Использование энергии гидросферы. Энергетические ресурсы океана

Океанические массы обладают двумя видами энергии: механической, обусловленной колебательными движениями волн и приливами, и тепловой, обусловленной разностью температур на поверхности и в глубине океана. Существует еще и энергия океанических течений. Однако эти течения играют очень важную роль в формировании земного климата и нарушать их естественное состояние чревато глобальными негативными последствиями.

Учитывая, что гидросфера занимает более 3/4 поверхности планеты, океаническая энергии априорно достаточно большая, но сильно рассеяна, то есть, имеет малую плотность. Оценка ресурсов и запасов энергии мирового океана дана в главе 1. Здесь мы рассмотрим некоторые аналитические выражения расчета энергии волн и приливов.

Энергия на единицу длины фронта волны на глубокой воде (когда дно не оказывает влияния на ее форму) пропорциональна квадрату амплитуды и периоду /8, 9/:

(9.1)

где w_В – энергия волны на единицу длины фронта волны, Дж/м;

ρ – плотность жидкости в волне, кг/м³;

а – амплитуда волны, м;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Т – период волны, с.

В силу этого, энергетическую ценность представляют волны с амплитудой не менее 2 метров и периодом не менее 10 секунд. Энергия одного метра фронта такой волны составляет более 3 кДж/м. Такие волны имеют место в открытом океане (рисунок 9.1), что усложняет процесс использования их энергии. Вблизи берегов волны имеют гораздо меньший период (3 – 4 с) и меньшую амплитуду (0,5 – 0,6 м), и их энергия на единицу фронта составляет 20 – 50 Дж/м, что пренебрежимо мало по сравнению с волнами в открытом океане.

Удаленность "энергетических" волн от берегов снижает их практическую ценность для получения и использования энергии.

Энергия приливов обусловлена притяжением водной массы системами Земля – Луна (основная причина) и Земля – Солнце (возмущающая причина). В результате взаимодействия с этими телами вода в мировом океане меняет свой уровень. Средняя разность верхнего и нижнего уровня (высота прилива) составляет приблизительно 1 метр, однако, как отмечалось в главе 1, на Земле существую места с гораздо большей разностью, 10 и более метров. В россии это Белое и Баренцево моря (прилив до 10 метров) и Охотское море (прилив до 13 метров).

Повышение высоты приливов объясняется следующим образом. Вода удерживается на Земле (как и все тела) за счет ее гравитационной силы. Луна оказывает возмущающее воздействие на гравитационную силу Земли, ослабляя ее. В результате уровень воды со стороны Луны повышается, а с противоположной стороны понижается. Так как Луна вращается вокруг Земли с периодом Т_Л = 24 часа 50 минут 28 секунд, то в мировом океане образуется приливная волна, двигающаяся вслед за Луной с таким же периодом. Волна – это колебания точек с определенной частотой, связанной с периодом соотношением f_Л = 1/Т_Л. Если эта волна попадает в пространство, где частота собственных колебаний волн кратна частоте приливной волне, то наступает резонанс, который, как известно, увеличивает амплитуду волны.

Расчетами установлено, что полный резонанс возникает при условии

(9.2)

где L – длина резонирующего пространства, м;

h – глубина резонирующего пространства, м.

Приблизительно такие условия и имеются в Белом, Баренцевом и Охотском морях. В Белом море это Мезенская губа, в Баренцевом море – пролив Карские ворота, в Охотском море – Пенжинская губа и Тугурский залив.

Рисунок 9.1. Среднегодовая энергия океанических волн

(наиболее эффективные районы)

– 300 МВт.час/м

Энергия прилива, это энергия поднятой воды, то есть:

(9.3)

где F_Б – площадь поверхности бассейна прилива, м².

Если энергия расходуется за все время прилива и отлива, то средняя мощность прилива равна:

(9.4)

Здесь Т_ПР – период прилива, с.

Высота приливов в течение лунного месяца изменяется по синусоидальному закону с периодом, равным половине лунного месяца. То есть, высота прилива в момент времени t после достижения средней высоты определяет по формуле /9/:

(9.5)

где h_max, h_min – максимальная и минимальная за лунный месяц высота прилива, м;

Т_ЛМ – продолжительность лунного месяца, Т_ЛМ = 29,53 суток.

Средняя мощность перспективных приливных бассейнов в России составляет около 115 ГВт.

Тепловая энергия океана обусловлена разностью температур поверхностного слоя, поглощающего солнечное излучение, и глубинных (холодных) слоев. Мощность, отдаваемая теплой водой в идеальной тепловой машине равна:

Р₀ = ρ с Q (Т_Г – Т_Х) (9.6)

где ρ – плотность теплоносителя, кг/м;

с – теплоемкость теплоносителя, Дж/кг·град.;

Q – расход теплоносителя, м³/с.

Согласно второму закону термодинамики максимальная механическая мощность, которую можно получить в идеальной тепловой машине, равна:

(9.7)

Таким образом, при максимальном перепаде температур в океане 20 К, удельный расход воды составляет 650 кг/кВт.час. Для реальных энергетических установок, естественно, требуемый расход будет больше. То есть, тепловая энергия океана оказывается достаточно дорогой. Кроме того, учитывая низкое качество тепла (качество тепла тем выше, чем выше температура теплоносителя по отношению к температуре охладителя) в качестве рабочего тела придется использовать жидкости с низкой температурой кипения (см. проблемы использования геотермальной энергии).

Учитывая этот вывод, энергетические установки, преобразующие тепловую энергию океана, возможны только в тех местах, где перепад температур не менее 15 градусов. К таким местам в мировом океане относятся его экваториальные районы, русло течения Гольфстрим и других теплых океанических течений. Учитывая, что все океанические течения имеют начало в экваториальных водах и участвуют в тепловом балансе Земли, отбор тепла в этих районах океана должен быть тщательно обоснован с экологической точки зрения.

Дата добавления: 2014-01-06