu = E .2©Кафедра теплоэнергетических систем, 2004(12.2.12)6Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Различие между групповой и волновой (фазовой) скоростями являетсяобщим для любых волновых процессов, для которых фазовая скорость зависит от длины волны (дисперсия).Подставляя в (12.2.11) фазовую скорость в виде (12.2.4), получаем соотношениеρg 2 a 2 TP′ =.8π(12.2.13)Следовательно, мощность, переносимая волнами, увеличивается прямопропорционально квадрату амплитуды и периоду.

Именно поэтому для специалистов по океанской энергетике особенно привлекательны длиннопериодные волны, обладающие значительной амплитудой.На практике волны оказываются совсем не такими идеализированносинусоидальными, как это подразумевалось выше. Обычно в море наблюдаются нерегулярные волны с переменными частотой, направлением и амплитудой. Поскольку результирующее волнение чаще всего нельзя представитьсуммой волн, действующих в одном направлении, то мощность, извлекаемаяпреобразователями направленного действия, будет значительно ниже той;которую переносят волны.12.3. Преобразователи энергии волн12.3.1. Преобразователи, отслеживающие профиль волныВ этом классе преобразователей остановимся в первую очередь на разработке профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, названной в честь создателя «утка Солтера». Техническое название такого преобразователя – колеблющееся крыло.

Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности (рис. 12.3.1.1).©Кафедра теплоэнергетических систем, 20047Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рис. 12.3.1.1. «Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны; б –вариант конструкции преобразователя; 1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами; 3 –асимметричный поплавок.Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться.