Энергия океана и методы ее преобразования

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

Моря и океаны – огромный источник возобновляемой энергии. Основные формы энергии океана:

– тепловая энергия, поглощенная водой;

– механическая энергия приливов;

– механическая энергия волн;

– энергия океанических течений;

– энергия градиентов солености.

В результате поглощения энергии солнечного излучения поверхность Мирового океана нагревается. При этом самый верхний слой вод толщиной 25…50 м хорошо перемешивается волнами и течениями, а потому прогревается равномерно. Однако ниже температура резко падает; происходит как бы ее скачок. Под этим слоем толща воды еще холоднее, но температура в ней более плавно понижается с глубиной. На еще большей глубине вода почти однородна по температуре, так как в глубинах океанов в основном находятся воды, поступающие из полярных областей Земли. Вблизи экватора температура поверхностных слоев океана может достигать 25…30 °С. К северу и к югу от экватора температура воды понижается. В то же время температура глубинных слоев воды на 10…15 °С ниже.

Запасенная в океане тепловая энергия может быть оценена по формуле

,

(7.1)

где ρ, V, c – плотность, объем и удельная теплоемкость поверхностных вод; T ₁, T ₂ – температуры воды на поверхности океана и до которой можно эту воду охладить.

Мощность тепловых ресурсов океана оценивается примерно в 11 млрд. кВт (11 ТВт), что превосходит годовое производство электрической энергии во всем мире.

Приливы – периодические колебания уровня океана – вызываются притяжением Луны и Солнца, а также центробежными силами, возникающими при вращении Земли. Так как Луна находится к Земле в 400 раз ближе, чем Солнце, то решающую роль играет прилив, вызываемый Луной. Так как взаимное положение Луны, Земли и Солнца постоянно меняется, то непостоянны и приливы. В связи с этим приливы подразделяются на сизигийные и квадратурные. Сизигийные приливы возникают в том случае, когда Солнце, Луна и Земля находятся на одной прямой. Так как при этом гравитационное притяжение небесных тел суммируется, такие приливы выше. Когда небесные тела находятся под углом друг к другу, наступают квадратурные приливы.

На границе раздела океан – суша высота приливной волны может достигать 15…20 м. Самые высокие и сильные приливы возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны.

Энергия приливов образуется от кинетической энергии воды, движущейся от верхнего уровня к нижнему. Количество энергии, заключенной в приливе, приблизительно пропорционально квадрату высоты прилива.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив-отлив, т.е. от одного прилива до другого, выражается уравнением

,

(7.2)

где g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения; S – площадь приливного бассейна; R – разность уровней при приливе.

Общая мощность приливов на земном шаре оценена примерно в 3 млрд. кВт (что составляет около 1/3 всей мощности, используемой в настоящее время людьми). Однако только около 2 % этой энергии считается потенциально доступными для использования в тех местах, где высота приливов составляет 5 м и более (при КПД 8…25 %).

В настоящее время в мире насчитывается 25 районов, где по географическим условиям возможно извлечение приливной мощности (в Российской Федерации таких районов четыре). Эта мощность оценивается в 60…100 млн. кВт.

В отличие от солнечной и ветровой энергии приливная энергия характеризуется неизменностью ее среднемесячного потенциала в сезонном и многолетних циклах.