Иркутский государственный
 Скачать 155.45 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение высшего образования ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.А. Ежевского Альтернативные источники получения энергии Контрольная работа Использование энергии волн океана. Выполнил: Высоченко И.А. Шифр:177585 Вариант:85 Иркутск 2020 Причины волнообразования. Основные параметры волн. Достоинства и недостатки волновой энергии. Кинематика и динамика волны. Поток энергии, переносимой волнами. Особенности реальных волн. Устройства для извлечения энергии волн от поплавковых до дамбовых. Экономика и экология. 1. Причины волнообразования. Судно при движении вытесняет воду, раздвигая ее перед собой. После прохода судна вода заполняет объем, освобождающийся за кормой. Преодолевая сопротивление воды, судно приводит ее частицы в колебательное движение, которое благодаря упругим свойствам поверхности воды распространяется в виде волн. Волнообразование различно и зависит в основном от размеров судна, обводов его корпуса, осадки, ширины и глубины фарватера. С ростом скорости движения судна размеры воли растут по закону квадрата скорости. На волнообразование, как уже говорилось, расходуется энергия движения. С увеличением скорости движения водоизмещающегося судна уровень воды у носа заметно повышается, образуя систему носовых волн. Схема образования волн при движении водоизмещающегося небыстроходного судна на спокойной воде приведена на рис. 1. Вдоль бортов в средней части судна, следуемого в режиме плавания, уровень воды понижается, образуя впадину. В кормовой части судна уровень воды снова повышается, образуя систему кормовых волн.  Рис.1Схема образования волн при движении судна на спокойной воде А — носовые расходящиеся волны; Б — кормовые расходящиеся волны; В — кормовые поперечные волны. Носовые волны подразделяются на носовые расходящиеся и носовые поперечные волны. Носовые расходящиеся волны, подобно усам, простираются от форштевня судна с обоих бортов. Фронт их расположен под углом около 40° к направлению движения, а середины находятся на прямых, составляющих угол около 20° с диаметральной плоскостью. Волны по длине являются короткими. Носовые поперечные волны, перпендикулярные к направлению движения судна, зарождаются вместе с носовыми расходящимися волнами и распространяются между ними. Поперечные носовые волны движутся в направлении движения судна, постепенно увеличиваются по длине от носа к корме и уменьшаются по высоте. Кормовые расходящиеся волны начинаются несколько впереди ахтерштевня с обоих бортов судна. Они меньше по размерам, чем носовые, и имеют такие же углы с направлением движения судна, как и носовые расходящиеся волны. Кормовые поперечные или так называемые «спутные» волны начинаются там же, где и кормовые расходящиеся, но они более интенсивны, так как расположены за гребными винтами. По мере удаления от кормы, где они равны ширине судна, волны уменьшаются по высоте, но увеличиваются по длине. С увеличением скорости движения увеличивается волнообразование. На мелководье длина расходящихся волн и угол между ними увеличивается и может составлять угол в 90° с диаметральной плоскостью судна. В зависимости от глубины фарватера с достижением судном определенной большой скорости расходящиеся волны совместно с поперечными волнами образуют мощную систему волн. Движущуюся вместе с судном в районе скулового образования или в районе кормы малых быстроходных судов и катеров волну называют одиночной волной или волной перемещения. Волна перемещения характерна для судов с тупыми скуловыми образованиями, а также буксирных судов, идущих без караванов. Волнообразование зависит не только от скорости, но и от отношения между скоростью и длиной судна. Короткое судно вызывает большие волны при небольшой скорости, а длинному судну потребуется очень большая скорость, чтобы вызвать такие же волны. Между местами образования носовой и кормовой систем волн у оконечностей корпуса, в средней части бортов судна, образуются пониженные горизонты воды (впадина). По сравнению с нормальным горизонт воды во впадине понижается с увеличением волнообразования и уменьшением глубины фарватера. Таким образом, при движении судна полным ходом по всей длине корпуса располагаются три основные зоны влияния гидродинамических полей: две зоны повышенного давления, где действуют отталкивающие силы в носу и непосредственно около кормы, и зона пониженного давления по борту судна. Центром зоны пониженного давления у колесных судов являются впадины колес судна. У винтовых паротеплоходов зона пониженного давления несколько смещена к корме. Эта картина особенно хорошо видна при движении судна по фарватеру с малыми скоростями течения. При проходе судна над мелью резко изменяется кормовая система волн, а первая поперечная волна увеличивается по высоте. Эта поперечная волна на мелководье называется придонной волной. Появление придонной волны за кормой судна сигнализирует о том, что глубина под килем судна уменьшается. Это используется для контроля правильности движения судна. 2. Основные параметры волн. Если в каком-либо месте упругой среды возбудить колебания её частиц, что вследствие взаимодействия между частицами это колебание начнёт от частицы к частице с некоторой скоростью. Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной. Частицы среды, в которой распространяется волна, не переносятся волной, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. При распространении волны частицы не двигаются вместе с волной, а совершают колебания около положения равновесия. Механическая волна не переносит массу вещества в среде, но переносит энергию. Продольные упругие волны могут распространяться в твердых телах, в жидкостях и газах, т.е. в средах, где возникают упругие силы при деформациях растяжения и сжатия. Поперечные упругие волны могут распространяться только в твердых телах, в которых возникают силы упругости при деформациях сдвига. Неупругие поперечные волны могут возникать на поверхности жидкостей под действием сил поверхностного натяжения и силы тяжести.  Рис 2. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длинойволны  (рис.2). Длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется волна за период Т колебаний в волне, т. е.  где ν – частота колебаний или частота волны. Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси x, имеет вид:  где x(x,t) — смещение точек среды с координатой x в момент времени t; А — амплитуда волны или амплитуда колебаний в волне; w — циклическая (круговая) частота колебаний; k=2p/l - волновое число; φ =  - фаза волны в данной точке среды в данный момент времени. Это уравнение позволяет определить смещение ξ частиц среды с координатой x в любой момент времени t. Из уравнения (15.2) видим, что в данный момент времени t фаза волны для точек с разными координатами x различна. Связь между разностью фаз Dj и разностью хода волны D = x2 - x1 определяется формулой: уравнение гармонических колебаний позволяет описывать колебания во многих системах различной природы, т.е. это уравнение является универсальным и очень полезным, дает нам информацию о параметрах колебательного процесса, о значении колеблющейся величины в любой момент времени. Волну или волновой процесс тоже можно описать аналитически. Очень просто эта задача решается, если колебания в волне гармонические. Такая волна называется гармонической волной. На рис.3 представлена гармоническая поперечная волна, распространяющаяся со скоростью υ вдоль оси х,т. е. приведена зависимость между смещением ξ частиц среды, участвующих в волновом процессе, и расстоянием х этих частиц (например, частицы В) от источника колебаний О для какого-то фиксированного момента времени t. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется фронтом волны. Если фронт волны является плоскостью (как в нашем примере), то волна называется плоской волной. Рис.3 Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называетсядлиной волны (рис. 3). Длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется волна за период Т колебаний в волне, т. е. где ν – частота колебаний или частота волны. Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси x, имеет вид: где x(x,t) — смещение точек среды с координатой x в момент времени t; А — амплитуда волны или амплитуда колебаний в волне; w — циклическая (круговая) частота колебаний; k=2p/l - волновое число; φ = - фаза волны в данной точке среды в данный момент времени. Это уравнение позволяет определить смещение ξ частиц среды с координатой x в любой момент времени t. Из уравнения (15.2) видим, что в данный момент времени t фаза волны для точек с разными координатами x различна. Связь между разностью фаз Dj и разностью хода волны D = x2 - x1 определяется формулой: 3. Достоинства и недостатки волновой энергии. Преимущества волновых ГЭС Волнение мирового океана — возобновляемый источник энергии. П  реобразование энергии волн в электроэнергию не сопровождается выбросом угарного газа (СО), углекислоты (С02) и окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов, не загрязняет почву.Установка и эксплуатация волновой ГЭС относительно недороги, если разработка такой станции, предназначенной для того, чтобы противостоять штормам, не становится технически переусложненной. Большие волновые ГЭС могут производить огромное количество электричества. Волновые ГЭС незаметны. Даже при пристальном наблюдении они неплохо сливаются с пейзажем. С другой стороны, это может быть и недостатком (см. последний из недостатков в соответствующем перечне). Правильно разработанные волновые ГЭС не оказывают вредного воздействия на морскую флору и фауну. Недостатки волновых ГЭС Когда поверхность океана спокойна или почти спокойна, волновая ГЭС не может производить полезную энергию. Места строительства волновых ГЭС нужно тщательно подбирать, для того чтобы минимизировать воздействие шума от них. При этом они должны располагаться именно в тех районах, где ветровые волны обладают достаточным потенциалом для выработки электроэнергии. «Шторм века» (Шторм века (hundred year storm) — совокупность штормовых показателей (постоянная скорость ветра, высота волны и т. д.), которая случается в данном районе раз в сто лет.) может разрушить волновую ГЭС, а чрезмерное техническое ее усложнение с тем, чтобы она могла противостоять такому шторму, приведет к тому, что затраты на ее сооружение не окупятся. Незаметность волновых ГЭС может представлять опасность для навигации, если они не обозначены на картах. При сооружении волновой ГЭС может потребоваться установка бакенов или других сигнальных индикаторов. 4. Кинематика и динамика волны. Волной, или волновым движением, называют процесс распространения колебаний. +Волны, в отличие от колебаний, локализованных в некоторой конечной области пространства, могут распространяться не только в закрытых системах, но и в открытых. Открытыми системами называют системы, не имеющие пространственных границ, или, наоборот, системы, ограниченные какими-либо стенками с поглощающими покрытиями. Благодаря этим условиям в открытых системах отсутствует отражение и возвратное движение волн, а значит, отсутствуют такие явления, как эхо и резонанс. Волны, как и колебания, необыкновенно широко распространены в окружающем мире; они очень разнообразны по физической природе. Выделяют упругие механические волны, звуковые волны, называемые просто звуком, световые волны и радиоволны, плазменные, волны вероятности и др. С формальной точки зрения все волны описываются одним и тем же уравнением. Волны, образованные за счет внешнего периодического воздействия, называются бегущими волнами. Если внешняя сила, вызывающая колебания источника, является гармонической, то вызванная ею волна будет также гармонической.  К выводу уравнения бегущей плоской волны Рассмотрим общий случай, когда распространение колебаний, заданное направляющим вектором n, не совпадает с какой-либо из пространственных осей координат. Пусть в момент времениt=0 в начале координат – точке О, возникают гармонические колебания величины, описываемые уравнением  Благодаря конечной скорости Vраспространения волны в пространстве, колебания в точке М будут запаздывать во времени по отношению к колебаниям в точке О на время=ℓ/V, равное времени распространения волны от источника до точки М. С учетом запаздывания волна, распространяющаяся вдоль направленияn, описывается уравнением  де ℓ – расстояние от начала координат до точки наблюдения. Это расстояние, равно проекции радиус-вектора rточки наблюдения на направлениеn:  Полученное уравнение является уравнением гармонической волны, распространяющейся (бегущей) в направлении, заданном вектором n. Очевидно, что функция, описывающая бегущую волну, содержащая периодическую функцию косинуса или синуса, является периодической функцией двух аргументов: времениtи координаты Х. Гармоническаяволна– это волна, соответствующая распространению гармонических колебаний. Амплитудаволны– наибольшее значение колеблющейся величины. Фазаволны– величина  или= , равная аргументу функции косинуса (или синуса) в уравнении волны.Отметим, что фаза колебания, приходящего от источника в некоторую точку пространства, увеличивается монотонно и линейно с течением времени, а при увеличении расстояния от источника до точки наблюдения фаза уменьшается. Начальнаяфазаволны0– фаза в момент времени t=0; очевидно0=(t=0). Используя общепринятое обозначение для так называемого волнового вектора k (k=n/V), преобразуем уравнение волны к виду:  Очевидно, что уравнение волны распространяющейся вдоль оси Х, имеет вид:  ,или  ,здесь kиiX– волновой вектор и радиус-вектор точки наблюдения с координатой Х. Несложно показать, что уравнение волны, распространяющейся в направлении, противоположном направлению оси Х, имеет вид:  . Волновойвектор– вектор, определяемый соотношением  .Волновоечисло– это модуль волнового вектора:  . Волновое число показывает, сколько длин волн укладывается на отрезке длиной 2метров.Используя понятие волнового числа, уравнению волны, бегущей вдоль оси х можно придать симметричный вид:  .Наконец, учитывая разложение векторов kиrпо осям координат: и  , запишем уравнение следующим образом: .Из аналитической геометрии известно, что всякое уравнение первой степени с тремя переменными X,Y,Z вида  (*)+определяет в пространстве плоскость. Сравнение выражения с (*) показывает, что коэффициент D играет роль фазы волны и содержит в себе зависимость от времени. Таким образом, уравнение (*) определяет положение некоторой плоскости в каждый момент времени. Во всех точках этой плоскости, называемой волновой поверхностью, фазы волны одна и та же. 5. Поток энергии, переносимой волнами. Волновой процесс связан с распространением энергии. Количественной характеристикой перенесенной энергии является поток анергии. Поток энергии волн (Ф) характеризуется средней энергией, переносимой волнами в единицу времени через некоторую поверхность. Усреднение должно быть сделано за время, значительно большее периода колебаний. Единицей потока энергии волн является ватт (Вт). Найдем связь потока энергии волн с энергией колеблющихся точеки скоростью распространения волны. Выделим объем среды, в которой распространяется волна, в видепрямоугольного параллелепипеда (рис. 5.21); площадь его основания S, а длина ребра численно равна скорости v и совпадает е направлением распространения волны. В соответствии с этим за X ссквозь площадку S пройдет та энергия, которой обладают колеблющиеся частицы в объеме параллелепипеда Sv. Это и есть поток энергии волн:  Так средняя объемная плотность энергии колебательного движения (среднее значение энергии колебательного движения частиц, участвующих в волновом процессе и расположенных в 1 м3). Поток энергии волн, отнесенный к площади, ориентированной перпендикулярно направлению распространения волн, Единицей плотности потока энергии волн являётся ватт на квадратный метр (Вт/м2). Называют плотностью потока энергии волн, или интенсивностью волн     где А — амплитуда колебаний точек среды, р — плотность. Подставляя (5.55) в (5.54), имеем Энергия, переносимая упругой волной, складывается из потенциальной энергии деформации и кинетической энергии колеблющихся частиц.Приведем без вывода выражение для средней объемной плотности энергии волн: Таким образом, плотность потока энергии упругих волн пропорциональна плотности среды, квадрату амплитуды колебаний частиц, квадрату частоты колебаний и скорости распространения волны. Ударные волны Один из распространенных примеров механической волны — звуковая волна (см. гл. 6). Вэтом случае максимальная скорость колебаний отдельной молекулы воздуха составляет несколько сантиметров в секунду даже для достаточно большой интенсивности, т. е. значительно меньше скорости распространения волны (скорость звука в воздухе около 300 м/с). Это соответствует, как принято говорить, малым возмущениям среды. 7. Устройства для извлечения энергии волн от поплавковых до дамбовых. Волновые устройства должны обеспечивать извлечение максимальной энергии за достаточно большой период времени и учитывать возможность эпизодических резких увеличений нагрузок. На основе использования характерных признаков волнового движения в настоящее время разработано большое количество таких устройств. Преобразование энергии морских волн в электрическую энергию производится, как правило, с помощью воздушных или гидравлических турбин. Они работают благодаря воздействию волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. С помощью электрогенераторов механическая энергия их перемещений преобразуется в электрическую. В качестве источников энергии в волновых установках применяются самые разные устройства. Условно их можно разделить на три группы: использующие колебательные движения элементов конструкции, переменный уровень воды в установке, заброс воды в бассейн, где ее уровень выше уровня воды в океане. Последнее время внимание многих исследователей привлекает устройство под названием «Пеламис». Первый опытный образец был построен и прошел испытания в европейском Центре морских исследований на Оркнейских островах (Великобритания). «Пеламис» представляет собой «змею», состоящую из цилиндров. Волны заставляют эту змею изгибаться, что приводит в движение поршни, расположенные внутри цилиндров, которые, в свою очередь, заставляют вращаться генераторы электроэнергии. Кабель от каждого поплавка уходит на дно, а затем под дном направляется на берег. Если устройства расположены недалеко друг от друга, можно объединить их кабели в один, что позволит сэкономить несколько километров кабеля. Новая конфигурация «Пеламис» позволяет устройствам вступать в резонанс, благодаря которому можно значительно увеличить выработку энергии на морях, где нет сильных волн. Отдельная «змея» может достигать мощности до 750 кВт. Диаметр устройства «Пеламис» составляет 3б5 м, а длина его около 120 м. Устройство состоит из трех секций, каждая из которых вырабатывает по 250 кВт. В идеале плавучая конструкция должна быть расположена на расстоянии 5 – 6 км от берега, где глубина 50 – 60 м, т.е. там, где волны достаточно большие и возможно соединение установки с берегом при помощи кабеля. Похожую по идее конструкцию представляет волновой плот «Коккерела». Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот «Коккерела» состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот «Коккерела» длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать до 2 МВт. В России разрабатывается поплавковая волновая электростанция (ПВЭС), в основе которой лежит колебательное устройство, согласованное с внешним волновым полем. По сравнению с другими видами волновых электростанций ПВЭС имеют ряд достоинств, к которым можно отнести следующие: 1. Возможность размещения энергоустановок и энергопромышленных комплексов непосредственно в морях и океанах, в местах мало или совсем не пригодных для обитания человека или мореплавания. Возможность изменения места размещения установок в зависимости от волновой активности морской акватории и сезонно-синоптических условий. 2 Использование в преобразователе колебательного привода, позволяющего согласовывать работу устройства с внешним волновым полем, обеспечивая тем самым наилучшие условия для отбора энергии. 3. Эффективная и надежная работа при любых длинах, скоростях, интенсивностях и направлениях распространения морских волн. Возможность подстройки устройства под внешние изменяющиеся условия. 4. Использование конструктивно отработанных, стандартных узлов и механизмов. Высокий ресурс работы благодаря защищенности узлов механизмов от внешнего агрессивного воздействия среды с помощью герметичной капсулы-поплавка. Простота монтажа и демонтажа изделия. 5. Возможность работы в необслуживаемом режиме. Низкая стоимость эксплуатации. В настоящее время сконструирован и находится в стадии изготовления макет модуля ПВЭС для испытаний в натурных условиях. В рамках проекта EUREKA – европейской программы поддержки коммерчески перспективных проектов – разработан новый механизм использования морских волн для получения энергии. Легкое и эффективное устройство выдает энергии в три раза больше, чем его предшественники. Агрегат под названием Wavebob Wave Energy Converter (WWEC) представляет собой заякоренный на длинной цепи буй, вырабатывающий энергию вследствие колебаний под действием волн. Существующие поплавковые электрогенераторы закреплены на цепи фиксированной длины, и зачастую это приводит к простоям, когда уровень воды значительно меняется и цепь оказывается либо слишком короткой, либо избыточно длинной. 8. Экономика и экология. Термин «экология» предложил в 1866 году немецкий естествоиспытатель Эрнст Генрих Геккель. В настоящее время экология – это междисциплинарная отрасль на стыке биологии, физики, химии, географии и общественных наук. Экология (греч. oikos «дом» + logos «наука») - биологическая наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, видов, биоценозов (сообществ), экосистем, биогеоценозов и биосферы. Часто экологию определяют также как науку о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. Современная экология интенсивно изучает также проблемы взаимодействия человека и биосферы. В контексте данной темы экономика рассматривается как экономика природопользования. Природопользование в широком смысле — это особая сфера деятельности, направленная на взаимосвязанное решение задач ресурсообеспечения экономики, ресурсосбережения, сохранения среды жизни людей и охраны разнообразия природы. Экономика природопользования — раздел экономики, изучающий главным образом вопросы экономической оценки природных ресурсов и ущербов от загрязнения среды. Экономика природопользования, отражает формы производственных отношений, формирующихся в процессе использования, воспроизводства природных ресурсов и охраны окружающей среды. Предметом изучения экономики природопользования являются экономические отношения, складывающиеся между людьми и различными национальными, государственными и частными структурами в процессе взаимодействия общества и природы, экономические последствия хозяйственной деятельности и методы регулирования рационального природопользования и охраны окружающей среды. Объектом экономики природопользования являются социально-эколого-экономические системы разного масштаба и уровня, то есть вся эколого-экономическая система и эколого-экономические отношения в рамках этой системы. Экономика природопользования должна способствовать реализации национальных концепций экологически устойчивого развития и механизма его обеспечения. Одной из сторон устойчивого развития является переход от экстенсивного экономического роста к интенсивному (эффективному) развитию. Итак, в рамках экономики природопользования необходим синтез естественных, общественных и технических наук не только для изучения закономерностей, тенденций и особенностей взаимодействия общества с природой, но и прогнозирования экономических и экологических последствий этого взаимодействия. |