геосфера. ответы экз энергетика геосферы. Дисцеплина Энергетика геосферы. Экзаменационный билет 1

• Название: Дисцеплина Энергетика геосферы. Экзаменационный билет 1
• Анкор: геосфера
• Дата: 17.11.2022
• Размер: 1.44 Mb.
• Имя файла: ответы экз энергетика геосферы.docx
• Тип: Документы; #793618
• страница: 13 из 18

Экзаменационный билет № 14

1. 
   Интегральные характеристики ветра. Билогарифмическая кривая.
   

Основной задачей при определении эффективности и перспектив использования ветроэнергетических ресурсов региона для выработки энергии, является определение валовых ресурсов и их распределение по территории. Основу расчетов составляют данные о ветровом режиме региона, которые могут быть заданы в виде часовых значений скорости ветра или в виде эмпирической повторяемости скоростей ветра для конкретной географической точки земной поверхности.
Расчет основных ветровых и энергетических показателей рядов наблюдения за скоростью ветра (считая, что замер скорости ветра является независимым случайным событием) представлен формулами (3.1-3.11):
– Средняя скорость ветра определяется как средняя арифметическая величина, полученная из ряда замеров скорости, сделанных через равные интервалы времени в течение заданного периода.
‑­
Средняя скорость ветра за выбранный промежуток времени Т = t2 – t1 определяется как математическое ожидание, т.е. отношением суммы измеренных значений мгновенной скорости vi к числу измерений n , м/с:
М(V) =V = (3.1)
– Дисперсия ряда – характеризует отклонение или рассеивание данного ряда наблюдений за скоростью ветра от средней величины в квадрате, м2/с2:
D(V) = (3.2)
– Коэффициент вариации (изменчивости) – характеризует степень изменчивости ряда наблюдений состоящего из n замеров, ед.:
Сv(V) = (3.3)
– Коэффициент асимметрии – характеризует асимметрию данного ряда наблюдений за скоростью ветра состоящего из n замеров. Асимметрия характеризует степень несимметричности ряда относительно его среднего. Положительная асимметрия указывает, что распределение скошено вправо от математического ожидания. Отрицательная асимметрия указывает, что распределение скошено влево от математического ожидания, ед.:
Сs(V) = (3.4)
– Удельная энергия ветрового потока часового ряда скоростей за период Т, Вт·ч/м2 :
Эуд Т = (3.5)
Особенность определения ветровых и энергетических параметров на базе эмпирических кривых повторяемостей скоростей ветра:
‑­
– средняя скорость ветра (математическое ожидание), м/с
V = = М(V) , (3.6)
где Vi , м/с – средняя скорость i-ой градации (интервала); ti(Vi), ед. – повторяемость скоростей ветра Vi диапазона; nград., ед. – количество градаций (интервалов).
– дисперсия скоростей ветра, м2/с2 : D(V) = М(V2) – М2(V), (3.7)
где М(Vm)= ; (3.8)
– коэффициент вариации, ед.: СV= / М(V) (3.9)
– коэффициент ассиметрии, ед.:
СS= [М(V3)–3М(V2)М(V)+2М3(V)]/ (3.10)
– удельная энергия ветрового потока, Втч/м2: Эуд.=, (3.11)
где , кг/м3 – плотность воздуха; Т, ч – период наблюдения.
^ 3.3 Результат расчета.

Полученный средние скорости за за период 2000-2004 года колеблются в пределах 0,5-3 м/с, предполагаемые мощности в пределах 15-130 Вт/м2, а выработка энергии за год – 130-1050 кВт*ч/м2.
Ветер над поверхностью бассейна характеризуется в каждый момент времени в каждой точке пространства определенной скоростью и направлением. Расчетную скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водоема м/с, следует определять по формуле:
^ = kz-k^Vz, (1.1)
где Vz — скорость ветра, измеренная на высоте z, м, соответствующая 10-минутному интервалу осреднения и обеспеченности расчетного шторма;

kz - коэффициент приведения, принимаемый равным 1,1 при z=5; 1,0 при z=10; 0,9 при z=20 м и более. В соответствии с требованиями нормативных документов к определению ветровых нагрузок значения коэффициента kz следует определять по прил. I, табл. 3 СНиП 2.06.04-82* «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения» [7] при измерении скорости ветра над местностью типа А, В или С;
кф - коэффициент пересчета данных по скоростям ветра, измеренным по флюгеру, в анемометрические, принимается по формуле:
4 5
=0,675 + у-, но не более 1

на билогарифмической клетчатке вероятностей строят кривые распределения скоростей ветра для каждого направления ветра или только для наиболее волноопасных направлений, если они известны заранее. Для построения этих кривых на график наносят точки соответственно вероятностям превышения F и первым ступеням градации анемометрической скорости ветра. Например, при построении кривой для северного ветра на график наносят точки: F=2% и Р=9,0 м/с; Г=14% и
V 6,0 м/с; F 60% и К-2,0 м/с (рис. 1.2). Установлено, что распределение скорости ветра аппроксимируется экспонентой следующего вида [12]:
= (1.5)
где F(v) - вероятность того, что скорость ветра V превосходит величину у; /? и Y - параметры.

. Билогарифмическая клетчатка вероятности с примером построения кривой распределения скорости ветра ее экстраполяции

Двукратное логарифмирование зависимости (1.5) показывает, что на билографической клетчатке вероятностей (рис. 1.2) кривые распределения скорости ветра должны представлять собой прямые линии, что и подтверждается многочисленными экспериментальными материалами. Поэтому кривые распределения проводят в виде прямых линий, наилучшим образом совпадающих с точками на графике. Практика показывает, что наибольшие отклонения от прямых линий характерны для точек, относящихся к самым вероятностям превышения [10, 13].

Кривые распределения скоростей ветра, построенные для всех или только для волноопасных направлений, экстраполируют в область малых вероятностей превышения, т.е. в область возможных больших скоростей ветра, не зарегистрированных наблюдениями.

Зная разгоны волн при различных направлениях ветра (в условиях малых акваторий они измеряются от расчетной точки до подветренного берега), можно рассчитать параметры волн для скоростей ветра, снимаемых с кривых распределения. Так как вероятности превышения параметров волн должны быть такими же, как и у формирующей их скорости ветра, то на тех же билогарифмических клетчатках вероятностей могут быть построены кривые распределения параметров волн при разных направлениях ветра, т.е. получены исчерпывающие характеристики режима волнения. Они могут быть представлены либо в табличной, либо в графической форме, например в форме розы волнения.

2. 
   Энергия рек. Причины возникновения.
   

Раньше всего люди научились использовать энергию рек. Но когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса, правда, уже в другом обличье - в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода, тем более что многовековой опыт у нее уже имелся. Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году. Преимущества гидроэлектростанций очевидны - постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам.
Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным. Поэтому в начале 20 века было построено всего несколько гидроэлектростанций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумок успешно действовала довольно крупная электростанция с многозначительным названием "Белый уголь". Это было лишь началом. Уже в историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем началось строительство знаменитой Днепровской. Дальновидная энергетическая политика, проводящаяся в нашей стране, привела к тому, что у нас, как ни в одной стране мира, развита система мощных гидроэлектрических станций. Ни одно государство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братская, Саяно-Шушенская ГЭС.

Эти станции, дающие буквально океаны энергии, стали центрами, вокруг которых развились мощные промышленные комплексы. Энергоустановка на реке Ранс (Бретань), состоящая из двадцати четырех реверсивных турбогенераторов, и имеющая выходную мощность 240 мегаватт - одна из наиболее мощных гидроэлектростанций во Франции. Гидроэлектростанции являются наиболее экономически выгодным источником энергии, но вместе с этим имеют ряд серьёзных недостатков, связанных с необходимостью транспортировки энергии на большие расстояния (часто потребители энергии расположены вдали от рек). При транспортировке электроэнергии по ЛЭП (линиям электропередач) происходят потери до 30% и создаётся экологически опасное электромагнитное излучение. В дополнение ко всему для проведения ЛЭП вырубаются леса, что тоже отражается на экологии.
Пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии. Устройства, в которых энергия воды используется для совершения работы, принято называть водяными (или гидравлическими) двигателями. Простейшие и самые древние из них - описанные выше водяные колеса. Различают колеса с верхним, средним и нижним подводом воды.
В современной гидроэлектростанции масса воды с большой скоростью устремляется на лопатки турбин. Вода из-за плотины течет - через защитную сетку и регулируемый затвор - по стальному трубопроводу к турбине, над которой установлен генератор. Механическая энергия воды посредством турбины передается генераторам и в них преобразуется в электрическую. После совершения работы вода стекает в реку через постепенно расширяющийся туннель, теряя при этом свою скорость.

Гидроэлектростанции классифицируются по мощности на мелкие (с установленной электрической мощностью до 0,2 МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20 МВт) и крупные (свыше 20 МВт). Второй критерий, по которому разделяются гидроэлектростанции, - напор. Различают низконапорные ГЭС (напор до 10 м), среднего напора (до 100 м) и высоконапорные (свыше 100 м). В редких случаях плотины высоконапорных ГЭС достигают высоты 240 м. Такие плотины сосредоточивают перед турбинами водную энергию, накапливая воду и поднимая ее уровень.
Затраты на строительство ГЭС велики, но они компенсируются тем, что не приходится платить (во всяком случае, в явной форме) за источник энергии - воду. Мощность современных ГЭС, спроектированных на высоком инженерном уровне, превышает 100 МВт, а К.П.Д. составляет 95% (водяные колеса имеют К.П.Д. 50-85%). Такая мощность достигается при довольно малых скоростях вращения ротора (порядка 100 об/мин), поэтому современные гидротурбины поражают своими размерами. Например, рабочее колесо турбины Волжской ГЭС им. В. И. Ленина имеет высоту около 10 м и весит 420 т.

Турбина - энергетически очень выгодная машина, потому что вода легко и просто меняет поступательное движение на вращательное. Тот же принцип часто используют и в машинах, которые внешне совсем не похожи на водяное колесо (если на лопатки воздействует пар, то речь идет о паровой турбине).
Преимущества гидроэлектростанций очевидны - постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным.
Поэтому в начале XX века было построено всего несколько гидроэлектростанций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумок успешно действовала довольно крупная электростанция с многозначительным названием "Белый уголь". Это было лишь началом.
Уже в историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем - началось строительство знаменитой Днепровской. Дальновидная энергетическая политика, проводящаяся в нашей стране, привела к тому, что у нас развита система мощных гидроэлектрических станций.
Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.