Экологические аспекты волновой энергетики

Содержание

	стр.
Введение
1. Выбор площадки
1.1 Физико – географический  очерк
1.2 Характеристика природных условий района
1.3 Гидрологический режим
1.4 Температурный режим и солёность
1.5 Морской транспорт
2. Ветровые волны. Основные  понятия и энергетический потенциал
2.1 Линейные ветровые волны
2.2 Нелинейные ветровые  волны
2.3 Одиночная волна
3. Расчетные характеристики ветрового волнения
3.1 Исходные данные ветрового волнения
3.2 Кривая обеспеченности
4. Виды и принципы действия различных типов ВлЭУ
5. Определение размеров основных элементов установки
5.1 Характеристика проектируемого устройства
5.2 Полиэтилен – плюсы и минусы
6. Определение энергетических показателей установки
7. Передача энергии с установки к потребителю
8. Система крепления установки в фиксированной точке моря
9. Экологические аспекты волновой энергетики
Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Вопросы энергетики играют одну из главных ролей в обеспечении существования и развития человечества.

Среди важнейших проблем, от решения которых зависит наше будущее, неизменно называются проблемы удовлетворения энергетических потребностей и охраны окружающей среды. В настоящее время ежегодный рост потребления энергии составляет примерно 3-4% и при сохранении существующих темпов развития энергетики уже к середине следующего века будут полностью исчерпаны все запасы органического топлива на Земле. По мнению специалистов, будущее энергетики связано прежде всего с ядерными источниками энергии. Наиболее радужные перспективы рисуются в связи с надеждами на термоядерную энергетику, сырьевые запасы которые практически неисчерпаемы. Кроме того, при широком применения реакторов, работающих на дейтерии, возникает исключительно сложные проблемы, связанные в первую очередь с глобальным тепловым загрязнением окружающей среды. Широкое использование термоядерной энергии будут сдерживаться также возможностью опасного понижения уровня воды в Мировом океане в результате потребления дейтерия и вытекающих отсюда катастрофических изменений в окружающей среде, многие из которых в настоящее время даже не поддаются прогнозу. Поэтому наряду с интенсивным развитием ядерной энергетики во многих странах ведутся поиски возможностей широкого внедрения альтернативных источников энергии. Среди них наибольшее внимания привлекают так называемые возобновляемые источники, такие как солнечная и ветровая энергия, энергия морских и приливно- отливных течений, и, наконец, энергии морских волн.

Возобновляющаяся энергия ветровых волн в океанах, морях, крупных озерах и водохранилищах является производной от энергии солнца и ветра. Средняя удельная мощность волнения Мирового океана составляет 2,7 Вт/м2. Развиваясь на значительных расстояниях, измеряемых сотнями километров, волнение накапливает энергию, в результате чего в месте расположения волновых преобразователей оно оказывается в природно- концентрированном виде. Средняя удельная мощность ветровых волн для стран северного полушария составляет около 25 кВт/м. Мощность ветровых волн, которая может быть полезно использована, оценивается 2,7 млрд кВт. Это примерно равно мощности всех действующих электростанций мира. Энергии ветрового волнения только в пределах побережья наиболее развитых стран Европы, Азии и Америки достаточно для удовлетворения 20% общемировых потребностей в электроэнергии.

 

По сравнению с плотностью ветровой энергии, плотность энергии морских волн увеличивается более чем в 10 раз, что позволяет эффективно использовать их энергию, однако широкое применения волновых энергетических установок сдерживается в настоящее время необходимостью решения ряда технических проблем, таких как разработка надежных систем крепления установок в море, противокоррозионная устойчивость и долговечность оборудования и т.д. Основные принципиальные проблемы отбора энергии морских волн к настоящему моменту решены успешно. Вместе с тем стоимость энергии, получаемой от волновых энергетических установок, остается довольно высокой. Согласно подсчетам специалистов в среднем она примерно в 1,5-2 раза выше, чем стоимость энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями. Однако в отличии от последних при использовании волновых энергетических установок не требуется затопления больших территорий, исключается негативное воздействие на окружающую среду. Более того, установленные в береговых зонах морей волновые энергетические установки одновременно могут выполнять роль эффективных берегозащитных сооружений. В результате отбора энергии волн снижается их размывающая способность. Волновые энергетические установки в будущем могут быть использованы для регулирования и даже направленного управления процессами деформации берегов морей и крупных водохранилищ.

Главными и наиболее привлекательными особенностями энергии ветрового волнения являются возобновляемость, предсказуемость, экологическая чистота преобразования и масштабность. Отсутствуют отходы производств, не требуется отчуждение плодородных земель, снижаются затраты на защиту от эрозии береговой зоны суши.

Энергия ветровых волн имеет и ряд недостатков, которые сдерживают её широкомасштабное использование, главной из которых основы использования возобновляемых источников энергии – невозможность регулировать во времени производную мощность с учетом требований потребителя.

К числу основных задач исследований по волновой энергетики на современном этапе необходимо отнести проведение теоретического анализа взаимодействия волны с рабочим органом волновой станции обобщенного вида и выбор или создания на этой основе наиболее эффективных типов ВЭУ; разработка и экспериментальное исследование моделей предположительно эффективных устройств, выбор конструкций для практического осуществления; проектирование, изготовление испытание опытных образцов ВЭУ, разработка рекомендаций для их промышленного использования; проведение вспомогательных исследований и экспериментов; отработка технологий постановки, эксплуатация и ремонта ВЭУ; поиск эффективных путей сглаживания режимной мощности ВЭУ или создание специализированного потребителя энергии; поиск возможностей комплексного использования сооружений.

Существующие теории волнового движения дают приближенное описание реального явления, однако достаточны для практического анализа рабочего процесса волновых преобразователей. Принципы отбора энергии ветровых волн определены волновыми процессами, описываемыми уравнениями волнового движения жидкости. Для преобразования энергии волн используется 7 волновых эффектов:

- периодическое изменение  уровня воды в точке относительно  стабилизированного тела;

- разность фаз колебаний уровня воды пространственно разнесенных точках;

- разность фаз колебаний  гидростатического давления в  пространственно разнесенных точках;

- разность фаз колебаний  суммарного давления воды в  пространственно разнесенных точках;

- наклоны волновой поверхности;

- концентрация волновой  энергии по фронту или по  глубине;

- комбинации различных  эффектов.

ВЭУ, как правило, состоят из трех основных устройств: преобразователя волновой энергии (рабочего органа), вторичного (силового) преобразователя и системы крепления или стабилизации.

Экономические показатели волновых энергетических установок в отдельных случаях еще уступают показателям традиционных электростанций. Однако для автономных потребителей, удовлетворяющих энергетические нужды снижением дизельного топлива, волновые электростанции более экономически эффективны, чем другие источники энергии.

Воздействие волновых электростанций на окружающую природную среду имеют сугубо локальный характер и не сопоставимы с негативными экологическими последствиями для природы и человека от тепловых и атомных электростанций.  

 

 

 

 

 

 

1. Выбор площадки

 

Выбор площадки связан с необходимостью иметь характеристики ветрового волнения. Такие характеристики Балтийского моря мне любезно предоставил г-н А. К. Амбросимов из РАН Института океанологии им П. П. Ширшова. Поэтому я принимаю площадку за Балтийское море.

 

1.1 Физико – географический очерк

 

Балтийское море глубоко вдается в сушу Европы, омывает берега России, Эстонии, Латвии, Литвы, Польши, Германии, Дании, Швеции и Финляндии.

Крупные заливы Балтийского моря: Финский, Ботнический, Рижский, Куршский (пресноводный залив, отделённый от моря песчаной Куршской косой).

Некоторые исследователи выделяют также Архипелаговое море.

Крупные острова: Готланд, Эланд, Борнхольм, Волин, Рюген, Аландия и Сааремаа.

Крупные реки, впадающие в Балтийское море, — Нева, Нарва, Западная Двина (Даугава), Неман, Преголя, Висла, Одер и Вента.

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Характеристика природных условий района

 

Климат формируется под влиянием Балтийского моря, переноса воздушных масс с Атлантического океана, а также проникновением континентальных воздушных масс. Его можно охарактеризовать как переходный от морского к континентальному, с частой и интенсивной изменчивостью погод, мягкой зимой, умеренно теплым летом.                                                                       Годовой приход суммарной солнечной радиации составляет 88 ккал/кв. см; радиационный баланс 38,9 ккал/см/год. Продолжительность солнечного сияния аномально большая - около 2000 часов в год, или 39% светового времени. Среднегодовая температура воздуха составляет +7,1 град. С. Очень высокие и очень низкие температуры непродолжительны. Безморозный период длится 250-260 дней. 
Среднегодовое количество осадков 665 мм. Режим атмосферного увлажнения отличается неустойчивостью по годам, неравномерностью в течение года. Во внутригодовом распределении наибольшее количество осадков выпадает в летне-осенний период, наименьшее - в зимне-весенний. 
В среднем 60-70 дней в году наблюдается ясная солнечная погода; примерно столько же пасмурная погода без осадков; 180-185 дней дождливых; в течение 55 дней выпадает снег. Снежный покров неустойчив. Его высота обычно не превышает 15-20 см. 
Характерная черта погоды - постоянно дующий ветер. Преобладают ветры западных румбов, среднегодовая скорость ветра составляет 5,5 м в сек., самая высокая среднемесячная скорость ветра отмечается зимой, в середине лета, его скорость существенно снижается. Два-три раза в год случаются ураганы (скорость ветра достигает 22 -27 м/с).

 

 

 

 

 

1.3 Гидрологический режим

 

Особенностью гидрологического режима Балтийского моря является большой избыток пресной воды, образовавшийся за счёт осадков и речного стока. Солоноватые поверхностные воды Балтийского моря через Датские проливы уходят в Северное море, а в Балтийское море поступают с глубинным течением солёные воды Северного моря. Во время штормов, когда вода в проливах перемешивается до самого дна, водообмен между морями меняется — по всему сечению проливов вода может идти как в Северное, так и в Балтийское море.

Циркуляция поверхностных вод моря направлена против часовой стрелки, хотя сильные ветры могут нарушать характер циркуляции.

Приливы в Балтийском море — полусуточные и суточные, но их величина не превышает 20 сантиметров.

Большее значение имеют сгонно-нагонные явления — колебания уровня моря, которые могут достигать у берегов 50 сантиметров, а в вершинах бухт и заливов — 2 метров. В вершине Финского залива при некоторых метеорологических ситуациях возможны подъёмы уровня до 5 метров. Годовая амплитуда колебаний уровня моря может достигать у Кронштадта 3,6 метра, у Вентспилса — 1,5 метров. Амплитуда сейшевых колебаний обычно не превышает 50 сантиметров.

По сравнению с другими морями волнение на Балтийском море незначительно. В центре моря встречаются волны высотой до 3,5 метров, иногда выше 4 метров. В мелководных заливах высота волн не превышает 3 метров, но они круче. Однако не редки случаи образования больших волн, высотой более 10 метров, в условиях, когда штормовые ветра формируют волны, идущие с глубоководных районов к мелководью. Например, в районе банки Эландс-Седра-Грунт инструментально зафиксирована высота волны 11 метров. Небольшая соленость поверхностного слоя способствует быстрому изменению состояния моря. В зимних условиях плавания судам угрожает обледенение. Данные особенности Балтики наряду с высоким уровнем судоходства, большим количеством навигационных опасностей делают навигацию в этом море довольно сложной.

Прозрачность воды уменьшается от центра моря к его берегам. Наиболее прозрачна вода в центре моря и Ботническом заливе, где вода имеет голубовато-зелёный цвет. В прибрежных районах цвет воды — жёлто-зелёный, иногда коричневатого оттенка. Самая низкая прозрачность наблюдается летом из-за развития планктона.

Морской лёд появляется сначала в заливах в октябре — ноябре. Побережье Ботнического и значительная часть побережья (кроме южного берега) Финского залива покрываются припаем толщиной до 65 сантиметров. Центральная и южная части моря обычно льдом не покрываются. Лёд начинает таять в апреле, хотя на севере Ботнического залива дрейфующий лёд может встречаться и в июне. Часто встречается всплывший донный лёд.

1.4 Температурный режим и солёность

 

Температура поверхностных слоёв воды летом в Финском заливе составляет 15-17 °C, в Ботническом заливе — 9-13 °C, в центре моря — 14-17 °C. С увеличением глубины температура медленно понижается до глубины термоклина (20-40 метров), где происходит резкий скачок до 0,2-0,5 °C, затем температура растёт, достигая дна 4-5 °C.

 

Средняя температура воды по горизонтам °C  (для точки с координатами 56,5° с. ш. 19,5° в. д.; данные за 1900—2004 года)
Горизонт	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
0	3,7	2,5	1,8	2,2	5,5	11,3	15,5	17,1	13,8	10,7	8,0	5,8
10	3,6	2,5	1,8	2,1	4,5	9,9	14,6	16,9	13,6	10,4	8,0	5,8
20	3,6	2,5	1,8	2,0	3,4	6,6	10,3	13,5	13,3	10,4	8,0	5,8
30	3,6	2,6	1,8	1,8	3,0	4,2	5,2	5,4	6,8	10,3	8,0	5,8
50	3,8	2,8	1,9	1,7	2,4	3,0	3,4	3,4	2,8	3,2	5,9	5,7
100	5,0	5,1	5,1	4,4	4,7	5,0	4,9	4,7	4,7	4,8	4,9	5,1