Энергия океана и методы ее преобразования

Океан как источник энергии [1, С. 124–130], [2, С. 125, 132–135, 146–147, 151–153]

Волны образуются из-за воздействия ветра на поверхность морей и океанов. Ветер передает часть своей энергии воде, приводя в движение поверхностные слои. Движущиеся массы воды обладают значительной инерцией, поэтому волны являются своеобразным аккумулятором энергии ветра.

Энергия волны является функцией массы воды, приподнятой выше среднего уровня поверхности моря, и орбитальной скорости частиц воды в волне. Передаваемая волне энергия зависит от скорости ветра, расстояния, на котором он взаимодействует с водой, и продолжительности времени, в течение которого дует ветер.

Индивидуальные волны могут характеризоваться высотой, расстоянием между гребнями (длиной волны), промежутком времени между двумя последовательными гребнями (периодом) и скоростью. Мощность волны является функцией скорости, при которой энергия переносится через 1 м линии перпендикулярно направлению волны и выражается в киловаттах, отнесенных к 1 м фронта волны.

Энергия E, приходящаяся на единицу фронта волны высотой H и длиной L,

,

(7.3)

а мощность

,

(7.4)

где T – период волны, с; ρ – плотность воды, кг/м³; g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Период ветровых волн лежит в диапазоне от 2 до 20 с, а высота от подошвы до гребня обычно составляет 1…3 м, но в экстремальных условиях может достигать 30 м.

На интенсивность волнообразования влияет состояние моря. В зависимости от состояния моря мощность волны может составлять от 2 до 900 кВт/м. Средняя энергия волн зимой может быть в 5…6 раз больше, чем летом; осенью море более беспокойное, чем весной.

Наибольшие потенциальные запасы энергии волн Мирового океана в обоих полушариях сосредоточены между 40 и 60° широты.

Удельная мощность волн Черного моря составляет 8 кВт/м, Каспийского – 11 кВт/м, Баренцева – 29 кВт/м, Балтийского – 8 кВт/м, Охотского – 20 кВт/м.

Большими запасами кинетической энергии обладают океанические и морские течения. Крупнейшие меридианальные течения, такие как Гольфстрим и Куросио, характеризуются расходами переносимой воды в десятки миллионов кубометров в секунду.

Энергию, которую несет такой поток, можно определить по формуле, Вт

,

(7.5)

где m – масса воды, кг; A – площадь поперечного сечения [для Гольфстрима – 28 км²], м²; v – скорость, м/с.

Для решения энергетических задач подходят течения со скоростями выше 0,6 м/с.

Одним из возможных перспективных источников энергии океана является энергия, выделяющаяся в процессе смешения соленых морских вод с пресными речными или дождевыми водами. Энергия градиента солености имеет высокую концентрацию и по энергозапасам сравнима с тепловой энергией океана.

Для получения этой энергии используется явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя в раствор через полупроницаемую перегородку.

Соленость морской воды составляет 35 г/л, а пресной – 1 г/л. Если между морской и пресной водой поместить перегородку, которая будет пропускать молекулы растворителя (воды) и задерживать частицы растворенного вещества (солей), то за единицу времени из слоя пресной воды в слой морской воды будет проходить больше молекул растворителя. Это приведет к тому, что объем морской воды увеличится, и он будет совершать работу, называемую осмотической. Если на пути этой воды установить водяную турбину, она будет вращаться.

Создаваемое таким образом осмотическое давление можно определить по формуле

,

(7.6)

где C _м – молярная концентрация растворенного вещества, моль/л; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·град); T – температура, К.

То есть, чем больше концентрация растворенных веществ и выше температура, тем значительнее осмотическое давление и энергия, воздействующая на турбину.

Потенциал такого источника энергии оценивается в 1 млрд. кВт. Первая установка подобного типа построена в 2009 году в Норвегии.

Вопросы для самопроверки

1. За счет чего образуются волны?

2. За счет чего возникает энергия волны, от чего зависит ее величина?

3. Перечислите основные энергетические характеристики волн.

4. Где сосредоточены основные потенциальные запасы энергии волн Мирового океана?

5. Как определяется энергия морских течений?

6. Каким образом возможно использование градиента солености воды для получения энергии?

Литература

1. Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.

2. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / под ред. В.В. Денисова. – Ростов н/Д.: Феникс, 2015. – 382 с. + CD. – (Высшее образование). – Электронное приложение.