Энергия океана: перспективы развития

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Омский государственный  технический университет»

 

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине: «Основы электроэнергетики»

на тему: «Энергия океана: перспективы развития»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. ПЭН-512

Хлопцов А.C.

Проверил:

Доцент, к.т.н. Щекочихин А.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск 2012

Содержание:
	Введение                                                                                                            стр. 3
1	Возможности использования энергии  океана                                                стр. 4
2	Энергия волн                                                                                                     стр. 5
3	Конструкции                                                                                                       стр.6
4	Место установки                                                                                                стр.9
5	Проблемы использования                                                                                 стр.9
6	Недостатки существующих установок                                                            стр.9
	Заключение                                                                                                         стр.12
	Список литературы                                                                                            стр.13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Относительное благополучие современного мира сегодня поддерживается использованием около 1 кубического километра углеводородного топлива ежемесячно. 
Попутно с этим около 15 000 куб. км воздуха переходит в газы, вредные для жизнедеятельности живых организмов, что представляет сообщество людей как наиболее вредоносную часть живого потенциала Земли. Уже давно ясно, что даже такое относительное благополучие не может существовать вечно. 
С каждым годом растет напряженность в топливной энергетике, и все отчетливей проявляется необходимость замены энергоносителя. И человечество обязано решить эту проблему в ближайшие 100-150 лет, поскольку более жизненно важной задач и для него, похоже, нет.

            Теоретически сегодня существует лишь два направления, на которых можно было бы сконцентрировать усилия и возможно добиться результата. 
Первый путь сегодня усиленно прорабатывается путем создания экспериментальных термоядерных реакторов. К сожалению, несмотря на огромные затраты этот путь не дает результатов. Экспериментальный рабочий образец очередной раз откладывается лет на 30. Даже при решении теоретических и технических вопросов высококонцентрированная энергия мощностью в десятки тысяч ГВт выделяемые частицами высоких энергий способны принести бесчисленные проблемы экологического характера. Хотя здесь много сторонников это не означает, что проблема может и должна решатся только на этом направлении. 
Второй путь — это освоение солнечной энергии. В традиционном понимании солнечная энергия обладает сравнительно низкой концентрацией и сегодня сдерживается экономическими соображениями. Возможность решить проблему, развернув соответствующее количество солнечных панелей и построив ветроус-тановки, представляется сомнительной. Огромные площади, высокая парусность, определяемые в действительности низкой концентрацией энергии, вряд ли позволят обеспечить выходные мощности в десятки тысяч ГВт.

То же самое можно сказать  и по ряду других источников энергии, имеющих в основе солнечное излучения, таких как биоэнергетика, где  наблюдается дефицит посевных площадей, гидроэнергетика с ограниченным количеством речных стоков. Много энергии можно получить из геотермальных источников, но низкая теплопроводность горных пород вряд ли способна обеспечить необходимые тепловые потоки. Множество других источников, например, энергия приливов и др. вообще носят локальный характер.

На рисунке датского архитектора  Венсано Каллебо (Vincent Callebaut) запечатлен город на 50 тыс. жителей, плавающий  в океане. Данный рисунок, взятый из газеты «Аргументы и Факты», созвучен идеям освоения энергии океана, предлагаемой нами на страницах последних номеров журнала.

Еще во времена парусного флота  французский ученый Д. Арсонваль  увидел колоссальную энергию, скрытую  в градиенте температуры тропического океана. В дальнейшем Жюль Берн в  своем романе «20 тысяч лье под водой» описал корабль, работающий на энергии океана. К сожалению, нефть и уголь заставили забыть эти идеи, но сегодня, видимо, пора вспомнить их с учетом современных условий. Источник энергии в виде тропического океана по своей мощности и доступности не имеет аналогов в природе.

 

1. Возможности использования энергии океана

 

Слой воды толщиной более 50 м, шириной  порядка 5 000 км длиной почти с экватор  и содержащий многолетний запас  солнечной энергии с концентрацией  почти на два порядка превышающей концентрацию прямого солнечного излучения, способен навсегда и в полном объеме обеспечивать людей своей энергией.

Из школьной физики известно, что  теплоемкость воды составляет 1 ккал/кг °С. В тропическом океане поверхность  воды нагревается до 27°С. Относительно холодного бассейна океана, расположенного на глубине свыше 500-600 м, температурный градиент составляет порядка 22°С. Законы термодинамики позволяют около двух процентов этой энергии преобразовать в энергию электричества.

Конечно, силовая установка на термопарах, как у Жюль Верна, вряд ли получится, но современные тепловые машины имеют куда более высокую эффективность и вполне способны выжать эти два процента с приемлемыми затратами на оборудование.

Учитывая, что остальная энергия  практически перекачивается на глубину и рассасывается в нижних холодных слоях, работа станций сопровождается охлаждением поверхности Тропического океана, что на фоне глобального потепления имеет явно положительную тенденцию по экологии. 
Сегодня не редкость увидеть стену дома, увешанную теплообменниками кондиционеров и тепловых насосов. Аналогичные установки, размещенные в водах океана, вполне способны отбирать тепловую энергию для хозяйственной деятельности и перемещения объектов, подобных проекту архитектора Коллебо.

Расчеты показывают, что на 1 Вт электрической  мощности в океане необходимо установить около 20-30 гр титана в виде теплообменного узла, срок службы которого может доходить до 50 лет. По сегодняшнему техническому состоянию нет никаких проблем  построить экспериментальные станции по освоению энергии океана и созданию морских поселений. Вся техническая база тепловых машин не выходит за пределы освоенных технологий. Приходится только недоумевать, что такие энергетические мощности до сих пор находятся вне поля зрения практиков. Примерно то же самое с энергией морских волн.

Традиционно принято использовать тяжелый буй для преобразования энергии морской волны. В результате сконструировано множество малоэффективных станций стационарного типа.

Расчеты, проведенные по формуле E=mgH, показывают, что концентрация энергии морской волны в 4-6 раз выше, чем у ветра, раскачивающего эту волну. Этот факт дает основание пересмотреть установившуюся традицию. В результате спроектирован волновой преобразователь в виде гигантского компрессора, двигающегося в спускающихся с платформы пластиковых трубах, роль поршней в котором выполняет морская волна. Предполагается, что ему по силам конкурировать с парусными судами, даже несмотря на большее гидродинамическое сопротивление, а по комфорту он должен намного их превосходить. Это объясняется тем, что «волноход» способен идти навстречу к ветру, снабжается аккумуляторами и, имея большую базу, хорошо противостоит волновой качке.

Особое место в освоении энергии  океана может найти предлагаемый нами материал, представляющий собой пакеты газонаполненных металлических трубок. Это новый вид строительного материала, предполагаемого для силовых конструкций, представляет собой газонаполненный металл. В ее основе тонкостенная трубка малого диаметра, заполненная инертным газом под высоким давлением и запаянная с обеих сторон.

Пакет таких трубок, связанных между  собой и залитых химически  стойкими материалами, представляет собой  безопасную, исключительно легкую и  прочную конструкцию. Безопасность от наличия газа под высоким давлением обеспечивается его незначительным количеством в единичных элементах конструкции. Это аналог надувной конструкции, но с более высокими силовыми характеристиками. Использование газонаполненных трубок с различными техническими параметрами позволит строить легкие прочные объекты различного назначения в океане и не только.

 

2. Энергия волн

 

Энергия волн — явление малоизученное, хотя и давно известное. Веками люди размышляли над причиной морских  приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление — результат изменения положений Луны и Солнца относительно Земли вкупе с эффектами вращения Земли и особенностями данного рельефа. Высота прилива — величина непостоянная: в зависимости от взаимного расположения Луны и Солнца малая и, соответственно, большая приливные волны могут усиливать друг друга. Для таких приливов сложились названия:

• «квадратурный» прилив — наименьший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют под прямым углом друг к другу (такое положение светил называется «квадратурой»);
• «сизигийный» прилив — наибольший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют вдоль одного направления (такое положение светил называется «сизигией»).

Чем меньше или больше прилив, тем  меньше или, соответственно, больше отлив.

Идея использования энергии  приливов появилась у наших предков  добрую тысячу лет назад. Правда, строили  они тогда не ПЭС, а приливные  мельницы. Одна из таких мельниц, упоминаемая  еще в документах 1086 г., сохранилась  в местечке Илинг на юге Англии. В России первая приливная мельница появилась на Беломорье в XVII в. Но за отсутствием теоретической, равно как и технической баз пыл изобретателей быстро угасал, и широко распространения данная тематика не получила. В ХХ в. ученые вновь задумались над использованием потенциала приливов в электроэнергетике. Десятки научно-исследовательских институтов по всему миру одновременно бросились довольно резво и поначалу успешно разрабатывать конструкции, позволяющие извлекать энергию из волн и суточных перепадов высот воды, и казалось, что основным вопросом будет: кто первым успеет получить патент.  
Ну что там можно принципиально нового придумать? Берем обыкновенный, отлично зарекомендовавший себя на суше ветряк и помещаем его под воду. Но патентов хватило на всех, потому что ветряк под водой работать не захотел. Вернее, он, конечно, заработал, но с таким низким КПД, что срочно потребовалась модернизация. Вот тут-то техническая и творческая мысль ученых всей Земли заработала на всю катушку. Ведь на кону — ни много ни мало — монополия на самые дешевые и производительные на свете приливные электростанции, гора заказов и всемирная слава. Поскольку сразу объять необъятное не вышло, компании решили пока не зацикливаться на комплексном решении, а сосредоточиться на отдельных, кажущихся им наиболее значимыми, аспектах.

Для начала группу проблем разделили  на две: часть ученых продолжила заниматься приливной тематикой, другая же решила развивать направление собственно волн и течений на бескрайних океанических просторах.

3. Конструкции

 

Первыми в сооружении электростанций, извлекающих энергию из суточных движений воды, преуспели французы. В 1925 г. они присмотрели перспективное  место под приливную электростанцию вблизи деревни Абер-Врак (Aber-Wrac’h, департамент Финистер) и даже начали строительство, но из-за финансовых проблем в 1930 г. дело встало. Конструкторские наработки, однако, даром не пропали: они пригодились при сооружении следующей ПЭС, которая и стала первой действующей. Место для нее в устье р. Ранс, впадающей в Ла-Манш (провинция Бретань), выбрал еще в 1921 г. инженер Жерар Буасноэ (Gerard Boisnoer). Даже самые низкие квадратурные приливы поднимаются здесь на 8 м, а в дни т.н. «сизигий» вода превышает отметку 13,5 м. В 1943 г. Общество по изучению использования приливов (SEUM) провело необходимые исследования и составило техническое обоснование проекта ПЭС. Сами же работы по строительству начались только в 1961 г. Главным специалистом проекта стал известный французский архитектор Луи Арретч (Louis Arretche). Плотину, призванную защитить стройку от океанических течений, спроектировал Альбер Како (Albert Caquot), получивший к тому времени титул «лучшего инженера Франции». Два года ушло на осушение строительной площадки. 20 июля 1963 г., когда бассейн будущей ПЭС был надежно заблокирован двумя мощными дамбами, состоялась церемония закладки первого камня, а 26 ноября 1966 г. построенную ПЭС открыл лично президент Франции генерал Шарль де Голль. Сооружение получилось впечатляющим: приливный бассейн площадью 22,5 км2, отгороженные плотиной длиной 750 м, на которой смонтированы 24 турбины общей мощностью 240 МВт. Движение по дамбе было открыто 1 июля 1967 г., а 4 декабря того же года электростанция была подключена к национальной энергосети (EDF). Несмотря на внушительные размеры (эта электростанция по сей день является одной из крупнейших в мире среди ей подобных), электростанция обеспечивает лишь 0,012 % необходимой французам электроэнергии.