Нақты толқындардың сипаттамасы

Іс жүзінде толқындар жоғарыда көрсетілгендей идеалды синусоидты емес болып шықты. Тек кездейсоқ, табиғи немесе жасанды дифракция немесе арналардағы қозғалысқа байланысты толқындар идеалды кескінге келеді. Қалыпты жағдайда теңізде тұрақты емес, жиілік, бағыт, амлитудасы ауыспалы толқындар бақыланады. Басым болатын жел әсерінен толқындардың қозғалысы бірегей бағыт алуы мүмкін(мысалы, Британ аралдарының толқындары үшін оңтүстік-батыс немесе солтүстік-шығыс бағыт басым болады). Аса тұрақсыз желдер сулардың тұрақсыз, қысқа мерзімді қозғалысын- дауылды толқындарды тудырады. Теңіз тереңдігі 30 м және одан кем болған кезде, шоғырландырушы және бағыттаушы әсерлер болуы мүмкін. Кей аумақтарда салыстырмалы түрде тұрақты немесе қуатты толқындар пайда болуы мүмкін. Толқындық энергетикалық құрылғылар табиғи жағдайлардың кең ауқымды әсерлеріне төзімді болуы қажет және орналасқан аумағына тәуелсіз едәуір ұзақ мерзім ішінде максмалды қуат алуы керек. Осыған ұқсас құрылғыларды жобалау кезінде, бірінші ретте, кем дегенде 50 жылда бір рет қуаттылығы орнатылған аумаққа тән толқындардан әлдеқайда күшті толқындардың пайда болу мүмкіндігін ескерген жөн.

Берілген нүктедегі толқын биіктігі әдетте аналогтық толқын өлшеуіштері арқылы тіркеледі. Толқындардың келу бағыты туралы мәліметтер алу үшін, арнайы өлшеулер қажет. Толқын рекодерының жазбалары туралы ақпар 12.8-суретте көрсетілген. Сынық уақыт аралығындағы көлденең қозғалысты тіркейді. Қазіргі кездегі толқын өлшеуіштері өлшемі үлкен мәліметтерді ЭЕМ арқылы одан арғы өңдеуге мүмкіндігі бар, тіркеудің сандық әдістерін қолданады. Егер Н шамасы өлшеген сайын айтарлықтай өзгеріп отырса, онда құбылыстың мәнін ең жақсы сипаттайтын, есептеп шығарудың түрлі статистикалық негізделген мәндері бар әдістер қолданылады.

Әдетте едәуір көп уақыт бойы өлшенетін негізгі айнымалы шамалар болып табылады:

 

 

Сурет 12.8. Толқын өлшеуіштің жазу мысалы (мысал шартты, жоталар арнайы белгіленген). Штрихпунктирлы түзу теңіздің орта деңгейіне сәйкес келеді.

N_c- таңдап алынған уақыт аралығындағы толқын саны, 12.8-суретте олардың саны 10-ға тең. Н_1/3-толқын биіктігі, 1/3 қамтамасыз етілуі. Бұл таңдап алынған уақыт аралығындағы ең биік толқындардың 1/3 орташа көрсеткіші. Н_1/3 бұл ең жоғары көрсеткіштердің N_c/3 орташа мәні. Н₃-толқындардың тән биіктіктері.

 

(12.42)

мұндағы - бірдей уақыт аралығында, n рет өлшенген кеңістіктің орташа деңгейінен толқынның беткей арқылы ауысуының орташа квадратының түбірі. Бірдей уақыт аралығында алынған шамалар өлшеу, максималды қарқындылықпен салыстырғанда 2 есе аз жиілікте тіркеу, өлшеу кезіндегі қателіктерді жоққа шығарады. Өлшенген немесе ең жоғары ықтимал толқын биіктігі Н_max 50 жылда 1 рет 50 -ке тең мәнді қабылдауы мүмкін. Дәл осы көрсеткіштер теңіз қондырғыларын жобалау кезінде қолданылады. орташа ауытқу Т_s-жоталары толқынды өлшеу кезіндегі уақыт аралығын жота санына бөлу арқылы анықталады. 12.8-суретте ; тәжірибе жүзінде N өте жоғары, сондықтан Т_s анықтау қателігі өте аз. Толқындағы ауытқуды құрайтын санды сипаттайтын спектрының кеңею параметрын келесі қатынастан табуға болады:

(12.43)

Толқын монохромды болған жағдайда , . Қарастырылып отырған жағдайда , бұл бірнеше жиіліктегі толқындардың араласуын білдіреді. Толқындық қозғалыстың құрамдарының жеке үлесі туралы толық мәліметті толқу спектрының энергетикалық Фурье-талдауы береді(мысал 12,9-суретте)

(12.41) сәйкес терең судағы таза синусоидалық толқынның алдын бойлай толқынды ені бірлігіне шаққандағы қуаты

(12.44)

 

мұндағы H=2а. Себебі, синусоидтық толқын үшін орта квадраттық ауытқу , онда (12.44) келесідей өрнектеуге болады:

(12.45)

Тәжірибе жүзінде теңіз толқындары, әрине, синусоидальды және монохромды болып табылмайды. Сондықтан, толқын алдының ені бірлігіне шаққандағы қуатты оларға тән (12.42) – толқын ұзындығы арқылы табу керек.

 

 

 

 

(12.46)

Бұл жерде толқын спектрының энергетикалық толқуының ең көрнекті модасының периоды ретінде қарастырылатын, аталмыш энергетикалық период Т_е қатысады (12.9-сурет)

Көптеген теңіздер үшін

(12.47)

Кейінгі зерттеулерге дейін толқындық энергетикада жуық мәнін толқын өлшеуіш құрал арқылы келесі жолмен табуға болады:

(12.48)

алайда жаңа құрылғыларды қолдану және ЭЕМ арқылы мәліметтерді талдау нәтижесінде нақты көрсеткіштерін алуға мүмкіндік береді, сонымен бірге , , көрсеткіштері арқылы P есептеп шығаруға болады.

(12.49)

Жоғарыда терең судағы үздіксіз толқындық қозғалыс үшін оның толық (кинетикалық және потенциалдық) энергиясы анықталды. Бұл энергия орта есеппен бір уақытта кеңістікте тұрақты орын алатын сұйықтықпен байланысты. Алайда, келтірілген есептеулер көлденең бөлім арқылы энергия тасмалы туралы ақпар қоспады.

Оқулықтарда бұл қуатты қортындылайтын қысым мен орын ауыстыру болжау үшін динамиканың бірінші заңы арқылы есептеу дәстүрге айналған. қолданбалы математика сұйықтықтардағы толқындардың таралу іргелі теориясына негізделген дәлдік пен нақтылықты қажет етеді. Терең сулардағы толқындар үшін айтарлықтай оңай болған жан-жақты талдаудан ең қажеттілерді алуға тырысайық.

 

Тасқын энергиясы.

13.1 Кіріспе бөлім.

Планетамыздың алып мұхиттарындағы деңгейлердің тасу тербелістерін толығымен алдын-ала болжауға болады.Бұл тербелістердің негізгі периодтары тәуліктік – шамамен 24 сағат ұзақтықпен және жарты тәуліктік – шамамен 12 сағат 25 минут болып келеді.Судың ең биік және ең қысқа деңгейлерінің деңгей аралық айырмашылығы – R деңгей биіктігін береді.Бұл өлшемнің өзгеру диапазоны 0,5-10м аралығын қамтиды.Алғашқы сан ең тұрақтысы,ал екіншісі тек континенттің жағасына жақын кейбір ерекше жерлерде ғана осы мәнге жетеді немесе одан асып та түседі.Судың тасуы мен қайтуы кезіндегі су массаларының араласуы тасқын ағынын тудырады,олардың жылдамдықтары бұғаздар мен аралдардың аралығында шамамен 5м/с дейін жетуі мүмкін.

Тасқын кезінде максималды биіктікке көтерілген суды теңізден дамба немесе платина арқылы, ауданы А болатын бассейнде бөліп алуға болады.Егер содан соң судың қайтуы кезінде осы су массасын турбина арқылы жіберетін болсақ,онда Р = ρА g/2 болатын қуатты ала аламыз.Мысал үшін А =10 ,R=4м,τ=12 сағ 25 мин мәндерінде қуаттың орташа мәні P=17МВт болады.Үлкен биіктегі тасқынды жерлер тасқын энергиясының үлкен потенциялына ие болатыны белгілі.Бірақ тасқын энергиясын дамытуда бұл фактор ғана маңызды емес: сонымен қоса капиталды шығындар мен болашақтағы тасқын энергия станцияларынан(ТЭС) түсетін кірісті де назарға алған жөн. Тасқын энергия станцияларынан энергия алынып дамб бойына жол салынатын болса,сонымен қатар ТЭС өзен алабында салынып оның бассейні энергия жинақталуына,навигация жағдайын жақсарту мақсатында қолданылатын болса, тасқын энергия станцияларын салуға жұмсалған жоғары капиталды салым ақталады. Тасқын энергетикасының дамуы болашақтағы құрылыс аудандарының спецификасының нақты болуымен тығыз байланысты.Тасқынды су ағынының энергиясы жел энергиясы сияқты алынады.Тасқын ағынының максималды жылдамдық кезіндегі 1 көлденең қима ауданынан алынатын қуаты шамамен q≈0.1ρ болады.Ал =3м/с үшін q≈14 кВт/ .Салыстырмалы түрдегі аз қуатты құрылғыларды жұмыс жасату үшін тасқын энергиясын түрлендіру сонау орта ғасырлардағы Англия мен Қытайда қолданылған.Қазіргі заманауи ТЭС –лар ішіндегі ең танымалдары: Сен Мало бұғазына құятын Ла Ранс өзенінің алабында орналасқан,240МВт қуатқа ие жоғарымасштабты Ранс электростанциясы(Бретания,Франция) және де көлемі жағынан үлкен болмаса да 400кВт-қ қуаты бар, Баренцева теңізінің жағалауындағы Кислая губа бұғазында орналасқан тәжірибелі станция(СССР).США мен Канада елдерінің шекарасында орналасқан Солтүстік Американаң шығыс жағалауындағы Фанди бұғазын және Ұлыбританиядағы Северн өзенінің алабын гидростроительдердің көптен назарын салып жүрген жерлер деп атауға болады.Көптеген жағалаулы аудандардағы тасқындардың биіктігі,жүрісі және периодтылығы океанография және навигация бақылауларының арқасында жақсы сипатталған және талданған.Тасқын әрекеттері кем дегенде 4%-қ қателікпен жеткілікті дәрежеде дәл болжануы мүмкін.Осылайша,тасқын энергиясы жаңартылатын (возобновляемой) энергияның өте сенімді нысаны болып табылады.Оның өндірілуі кезінде кейбір қолайсыздықтар да туындайды:

1)су тасқыны генерациясының оптимумы энергия қажеттілігінің фазасымен сәйкес болмауына, адамға үйреншікті күннің шуақты тәулігіне(24 сағ), Айдың қозғазылысына(12сағ 25 мин және 24 сағ 50 мин) байланысты тасқынның негізгі пайда болу периодтарының бір-бірімен сәйкес келмеуі;

2)электр энергиясын өндіруде ауытқушылыққа әкеліп соғатын тасқын биіктігі мен тасқынды ағын қуатының екі апталық кезеңмен өзгеріп отыруы;

3)салыстырмалы аз биіктікте үлкен шығынмен су ағынын туғызу

4)ТЭС салуға кететін үлкен ауқымды капитплды шығындар;

5)потенциалды экологиялық бұзушылықтар және мұхитты аудандар мен алабтардағы режимнің бұзылуы;

Электр энергиясын өндіруді оптимизациялау үшін қазіргі уақытқа қажетті қуатқа,қажеттіліктеріне және басқа да электр энергиясын өндірушілеріне байланысты таңдалынатын ТЭС турбиналары бірнеше режимде қолданылуы керек.Режимдердің көптеген нұсқалары бар,бірақ бастысы болып келесілер қолданылады.

1.Егер де ТЭС жергілікті энергетикалық қажеттіліктерді қанағаттандыру мақсатында салынса,онда тасқынның басылып қалу кезінде іске қосылатын сақтандырғыш энергоқондырғылар қажет.

2.Егер де ТЭС ауқымды энергожелісіне қосылған болса және салыстырмалы түрде желі масштабындағы шағын қайнар көз(источник) болып табылса,онда тасқын энергиясының алдын-ала анықталған вариациясы энергожелісінің қажеттідіктеріне бейімделуі мүмкін.

3.Егер де тасқын энергиясындағы талаптар күннің периодтылығымен тығыз байланысты болмаса,онда тасқын энергиясын табиғи режимде қолдануға болады.Мысалы,егер де ТЭС өндіріп отырған энергия транспорттың қажеттіліктеріне жұмсалатын болса - аккумулятор зарядкасына немесе сутегі өндірісінде,онда ол басқа энергия көздерінен тұйықталып қалады.

ТЭС өндіретін энергияның 1кВт·сағатына кететін шығыны оның коммерциялық табысының түпкі критериясы болып саналады.Олардың мәні қысқыртылуы мүмкін:1)егер де станция бірнеше комплексті тапсырмаларды шешетін болса;2)егер жоғары капиталды шығында, құрылысты қаржыландыруға салынған инвестицияның капиталдық проценті жоғары болмаса.3)егер өндірілетін электроэнергия қымбат дизельді отынды тұтыну деңгейін төмендету үшін қолданылса.Осындай экономикалық көрсеткіштер комбинациясындағы кең ауқымды ТЭС-лар(шамамен қуаты 1000МВт) үздігі болып табылады.Шалғай жатқан аудандарды қамтамасыз ету үшін арналған кішігірім станциялар да экономикалық жағынан тиімді болуы мүмкін.Төменде тасқынның физикалық қасиетінің сипаттамалары мен тасқын принциптері көрсетілген.Тек тасқын энергиясын өндіретін қондырғылар ғана қызықтыратын оқырмандар §13.4 және §13.5 бөлімдерден қарай алады.