Береговые волновые преобразователи

Содержание

1. Введение ……………………………………………………...……………………3

2. Энергия ветровых волн ………………………………………………………..5

2.1. Элементы волны ………………………………...……………………5

2.2. Скорость ветровых волн ………………………..…………………6

2.3. Высота волны ………………………………………………………….7

2.4. Энергия волн ……………………………………………………………7

3. Волновые энергетические установки ……………………….……………..9

3.1. Общие положения ……………………………………………………..9

3.2. Береговые волновые преобразователи ……………………………..10

3.3. Волновые энергетические установки, использующиеся в открытом море ……………………………………………………..12

4. Проблемы волновой энергетики ……………………………………………18

5. Библиографический список ………………………………………………….. 19

 

Введение

В последние годы во всем мире ведутся исследования, направленные на поиск и вовлечения в топливно-энергетический баланс новых источников энергии. Особый интерес проявляется к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ), таким как энергия солнца, ветра, гидроэнергия малых рек, приливная энергия и др. Потенциальные возможности применения этих источников практически не ограничены. Их экологическая чистота не вызывает сомнений.

В данном реферате мы рассмотрим преобразование энергии ветровы волн.

Энергетический потенциал энергии ветровых волн достаточно велик. Суммарная потенциальная мощность ветрового волнения мирового океана оценивается исследователями в пределах от 30 млн. МВт до 1 млрд. МВт. Однако мощность волн, которая может быть полезно использована человеком, значительно меньше и оценивается в пределах 2,7-5,0 млн. МВт.

Волновая энергия обладает более высокой по сравнению с ветром и солнцем плотностью энергии. Морские волны накапливают в себе энергию ветра на значительном пространстве разгона. Они являются, таким образом, природным концентратом энергии. Еще одно достоинство волнения – его повсеместность, благодаря чему оно доступно широкому кругу прибрежных потребителей. Недостаток волновой энергии заключается в ее нестабильности во времени, зависимости от ледовой обстановки, сложности преобразования и передачи потребителю.

Работы, направленные на изучение возможностей использования волновой энергии, были начаты более 200 лет назад и заметно интенсифицировались, начиная с 70-х годов XX века. К настоящему времени в ряде стран мира зарегистрировано более 1000 предложений по способам преобразования энергии волн, устройствам для их осуществления и отдельным узлам волновых энергетических установок. Проблема практического использования энергии ветровых волн отличается большой сложностью. При ее решении необходима разработка устройств приема и преобразования энергии, мощных систем крепления, способных выдерживать большие нагрузки, особенно в экстремальных условиях. Требуется оценка параметров ветрового волнения и закономерностей их изменения, а также изучение вопросов влияния волновых установок на окружающую среду (эрозия и формирование берегов, взаимодействие с судоходством и др.).

В ряде стран разрабатываются программы создания волновых энергоустановок, создаются и испытываются модельные образцы. В настоящее время в мире эксплуатируется более 300 автономных навигационных буев, использующих энергию волн, изготовленных фирмами Японии и Индии. Состоялся пуск первой волновой электростанции в Великобритании на острове Айслей. На участке береговой линии западного побережья Великобритании длиной 10 км можно получить мощность 250 МВт. На Гебридских островах будет построена демонстрационная ветровая электростанция мощностью 6 МВт.

Прототип волновой энергетической установки выдал электроэнергию в энергосистему Шотландии. В период шторма турбина может развивать мощность до 875 кВт, а при нормальных условиях ее мощность около 35 кВт. Конструктивно установка представляет собой бетонную камеру шириной 5, длиной 10 и высотой 9 м.

Сообщается о натурных испытаниях опытной установки (Япония) длиной 24,5 м, высотой 27 м, заглубленной под уровень моря на 18 м. Ее воздушная турбина диаметром 1,33 м начинает отдавать энергию при высоте волны 0,7 м, а при высоте волны 3 м ее мощность около 60 кВт.

Доклады и сообщения по использованию энергии волн были сделаны более, чем на 30 международных конгрессах и симпозиумах по энергетике, физике океана, судостроению, защите берегов, инженерной технологии и т.п. Несколько международных совещаний было посвящено только проблеме использования энергии морских волн.

 

 

Энергия ветровых волн

Элементы волны

Каждая волна характеризуется определенными элементами. Общими элементами для волн являются:
1. вершина - наивысшая точка гребня волны;
2. подошва - самая низкая точка ложбины волны;
3. высота (h) - превышение вершины волны;
4. длина () - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн;
5. период (Т) - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль; другими словами, это промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине;
6. крутизна (е) - отношение высоты данной волны к ее длине. Крутизна волны в различных точках волнового профиля различна. Средняя крутизна волны определяется отношением:

, (1)

7. скорость волны (с) — скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода; волны;
8. фронт волны — линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяются по ножеству волновых профилей, проведенных параллельно генеральному направлению распространении.

Рисунок 1. Основные элементы волны

 

Скорость ветровых волн

Ветровые волны характеризуются лишь незначительным горизонтальным перемещение воды. С ростом глубины горизонтальное перемещение становится пренебрежительно малым уже при глубине, превышающей длину волны. В результате на глубокой воде волны практически не взаимодействуют с дном и их поведение не зависит от глубины. Поэтому фазовая скорость волны является функцией только длины волны. На глубокой воде

(2)

Любая система, в которой скорость волны зависит от ее длины, называется дисперсной. Следовательно, глубокий океан является типичной дисперсной системой. При скорость волны становится независимой от (система перестает быть дисперсной). Но при этом становится зависимой от глубины .

На мелкой воде

(3)

Все перечисленное выше относится к фазовой скорости волны. Групповая скорость, т.е. скорость распространения энергии, отличается от фазовой скорости в дисперсной среде. Для двух предельных случаев (глубокая и мелкая волна) верны следующие соотношения:

 

на глубокой воде:

(4)

 

на мелкой воде:

(5)

 

Высота волны

Высота волны зависит:

1) разгона волны;

2) продолжительности действия ветра;

3) скорости ветра.

Рисунок 2. График зависимости высоты волны от скорости ветра

Максимальная зафиксированная высота волны равнялась 34 м; длина ее составляла 342 м; период 14,8 с.. Она имела фазовую скорость 23,1м/с и групповую скорость около 11,5 м/с

Энергия волн

Согласно гидродинамической теории, энергия волны складывается из кинетической энергии E_к частиц жидкости, участвующих в волновом движении, и потенциальной энергии E_п, определяемой положением массы жидкости, поднятой над уровнем спокойной поверхности. В волнах малой амплитуды энергия, приходящаяся на площадь, имеющую длину волны и единичную ширину:

, (6)

где - плотность жидкости, ; - ускорение свободного падения, ;

- длина волны, м; - высота волны, м.

Полная механическая энергия жидкости, приходящаяся на единицу длины:

, (7)

Поток энергии через полоску вертикальной плоскости единичной ширины и бесконечной глубины, перпендикулярную направлению распространения волны, определяется как работа сил давления по выбранному направлению в единицу времени в среднем за период волны или как скорость переноса волновой энергии:

, (8)

 

Таблица 1. Потоки волновой энергии в морях России

 

 

Рисунок 3. Зависимость потока волновой энергии от скорости ветра

Волновые энергоустановки

Общие положения

В основе работы различных волновых установок лежит использование или скорости жидкости, или изменений угла наклона волновой поверхности, или изменений гидростатического и полного гидродинамического давления волн.

Независимо от типа все волновые установки состоят из трех основных частей: рабочего тела, силового преобразователя, системы крепления. Функциональное назначение каждой из частей состоит в следующем

Рабочее тело находится в непосредственном контакте с водой, совершает под действием волн те или иные движения или изменяет тем или иным образом условия движения волны. В качестве рабочего тела выступают поплавки, водяные колеса или турбины, волноотбойные устройства, набережные стенки и другие сооружения. Рабочее тело преобразует энергию воды в какой-либо другой вид энергии, более удобный для дальнейшего преобразования.

Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии,запасенной рабочим телом (механической энергии движения рабочего тела, перепада уровней в бассейнах, давления воздуха или масла), в энергию, пригодную для передачи на расстояние или для непосредственного использования. В качестве силовых преобразователей выступают многочисленные гидравлические, как правило, поршневые насосы, зубчатые, цепные, тросовые передачи, гидравлические турбины и водяные колеса, воздушные турбины, другие известные или специально усовершенствованные устройства.

Система крепления удерживает на месте волновую установку. Если установка располагается на берегу, то в качестве системы крепления выступает сама конструкция установки. Волновые установки, размещаемые в акваториях, крепятся с помощью монолитных, столбчатых или рамных опор, цепей или тросов, прикрепляемых ко дну с помощью жестких конструкций или якорей. Гибкими связями установка может быть соединена и с транспортирующим ее судном. Имеются предложения, в соответствии с которыми плавучая волновая установка не имеет креплений и находится в дрейфе, а запасенная аккумулированная энергия снимается с установки через достаточно длительные промежутки времени.

Береговые волновые преобразователи