Енергия на вълните - приливите и отливите


Категория на документа: Други


Енергия на вълните, приливите и отливите

I. Цел:

Целта на учебното пособие е запознаване с основните параметри на морските вълни, приливите и отливите, както и с основните принципи на преобразуване на морската енергия.

Експериментално да се определят основните параметри на морските вълни и да се направи анализ на енергийният ресурс. На базата на получените резултати да се предложи най-подходящият метод и система за производство.

II. Теоретична част:

1. Общи сведения

Водните маси на Световния океан извършват непрекъснати постъпателни и колебателни движения, които се предизвикват от силата на гравитацията, от вятъра, разликата в атмосферното налягане, силата на триене и инерционни сили, които възникват при промяна на скоростта на морските течения. Водните маси пренасят огромна енергия, пропорционална на масата им - в най-горния триметров слой вода на морските течения се съхранява енергия, колкото в цялата атмосфера. Физическата единица за обем на океанския поток се нарича Свердруп и представлява 1 млн.m3./s вода. Гълфстрийм пренася на север 1,3 милиарда мегавата (MW) - това е производството на един милион големи електроцентрали и е 2000 пъти повече от мощността на всички европейски електроцентрали. Енергията на океанските вълни е оценена на 100 млн. MW общо за вълните, разбиващи се по крайбрежията на всички континенти. Следователно движещата се вода представлява практически неизчерпаем източник на кинетична енергия.

Вълните се образуват главно под действието на вятъра, духащ над океаните. Само когато той се характеризира с постоянна скорост, която предизвиква продължително вълнение, е възможно енергията на вълните да се използва ефективно. Области с висок енергетичен потенциал на вълните са западният бряг на Шотландия. Северна Канада, Северозападното крайбрежие на САЩ, Южна Африка и Австралия. Когато енергията на вълните е непостоянна и варира в широки граници, тя не може да бъде ефективен енергиен източник.

Създадени от вятъра, океанските вълни са много концентрирана форма на възобновяема енергия, с нива на средната мощност от много kW на метър ширина на чело на вълната. Разпределението й по света не е равномерно. По-голямата част от енергията се намира в големите северни и южни географски ширини (фиг. 1.1). Съществуват, обаче, много страни с голямо потребление на енергия, за които енергията на вълните представлява голям потенциален източник.

Фиг. 1.1. Средна годишна мощност на океанските вълни, в kW на метър чело на вълната на единица ширина по вълновия фронт

По крайбрежията на света, морското равнище се повишава и понижава благодарение на гравитационното привличане на Луната и Слънцето. Луната упражнява най-силното въздействие: периодът й на завъртане около земята е около 4 седмици, и това, съчетано със собственото ежедневно въртене на Земята, създава приливно-отливен цикъл с продължителност 12 часа и половина. Приливно-отливната амплитуда (цялостното изменение на водното ниво по време на цикъла) достига своя максимум, когато гравитационното привличане на луната се увеличава от това на слънцето: най-висок прилив, който съвпада с период на новолуние или пълнолуние. Минималната стойност, когато слънцето и луната действат в противоположни посоки, се нарича най-нисък прилив. Цикълът от най-високия и най-ниския прилив е с продължителност около един месец. Допълнителните изменения на приливно-отлнвната амплитуда се дължат на факта, че орбитите на луната около земята и на земята около слънцето са елиптични и в малко различни равнини. Тъй като тези движения са точно определени, времето и амплитудата на приливите и отливите са предсказуеми с голяма степен на точност - нещо нетипично за възобновяем енергиен източник. Единствената несигурност засяга местните характеристики на метеорологичното време, които от време на време могат да доведат до ненормално високи (или ниски) приливи и отливи.
Различията в морското ниво се причиняват от градиента на гравитационното поле: на фиг. 1.2. това. Големината и посоката на гравитационните сили в даден регион са представени с големите вектори. Ако извадим средната стойност на силата, можем да видим местните относителни ефекти (по-късите вектори). Морското ниво се променя в съответствие с тези сили.

Фиг. 1.2 Градиент на гравитационното поле на луната и влиянието му върху световния океан.

Ако светът беше напълно покрит с вода, приливно-отливните изменения щяха да бъдат доста малки, с амплитуда от 0,5 метра. Именно наличието на земни маси насочва движението на водата и създава на места много големи амплитуди. Но такива обещаващи райони (където средната амплитуда надвишава 5 метра) не са много на брой, и са неравномерно разположени по целия свят (фиг. 1.3). Затворени водни басейни, като например Средиземно, Балтийско или Черно море, обикновено имат незначителни приливно-отливните изменения.

Фиг. 1.3 Световни ресурси на приливна енергия, достъпни на разумни цени, в GW.

2. Технологии за извличане на енергията на морските вълни

Два са основните подхода при строителството на електроцентрали на морските вълни. Единият е чрез изграждане на брегови електростанции, оползотворяващи енергията на прибойните вълни и другият е офшорни електроцентрали изцяло или полупотопени в морето, най-често в близост до брега. Не може да се каже еднозначно кой подход е по-изгоден, защото много зависи от избора на конкретно място на брега или вътре в морето.

Всеки от разгледаните подходи се реализира чрез различни технически средства. Досега са използвани двадесетина технологии за двата подхода, както и комбинации между тях. Бреговите морски електроцентрали най-често използват водни камери, в което влизат морските вълни и периодично повишават водния стълб в камерите. Разликата във височината на този стълб се оползотворява енергийно пряко чрез водни турбини, работещи на нисък пад, или чрез турбини, подобни на вятърните, когато водния стълб периодично компресира и разрежда въздуха на водата в затворена камера. Това са най-ползваните технологии. Първата е известна като технология на Чапман, а за турбините на втората се използват двупосочни Уелс-ротори, които могат да бъдат и многостепенни. Понеже тези ротори работят непрекъснато при променлива скорост и напор на въздушния поток, за тяхната ефективност е съществено да се оптимизират роторите и технологията като цяло. Това се отнася и за водните пропелерни-импелерни турбини по технологията на Чапман.

3. Технически средства за измерване параметрите на морските вълни.

За изследване параметрите на ветровото вълнение в бреговата зона днес се използват преди всичко контактни измерители - електроконтактни, съпротивителни и капацитивни. Независимо от преимуществата, които притежават тези вълнографи, те имат съществен недостатък - силната им зависимост от състоянието на морската среда, особено при ниски температури около 0°С, предизвикващи обледеняване на първичните им преобразувател ни елементи. Тази основна причина диктува и насоките на развитие на техническите средства за изследване на вълновите процеси : създаване на вълнови измерители на параметрите на морското вълнение, които да не са силно зависими от състоянието на средата, които да притежават технически характеристики, близки или по-добри от използваните сега, а също така да са приложими както за условията на бреговата, така и за дълбоководната морска зона.
Една от съвременните тенденции в тази насока е използването на радиолокатора в различни честотни диапазони като инструмент за дистанционно наблюдение на параметрите на морската повърхност ( МП ).
От появяването им досега методите, средствата и обектът на дистанционно изследване ( течения, приводен вятър, ниво на МП и други ) са се разнообразили изключително много. Анализирайки различните дистанционни методи за измерването на параметрите на морското вълнение най-подходяща е методиката, при която се използва маломощен доплеров радиолокатор с непрекъснато действие при вертикално облъчване на МП.

Saab wave radar - Радарът е от трето поколение. Представлява изключително стабилна система за измерване на вълни и на морското равнище в офшорната околната среда.
Предимства:
· Безопасност на наблюдението
· Оценка на операциите
· Структурен мониторинг (вкл. Air-GAP)
· Принос към MET-океан системи
· Прогнози на времето
· Наблюдение на нивото на водата
Този тип радари е подходящ за измервания при по сурова околна среда.
Насоченият надолу сензор използва радарна техника за да измерва разстоянието до морската повърхност. Периодично извършва измервания и след обработка на самата информация я подава към шина за данни. Изходните данни могат да се изобразяват или да се съхраняват за по нататъшна обработка. Чрез подходящ софтуер ( WaveView) потребителят може да обработва информацията постъпваща от самия сензор. Този софтуер разполага както с цифров изход ( RS232 ) така и с аналогов.



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Енергия на вълните - приливите и отливите 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.