Энергетические ресурсы океана
Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан – результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты. Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты и составляет примерно 360 млн. км 2 . 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 в низких широтах вода прогревается примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхность суши 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 роль этих процессов различна для разных районов планеты, но на широтах от 70° с.ш. до 70° ю.ш. характеризуется примерно одинаковыми значениями: 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 поверхности океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340·10 12 т) и около 36·10 12 т воды возвращается со стоком рек, ледников и т.п.
Примерно 2/3 суммарного солнечного излучения испытывают в океане и на поверхности суши различные изменения: преобразуются в тепло 43 %; расходуются на испарение, образование осадков 22 %; сообщение энергии рекам, ветру, волнам, различным видам течений в океане 0,2 %. Примерно 0,02 % всей энергии воспринятого солнечного излучения идет на образование продукции фотосинтеза и частично на образование ископаемого топлива.
Соизмерим с этой величиной суммарный поток энергии, поступающей из недр Земли и в виде приливной энергии. Выделить из указанных потоков те, что непосредственно имеют отношение только к океану, достаточно трудно. 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. 6.1, на которых отмечены два уровня – суммарный и допускающий преобразование (заштрихован). Более поздние оценки сделаны с учетом целого ряда технологических и экологических факторов. Они, как правило, в части допустимой к использованию энергии оказались ниже.
Рис. 6.1. Распределение океанских источников энергии по мощности (правые столбцы – по оценкам 1977 г., левые – по оценкам 1982 г.).
При оценке возможностей приливной энергетики учтено, что работать на полную мощность ПЭС могут только в течение 30 % времени. Данные по океанским течениям получены с учетом 1 % допустимого замедления скорости течения. При оценке возможностей энергетического использования продукции океанского фотосинтеза приняты во внимание 50 % эффективности преобразования бурых водорослей в метан и возможность размещения соответствующих ферм в 20 % районов естественного апвеллинга. Апвеллинг –подъем глубинных вод,богатых биогенными веществами,играющими роль удобрений. Для прибрежных волновых генераторов установлены КПД 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 преобразователи на 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 на удалении от берега.
Немаловажны и такие «технологические» свойства океанских ресурсов энергии, как плотность энергии и стабильность источника энергии. Эти свойства определяют размеры будущих преобразователей, необходимые установленные мощности, режимы использования энергии.
Основы преобразования энергии волн
Огромные количества энергии можно получить от морских волн. Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют длиннопериодные (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 тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превышает величину половины длины волны λ / 2.
Поверхностные волны на глубокой воде имеют следующие основные характерные особенности:
¾ волны являются неразрушающимися синусоидальными с нерегулярной длиной, фазой и направлением прихода;
¾ движение каждой частицы жидкости в волне является круговым (в то время как изменяющиеся очертания волн свидетельствуют о распространении волнового движения, сами по себе частицы не связаны с этим движением и не перемещаются в его направлении);
¾ амплитуда движения частиц жидкости экспоненциально уменьшается с глубиной.
¾ существенно, что амплитуда волны а не зависит от ее длины λ, скорости распространения c, периода T, а зависит лишь от характера предшествовавшего взаимодействия ветра с морской поверхностью.
В волнах на глубокой воде нет поступательного движения жидкости. В подповерхностном слое жидкости ее частицы совершают круговое движение с радиусом орбиты a, равным амплитуде волны (рис. 6.2). Высота волны H от вершины гребня до основания равна ее удвоенной амплитуде(H =2 a).
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 волнового движения вперед.
Рис. 6.2. Характеристики волны.
Соотношение, устанавливающее зависимость между частотой и длиной для поверхностной волны на глубокой воде
Источник
Морская энергетика
Морская энергетика базируется на использовании энергии волн, возникающих на поверхности акваторий, морских течений и приливов и отливов, а также разности температур и солености в различных слоях морской воды.
Волновая энергетика. Волны – непременное явление на поверхности любого водоема. Волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд кВт, что составляет примерно около 30 % потребляемой в мире энергии. Целесообразность размещения волновых электростанций (ВЭС) определяется региональными особенностями и, прежде всего, плотностью приходящей энергии, то есть её значением на единицу длины волнового фронта. Так, на ряде участков прибрежной зоны США и Японии она составляет около 40 кВт на метр волнового фронта. Более благоприятны условия на западном побережье Великобритании в районе Гебридских островов, где удельная мощность фронта волны достигает 80 кВт/м.
Функциональный принцип работы ВЭС состоит в преобразовании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и однонаправленного усиления, которое и приводит во вращение вал электродвигателя. Волновые электростанции могут быть сооружены непосредственно на берегу или в акватории вблизи берега. Преобразователи волновой энергии любых типов в определенной степени влияют на изменение волнового режима. Накопленный опыт показывает, что наиболее благоприятное влияние на окружающую среду оказывают установки, размещенные в акватории вблизи берега, где происходит интенсивное формирование прибрежной полосы (рис. 5.16, 5.17). Это объясняется тем, что основным источником энергии для береговых процессов являются волны. Волны, трансформируясь и разрушаясь в пределах прибрежной полосы и заливаемой при волнении части суши вследствие уменьшения глубины, расходуют энергию в основном на реформирование подводного берегового склона, на вращение прибрежных насосов и построенные на береговых фермах колеса с лопастями для вращения генератора.
При использовании установок, размещенных в акватории или на берегу, амплитуда волн ослабляется, что изменяет характер их воздействия на береговую зону и на динамику придонных волн.
Следует отметить, что, как и всем возобновляемым энергетическим ресурсам, волновым процессам также присущи некоторые недостатки: сравнительно низкая концентрация энергии, широкий спектр волновых колебаний, относительное непостоянство в пространстве и времени. Но главным преимуществом является то, что эти устройства экологически чистые.
В настоящее время выполнен проект Тугурской ПЭС на Охотском море мощностью 8 МВт. На Белом море проектируется Мезенская ПЭС мощностью 11,4 МВт. А впервые ПЭС в СССР была построена в 1968 г. в Кислой Губе около г. Мурманска. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.
Рис. 5.16. Волновая электрическая станция
В Англии эксплуатируется волновая станция мощностью 500 кВт. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк. Бакены и маяки действуют в прибрежных водах Японии и США. При современной технологии волновая энергетика способна обеспечить потребности в электричестве Западной Европы на 30%.
Рис. 5.17. Волновая электрическая станция
Большое внимание приобрела «океанотермическая энергоконверсия», то есть получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными холодными океаническими водами. Такая установка работает с конца 70-х годов ХХ в. вблизи Гавайских островов. Её полная мощность составляет 50 кВт. Положительный опыт работы этой установки позволил достаточно быстро начать проектирование и строительство модульных электростанций мощностью до 100 МВт, состоящих их отдельных блоков мощностью по 10 МВт каждый.
В какой-то мере аналогичными представляются перспективы получения электроэнергии за счет различия между плотностями соленой и пресной воды, например речной и морской. При этом достаточно реальным представляется получение энергии посредством осмоса.
Явление осмоса представляется в следующем. Если взять полупроницаемую мембрану и поместить её в качестве перегородки в какой-либо сосуд между пресной и соленой водой, то под действием осмотических сил молекулы пресной воды будут переходить через распределительную мембрану во вторую половину сосуда, заполненную соленой водой. При этом молекулы соли мембраной не будут пропускаться в сосудистую систему растений.
Таким образом, в половине сосуда с соленой водой создается повышенное давление, которое уравновешивает осмотические силы, вытеснявшие молекулы пресной воды через полупроницаемую мембрану в соленую воду, то есть создается так называемый осмотический водопад. Осмотическое давление морской соленой воды достигает до 24 атм. Следовательно, в условиях средней концентрации соли в океане возможно образование осмотического водопада высотой до 240 м. В более соленых водах это давление еще выше, например, в водах залива Кара-Богаз-Гол осмотическое давление составляет 200 ат.
Для получения осмотической энергии необходимо иметь вблизи источник с малой концентрацией соли. В условиях Мирового океана такими источниками являются устья рек.
Источник