Реферат: Альтернативные источники энергии

Министерство образования, имолодёжной политики

Кыргызской республики

Кыргызский государственныйтехнический

университет им. И.Раззакова

Факультет транспорта имашиностроение:

Кафедра общая физика:

/>Доклад

По дисциплине: Физика

На тему: Альтернативные источникиэнергии.

Выполнили: Долгоульский А. Сайдаматов Э.

Проверила:  Аманбаева Г.М.

Бишкек 2007-04-25

 

ВВЕДЕНИЕ.

Напороге XXI века человек все чаще стал задумываться о том, что станет основойего существования в новой эре. Энергия была и остается главной составляющейжизни человека. Люди прошли путь от первого костра до атомных электростанций.

Существуют «традиционные»виды альтернативной энергии: энергия Солнца и ветра, морских волн и горячихисточников, приливов и отливов. На основе этих природных ресурсов были созданыэлектростанции: ветряные, приливные, геотермальные, солнечные.

                                         Ветряные электростанции.

Принципдействия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти ветряка, приводя вдвижение вал электрогенератора. Генератор в свою очередь вырабатываетэнергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают, какигрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен.Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветрапревращается в электрический ток.

                                          Приливныеэлектростанции.

Длявыработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива.Первая такая электростанция (Паужетская)
мощностью 5 МВт была построена на Камчатке. Для устройства простейшей приливнойэлектростанции (ПЭС) нужен бассейн — перекрытый плотиной залив или устье реки.В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины, которыевращают генератор. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни водыв бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. Снаступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становитсядостаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, авода из бассейна постепенно уходит.

                                      Геотермальные электростанции.

Электростанциитакого типа преобразуют внутреннее тепло Земли (энергию горячих пароводяныхисточников) в электричество. Первая геотермальная электростанция была построенана Камчатке. Существует несколько схем получения электроэнергии нагеотермальной электростанции. Прямая схема: природный пар направляется потрубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: парпредварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающихразрушение труб. Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затемиз воды, образовавшийся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся вней газы.

                                          Солнечные электростанции.

Внастоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов:солнечные электростанции  башенного типа и солнечные электростанции распределенного (модульного) типа.

Вбашенных солнечных электростанциях  используется центральный приемник сполем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч.Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращениевокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестверабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар стемпературой до 550ºС, воздух и другие газы — до 1000ºС, низкокипящиеорганические жидкости (в том числе фреоны) — до 100ºС, жидкометаллическиетеплоносители — до 800ºС.

                                      Тепловые электростанции.

Тепловыеэлектростанции работают по такому принципу: топливо сжигается в топке паровогокотла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутрирасположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь,вращает турбину, а та, в свою очередь, — вал электрического генератора. Затемотработавший пар конденсируется; вода из конденсатора через системуподогревателей возвращается в котел.

                                             Гидроэлектростанции.

Гидрозлектростанции преобразуютэнергию потока воды в электроэнергию посредством гидравлических турбин,приводящих во вращение электрические генераторы. Наибольший КПДгидроэлектростанция имеет тогда, когда поток воды падает на турбину сверху. Дляэтих целей строится плотина, поднимающая уровень воды в реке исосредотачивающая напор воды в месте расположения турбин.

                                           Атомные электростанции.

Такиеэлектростанции действуют по такому же принципу, что и «ТЭС, но используют дляпарообразования энергию, получающуюся при радиоактивной распаде. В качестветоплива используется обогащенная руда урана. Ядерный реактор работает на основецепной ядерной реакции, когда деление одного ядра вызывает деление других ядер;таким образом, реакция сама себя поддерживает.

                                    Термоядерные электростанции.

Внастоящее время ученые работают над созданием Термоядерных электростанций,преимуществом которых является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченноевремя. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза —реакции синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия и выделениемэнергии. Реакция термоядерного синтеза не дает газообразных и жидкихрадиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется дляпроизводства ядерного оружия. Если еще учесть, что горючим для термоядерныхстанций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простойводы — в полулитре воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, чтополучится при сжигании бочки бензина, — то преимущества электростанций,основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.

ГЛАВА 1  Ветроэнергетика

§1.1.История развития

Развитие любой страны взначительной мере связано с обеспеченностью ресурсами, в том числеэнергетическими. Установлено, что темпы прироста национального дохода примерносоотвецтвуют темпам роста потребление энергии.

Человек всегда стремилсяиспользовать силы природы, развитие производственных процессов потребовалоперехода от применения мускульной силы к использованию новых источниковэнергии. Прежде всего человек обратился к силе воды и ветра, которыеиспользовались в промышленном производстве, но главным образом в сельскомхозяйстве.

Впервые энергия ветрабыла использована, по- видимому, для передвижения парусных судов, апозднее-также для подъема воды и размола зерна. Первые ветряные двигатели, попредположению – с вертикальной осью вращения, были построены более 2 тыс. летназад. Вавилоняне еще до нашей эры использовали их для осушения болот, вЕгипте, на Ближнем Востоке, в Персии строили ветряные водоподъемники имельницы. До настоящего времени в некоторых странах бассейна Средиземного моряможно встретить ветряные мельницы с крыльями, имеющими поперечные паруса.

В Европе, вначале воФранции, ветряные мельницы появились в ХХII в. Ф.Энгельс писал, что « ветряная мельница была изобретенаоколо 1000 г.». В Англии работали мельницы, однотипные по принципу действия сфранцузскими. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны. В ХIV столетии голландцы широко использовали ветряные мельницы дляосушения болот и озер. В начале ХVII в.большая часть территории осушалась с помощью ветроустановок мощностью до 30 –35 кВт. В этот же период появились усовершенствованные конструкции мельниц иновые ветряные двигатели, которые использовали для привода машинбумагоделательных фабрик, лесопилок и других устройств. В 30-х годах ХVIII в. в Голландии работали 1200ветроустановок, которые предохраняли 2/3 страны от обратного превращения вболота. Первое изложение теории ветродвигателя относят к началу ХVIII в. В более систематизированном видеона появилась в конце ХIХ в.в Америке и Европе.

Конструкции первых ветряных мельниц вРоссии были, по-видимому, заимствованы в Германии, и их называли  немецкими. Кначалу ХVIII в. число мельниц стало значительным,и их применение приобрело государственное значение. Многое для ихраспространения в России сделал Петр 1. В ХVIII – ХIХ вв.мельницы сооружались практически повсеместно, и к началу первой мировой войны вРоссии эксплуатировалось более 200 тыс. мельниц, которые ежегодно перемалывали2/3 всего товарного зерна.

К середине прошлогостолетия в США эксплуатировалось почти 6 млн. маломощных ветродвигателей дляподъема воды, выработки электроэнергии и выполнения других простых работ. Более150 тыс. установок насчитывается в США и сегодня.

В России наряду скустарными мельницами в начале прошлого  столетия началось изготовление взаводских условиях ( в мастерских) тихоходных многолопастныхдеревометаллических ветродвигателей системы инж. В.П. Давыдова, которыеприменяли главным образом для  механизации подъема воды. Некоторое числоветродвигателей завезли из Германии, Франции и США, где их производство былоналажено несколько раньше. В основном выпускалось многолопастные двигатели, ноони уже были снабжены системами автоматического регулирования скорости вращенияи мощности, механизмами ориентации ветроколеса по направлению потока. Суммарныйгодовой выпуск в основных промышленно развитых странах составлял сотни тысячдвигателей. Позднее, в начале нашего столетия, ряд стран ( США, Франция,Германия, Австралия, Великобритания и.др.) начал в значительных количествахвыпускать на заводах также и более совершенные по конструкции и экономичныебыстроходные ветроагрегаты, предназначенные в первую очередь для полученияэлектрической энергии. Их использовали для освещения небольших и удаленныхобъектов и зарядки аккумулярных батарей.

В нашей стране широкоеразвитие научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в областиветроэнергетики началось буквально с первых дней Советской власти. Уже в 1918 г. В.И.Ленин считал необходимым поручить Академии наук включить в план реорганизациипромышленности и экономического полъема России наряду с другими проблемамиводные силы и ветряные двигатели вообще и в применении к земледелию. Через 3года он снова возвращается к этому вопросу и в письме к А.П. Серебровскомуподчеркивает важность использования ветродвигателей в Азербайджане. В.И. Ленинуказывал на необходимость использования непервоклассных сортов топлива дляполучения электрической энергии с наименьшими затратами на добычу и перевозкугорючего. Именно поэтому он придавал большое значение таким энергетическим источникам, как ветер.

Первый этап развитияветроэнергетики в нашей стране ( до середины 30-х годов) характеризуется восновном теоретическими исследованиями. Н.Е. Жуковским и его учениками Г.Х.Сабининым, В.П. Ветчинкиным и др. была разработана теория идеального иреального ветродвигателей, которойпользуются во всем мире. В тот же периодсозданы аэродинамические профили высокого качества для лопастей ветроколес,спроектированы опытные установки и проведены продувки моделей в трубах, изученыхарактеристики ветродвигателей. Проводились испытания различных конструкцийветроагрегатов и установок, совершенствовались методы их расчета ипроектирования.

Параллельно велись работыпо созданию новых моделей и типовветродвигателей. Уже в 1924 году подруководством Н.В. Красовского в отделе ветродвигателей (ОВД) ЦАГИ былразработан быстроходный двигатель мощностью до 50 л.с. с новой системой регулирования частоты вращения колеса, предложенной Г.Х. Сабининым. Онаполучила название стабилизаторной. С целью расширения работ по созданиюветродвигателей и использованию энергии ветра в 1930 г  на базе ОВД ЦАГИ был организован Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ),единственный в мире в то время научно исследовательская оргонизация такогопрофиля.

В те годы удалось быстро разработать конструкции тихоходных ветродвигателей ВД-5 и ВД-8 для серийногопроизводства. После модернизации эти двигатели, предназначенные для подъемаводы, а также для работы с некоторыми сельскохозяйственными машинами(мельницами, дробилками кормов, силосорезками и др.), начали выпускать вбольших количествах под марками ТВ-5 и ТВ-8. Была также создана конструкция иосвоено производство быстроходного ветродвигателя Д-12 со  стабилизаторнойсистемой регулирования, который использовался в сельском хозяйстве, в Арктике,на зимовках, на метеостанциях и для энергоснабжения других объектов.

В связи с началомэлектрофикации сельского хозяйства были организованы работы по созданиюветроэлектрических станций (ВЭС). В 1930 году была спроектирована, а в 1931году сооружена в Крыму самая крупная в мире ВЭС Д-30 мощностью 100 кВт. Станцияработала до 1942 года и давала электроэнергию в сеть Севастопольэнергонапряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии ВЭС превышала 270 МВт.ч. Вовремя Великой отечественной войны она была разрушена. К этому же периодуотносится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.

С 1936 г. основные проектные и следовательские работы по использованию энергии ветра, в первую очередьдля нуждсела, были переданы Всесоюзному НИИ механизации сельского хозяиства(ВИМ). В 1938 г. в составе Всесоюзного научно- исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ) было организовано конструкторскоебюро по серийным ветродвигателям. Ряду предприятий  поручили  выпуск установок.За 4 предвоенных года только в колхозах и совхозах было построено более 8000ветросиловых установок, с помощью которых механизировали трудоемкие процессы нафермах, в первую очередь водоснабжение животных.

В этот период и в первыепослевоенные годы был принят ряд партийных и правительственных постановлений оразвитии ветроиспользования. ХVIIIсъезд партии в резолюции по 3-му пятилетнему плану (1938-1942 гг.) указал нанеобъходимость в целях экономии топлива широко развить строительство небольшихветроэлектростанций, организовать массовое производство ветродвигателей ишироко развернуть сооружение колхозных ветросиловых установок.

В годы ВеликойОтечественной войны, когда не хватало топлива, в деревне широко развернулосьстроительство ветряных мельниц. Сразу после окончания войны было  организованопромышленное производство модернизированных ветродвигателей типов ТВ-5, ТВ-8,УНДИМ-Д-10, электрических зарядных ветроагрегатов небольшой мощности и другихустановок, созданы и выпущены опытными партиями ветроэлектрические станции Д-18и 1Д-18 ЦАГИ мощностью 30кВт. В законе о 4-м пятилетнем плане развития народного хозяйства страны записано: « Обеспечить массовое строительствоветростанций».

В годы, предшествовавшиевторой мировой воине, и вплоть до середины 50-х годов во многих странах нарядусрасширением масштабов производства и применения ветродвигателей небольшой исредней мощности большое внимание начали уделять созданию и строительствукрупных ВЭС. Так, в начале 1941г. в США была построена станция 1,25 МВт сдвухлопастным ветроколесом. Несколько лет она успешно работала, вырабатываяэнергию, которая поступала в местную электрическую сеть. В марте 1945 г. ее эксплуатация была прекращена вследствии повреждения одной из лопастей, вызванноговибрацией.

После войны датчанесоздали три типа ВЭС мощностью 12,45 и 200 кВт для работы на электрическуюсеть. Великобритания построила для испытаний несколько демонстрационных 100киловатных ветроэлектростанций, в том числе одну установку принципиально новоготипа системы Андро с пневматической передачей мощности от ветроколесагенератору, установленному вместе с воздушной турбиной в нижней части машины.

Под руководством проф. У.Хюттера вГермании был осуществлен ряд усовершенствований ВЭС. Самая крупная из них имеларасчетную мощность 100 кВт. Наиболее совершенными из них были установки фирмы Allgaier .

Французские ученые иконструкторы создали несколько ветроэлектрических станций мощностью от 130 до800 кВт с  синхронным и асинхронными генераторами. Они работали наэлектрические сети совместно с другими, в основном тепловыми, электростанциями.В этот же период велись работы в области ветроэнергетики в Швеции, Австралии,Канаде, Нидерландах, Аргентине, Мексике и в ряде других стран.

В нашей стране 50-е годыявились новым этапомдальнейшего расширения работ в области использованияэнергии ветра. В августе 1954 г. Совет Министров СССР принимает развернутоепостановление о дальнейшем развитии ветроэнергетики и расширение масштабовиспользования ресурсов ветра, которым были определены задания по организацииисследований, разработке новых конструкций ветроагрегатов, их производству ивнедрению в народное хозяйство, улучшению эксплуатации. Была созданаЦентральная научно-исследовательская лаборатория по ветродвигателям (ЦНИЛВ),группы или лаборатории ветроэнергетики в ряде республиканскихнаучно-исследовательских и проектных институтов. Основное внимание в этотпериод уделялось использование энергии ветра в сельскохозяиственномпроизводсте.

Уже в середине 50-х годоврезко возрос выпуск ветроэнергетического оборудования различных типов  только в 1956 г. было произведено 9 тыс. ветродвигателей. Одновременно во ВсесоюзномНИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) расширились исследования вобласти эксплуатации ветроустановок, их агрегатирования с рабочими машинами игенераторами  по вопросам аэродинамики расширились работы в ЦАГИ. Разработкамиветроэнергетического кадастра, вопросов аккумулирования энергии, новых методоврасчета конструкции и оптимизации сфер применеия, исследованиями в областиповышения надежности и эффективности эксплуатации был занят ряд центральных иреспубликанских институтов и организаций. Были изобретены новые системырегулирования ветродвигателей, разработаны эффективные методы использованияВЭС, конструкции ветроагрегатов различного назначения, в том числе дляпастбищного водоснабжения «Беркут» с электронасосом повышенной частоты,УВЭУ-(1-4)-6 (ныне АВЭУ-6), снабженный погружным электронасосом с двигателемпромышленной частоты, ВБ-3Т с насосом вибрационного типа и ряд других. ВКазахстане была сооружена многоагрегатная ВЭС мощностью 400кВт, построены ииспытаны образцы агрегатов и станций мощностью от 0,2 до 30 кВт.В 1971 году наряде заводов был организован выпуск опытных партий агрегатов четырёх типов ипроведена их эксплуатационная проверка на пасдбищах Чёрных земель Кизлярскихстепей ив других зонах. Продолжались работы над созданием ветрооогрегата Вихрьс пневмотическим насосом, электрических агрегатов Сокол и УВЕУ-(8-16)-12мощностью 15 кВт а так же разрабатывались  проекты более мощныхэкспериментальных ВЭС до 100кВт предназначенных для комплексного использование.

По неполным даннымЮНЕСКО, в 1960г. в мире насчитывается более 1 млн ВЭС различных типов иназначение, в том числе более полумиллиона  быстроходных ветроэлектрических агрегатов. Большинство ветродвигателей использовалось в системахсельскохозяйственного водоснабжения, для зарядки аккумуляторных батарей ипмиания энергией небольших объектов, на линиях радиорелейной связи и для другихцелей в районах с благоприятным ветровым режимом, удаленных от источниковцентрализованного энергоснабжения, В 1968 г. только в Австралии эксплуатировалось почти 250 тыс. ветроустановок.

В годы так называемого«энергитического кризиса» (начало 70-хгодов), вызванного увеличением во всеммире потребления энергии, постепенным сокращением запасов традиционныхэнергоресурсов и ростом цен на жидкое топливо, во многих странах резкорасширились работы по использованию возобновляющихся источников энергии, впервую очередь Солнца, ветра, теплоты недр Земли  и др. В соответствии снациональными энергетическими программами созданы новые более эффективныеветроустановки и станции с единичной мощностью до 2-3 Мвт, ведутся разработкановых конструкций и поиск экономичных  технологий преоброзования энергии ветрав электрическую, химическую энергию и теплоту. По существу ставится и решаетсяпроблема  технического перевооружения этого направления энергетики на основеширокого использования результатов фундаментальных и прикладных исследований,внедрения достижений НТР.

Дальнейшее развитиеветроэнергетики как отрасли науки и техники, разрабатывающей теоритическиеосновы, методы и средства использования энергии ветра для производствамеханической, электрической энергии и теплоты, является важнойнароднохозяйственной проблемой. Одна из задач отрасли- на каждом из этапов развитиястраны определять масштабы целесообразного использования ветровой энергии внародном хозяйстве.Из двух составных частей ветроэнергетики- ветротехники иветроиспользования – первая призвана разрабатывать теоретические основы исовершенствовать практические приемы проектирования технических средств, вторая– обосновывать и решать  теоретические и практические вопросы оптимальногоиспользования ресурсов ветровой энергии, рациональной эксплуатации установок,определения их технико- экономических показателей, обобщения и распространенияопыта применения ветроустановок в различных отраслях, зонах и условиях, чтобырешить главную задачу – обеспечить потребность страны в энергии.

§1.2ВЕТЕРКАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ.

Ветер в приземном слоеобразуется вследствие неравномерного нагре­ва земной поверхности Солнцем.Поскольку поверхность Земли неодно­родна, то даже на одной и той же широте сушаи водные пространства, горы и лесные массивы, пустыни и болотистые низинынагреваются по-разному. В течение дня над морями и океанами воздух остаетсясравни­тельно холодным, поскольку значительная часть энергии солнечного излу­чениярасходуется на испарение воды или поглощается ею. Над сушей воздух прогреваетсябольше, расширяется, снижает свою массовую плот­ность и устремляется в болеевысокие слои над землей. Его замещают бо­лее холодные, а следовательно, болееплотные воздушные массы, распо­лагавшиеся над водными пространствами, что иприводит к возникнове­нию ветра как направленному перемещению больших массвоздуха. Эти местные ветры, образующиеся в прибрежных зонах, носят название бри­зов.Годовые изменения температуры в береговых районах больших мо­рей и океановвызывают циркуляцию более крупного масштаба, чем бри­зы, называемые муссонами.Они делятся на морские и материковые, от­личаются, как правило, большимискоростями и в течение ночи меняют свое направление. Аналогичные процессыпроисходят в гористых местах и долинах вследствие разных уровней нагреваэкваториальных зон и полю­сов Земли и многих других факторов. Характерциркуляции земной ат­мосферы усложняется вследствие сил инерции, возникающихпри враще­нии Земли. Они вызывают различные отклонения воздушных течений, об­разуетсямножество циркуляции, в большей или меньшей мере взаимо­действующих междусобой.

Сила и направление ветрав различных зонах по-разному изменяются в зависимости от высоты надповерхностью Земли. Так, на экваторе близко к земной поверхности расположеназона с относительно небольшими и переменными по направлению скоростями ветра, ав верхних слоях возни­кают достаточно большие по скорости воздушные потоки ввосточном направлении. На высоте от 1 до 4 км от поверхности Земли, в зоне между 30° северной и южной широт образуются достаточно равномерные воз­душныетечения, называемые пассатами. В северном полушарии ближе к поверхности Землиих средняя скорость составляет 7 — 9 м/с.

Вокруг зоны пониженного давленияобразуются крупномасштабные циркуляции воздушных масс — в северном полушариипротив направле­ния движения часовой стрелки, а в южном — по направлению еедвиже­ния. Вследствие наклона 23,5° оси движения Земли к плоскости ее враще­нияотносительно Солнца происходят сезонные изменения тепловой энер­гии, получаемойот него, величина которых зависит от силы и направле­ния ветра над определеннойзоной земной поверхности. 36

На относительно большойвысоте над поверхностью Земли (в среднем 8-12 км) в тропосфере возникают достаточно равномерные и мощные воздушные течения, получившие названиеструйных. Их образование вызвано особенностями высотной атмосферной циркуляции,поэтому характеристики струйных течений существенно отличаются от параметровприземного ветра.

Размеры струйных теченийв поперечнике достигают 400-600 км, а протяжен­ность — др 1000 км. Обычно они не подвержены большим сезонным изменениям, но могут менять свое расположение повысоте. Так, над Восточной Сибирью и Чу­коткой они иногда опускаются до высоты3-4 км от поверхности Земли. Ско­рости воздушных масс в ядре струйного течениясоставляют 30-80 км/ч, но часто доходят до 200 км/ч.

Таким образом, тепловаяэнергия, непрерывно поступающая от Солнца, преобразуется в кинетическую энергиюдвижения в атмосфере огромных масс воздуха, циркуляция которых и называетсяветром.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА

Ветер является одним изнаиболее мощных энергетических источников, который издавна используетсячеловеком, и при благоприятных условиях может быть утилизован в интересахнародного хозяйства в значительно больших масштабах, чем это имеет место внастоящее время. По ориенти­ровочным оценкам, энергия,'которая непрерывнопоступает от Солнца, соответствует суммарной мощности, превышающей 1011ГВт. Это опре­деляет возможную годовую выработку энергии ветроагрегатами,равную 1,18 • 1013 кВт -ч, что во много раз превышает количествоэнергии, потреб­ляемой сегодня в мире. По оценкам МИРЭК, ежегодно в мирепотребляет­ся около 3 млрд. т условного топлива. В развитых странах потреблениедостигло 0,6 т условного топлива в год на одного человека, в развиваю­щихся — в3 раза меньше.

Энергетические установкиобычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50 — 70 м, реже — до 100 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристикидвижения воздушных потоков именно в этом слое. В дальнейшем, по мере созданиясоответ­ствующих технических средств, могут оказаться практически ценными такжеструйные течения, характерные для тропопаузы.

Важнейшейхарактеристикой, определяющей энергетическую цен­ность ветра, является его.скорость. В силу ряда метеорологических факто­ров (возмущения атмосферы,изменения солнечной активности, коли­чества тепловой энергии, поступающей наЗемлю, и других причин), а также вследствие влияния рельефных условийнепрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направлениеизменяются по слу­чайному закону. Поэтому мощность, которую может вырабатыватьветро-установка в различные периоды времени, удается предсказывать с оченьмалой вероятностью. В то же время суммарную выработку агрегата, осо­бенно задлительный промежуток времени, можно рассчитать с высоким уровнемдостоверности, так как средняя скорость ветра и частота распре­деленияскоростей в течение года или сезона изменяются мало.

Единицами измерения скорости в СССРявляются метр в секунду (м/с) и километр в час   (км/ч), за рубежом применяюттакже миля в час(1 миля/ч = 0,44 м/с). Направление вектора скорости измеряетсяв граду­сах или румбах и показывает его угловое положение относительно направ­ления(обычно северного), принятого за начало отсчета.

Для измерения мгновеннойскорости ветра, т.е. пути воздушного пото­ка, пройденного им за промежутоквремени, измеряемый секундами или даже долями секунд, пользуются анемометрамиразличных конструкций. Чем меньше интервал времени усреднения скорости, темменее инерцион­ным должно быть ветроприемное устройство анемометра. Поэтому дляподобных измерений используют специальный класс приборов — мало­инерционные.

Усредненную за болеедлительные промежутки (несколько десятков се­кунд или минут) скорость потокаизмеряют анемометрами и интегрирую­щими устройствами разнообразных типов,которые имеют также приборы для получения визуальных отсчетов и регистрирующуючасть, обеспечи­вающую запись скоростей на ленту. Погрешность измеренияскорости анемометром может доходить до 5 —7%, поэтому в тех случаях, когда тре­буетсябольшая точность, например при испытаниях в аэродинамической трубеветродвигателей и их моделей, используют трубку Пито, соединен­ную смикроманометром. На некоторых метеостанциях наряду с анемо­метром иногда ещеиспользуют флюгер Вильда, но он не дает требуемой точности измерений скорости,и практически для получения данных с целью проведения энергетичееких расчетовон непригоден.

Мгновенная скорость ветра частоопределяет динамическое воздейст­вие воздушного потока на ветродвигатель.Динамические характеристи­ки потока, его порывы влияют на работу автоматическихсистем регули­рования и ориентации. Количество энергии, которую можетвыработать ветроагрегат, зависит в первую очередь от усредненной скорости ветраза определенный интервал времени и по всему сечению потока, равному площадиповерхности, ометаемой ветроколесом. Именно эта скорость в основном определяеттакже режимы работы агрегата.

Средняя скорость ветра v за выбранный промежуток времени Т = t2—t1 определяется отношением суммы измеренных значений мгновен­нойскорости Vj к числу измерений n:

/>

 Среднесуточную скорость vсут находят делением на 24 суммы среднеча­совых скоростей v4, а среднегодовую vr — делением на 365 суммы всех

vcyT за год.

Средние значения скоростей врассматриваемом районе, как правило, определяют по данным наблюдений наметеостанциях, а в ряде случаев — по материалам анеморазведок. В зависимости откатегории и класса метеостанции, требований и особенностей объектов,находящихся побли­зости от обслуживающих станций, метеорологические срокинаблюдений за скоростью ветра устанавливаются различные. Чаще всего принятыинтервалы в 3, 4 или 6 ч с измерениями в определенное время, но на частиметеостанций и специальных объектов ведут непрерывную запись ско­ростей(например, на Московской и других телебашнях, при некоторых аэропортах, в зонахс аномальным ветровым режимом и т.д.) или прово­дят ежечасные наблюдения.

Класс открытости метеостанции,степень защищенности (затененности препятствиями) анемометра учитывают приизмерениях скорости ветра различных направлений (по румбам). Для классификациистанций поль­зуются специальной методикой, предложенной В.Ю. Милевским, котораяизложена в литературе по метеорологии. Методика обеспечивает возмож­ностьлучшей сопоставимости наблюдений, их репрезентативности для обслуживаемой зоны.На метеостанциях получают и накапливают доста­точно точные для практикисведения о среднепериодных скоростях, ко­торые в сравнении с данными,вычисленными по среднечасовым скорос­тям, дают относительно небольшуюпогрешность. Надо иметь в виду, что на показания анемометров влияют ихрасположение, макро- и микро­рельеф местности, класс открытости метеостанции.Это следует учиты­вать при пересчете скоростей для определенной высоты и длякаждого конкретного района, где предполагается установка ветроагрегата, дажеесли он расположен сравнительно недалеко от станции.

Средние скорости ветраменяются в различное время суток, разные ме­сяцы и сезоны. Поэтомурассматривают суточный, месячный и сезонный ход скоростей, определяющий общуютенденцию их изменения в ука­занные периоды и оценивающий макроструктурувоздушного потока. Предельные значения скоростей ветра, данные об его интенсивностии микроструктура потока в различных точках его поперечного сечения ипродольного вектора за относительно короткие интервалы времени яв­ляютсяважными режимными характеристиками ветра, используемыми в расчетах на прочностьи долговечность агрегатов, при проектировании механизмов привода, системрегулирования и ориентации, схем совмест­ного использования с другимиустановками и др.

Важной характеристикойявляется вертикальный профиль ветра, т.е. изменения его скорости по высоте вприземном слое. Влияние зем­ной поверхности на скорость и направление ветрауменьшается по мере увеличения высоты. Поэтому скорость обычно возрастает, апорывис­тость и ускорения потока снижаются. Градиент скоростей летом, какправило, меньше, чем зимой, когда вертикальный перепад температур относительнонебольшой. При адиабатическом градиенте температуры в нижних слоях атмосферывертикальный профиль ветра v (К) аппроксими­руется зависимостями вида

/>

Важнейшее значение длянадежности и долговечности ветроэнергети­ческой установки имеют значенияпредельных скоростей ветра в зоне. \ Они определяют принимаемые расчетныенормативы при проектировании узлов и конструкций установки на прочность,параметры регуляторов, аэродинамические характеристики лопастей. Приопределении расчетных значений максимальных скоростей ветра различнойвероятности, поль­зуются формулой Л.С. Гандина и Л.Е. Анапольской

/>

где F(x) — вероятность того, что v превзойдет заданное значение х; (1,у — параметры уравнения, зависящие от характеристик зоны и режи­мов ветра; е —основание натурального логарифма.

Для оценки относительнойскорости ветра в метеорологической прак­тике используют коэффициент, %,

/>

где — />—измеренная в определенный час скорость; v — средняя скорость за выбранный промежуток времени; vmax> vmin — экстремальные значе­ния скорости ветра за этот период.

Линии, соединяющие точкина карте, имеющие равные величины К', называются изоплетами.

Энергия Е воздушногопотока с поперечным сечением F, Дж:

E = mv2/2.                                                                                      

Секундная масса т воздуха,протекающая со скоростью vчерез это сече­ние, кг/с:

m =pFv.                                                                                         

Подставляя E в m, получаем, Дж/с,

E = pv3F/2,                                                                                     

где р — плотность воздуха, равная длянормальных условий 1,23 кг/м3 (при t = 15 °С и р = 101,3 кПа или 760мм рт. ст.).

Таким образом, энергия ветраизменяется пропорционально кубу его скорости. Ветроколесо может преобразовать вполезную работу только часть этой энергии, которая оценивается коэффициентомиспользования энергии ветра £. Для идеального крыльчатого ветроколесамаксимально достижимая величина £, рассчитанная по классической теорииН.Е. Жу­ковского и теории Г.Х. Сабинина, равна соответственно 0,593 и 0,687.Современные ветродвигатели при работе в номинальном (расчетном) режимепреобразуют в механическую работу не более 45 — 48% кинетической энергииветрового потока, что вызвано различными потерями и другими причинами.Кинетическая энергия, которой потен­циально обладает ветровой поток, зависит отскорости ветра v, температуры воздуха t и атмосферного давления р. Удельная мощность (секунд­наяэнергия), которая заключена в потоке, имеющем поперечное сечение, равное 1 м2, при t = +15°С и p= 101,3 кПа округленно составляет:

Скорость ветра, м/с.......    4        6        8         10      14        18      22

Мощность потока, кВт/м2  ...     0,04   0,13   0,31    0,61    1,67     3,6    6,25

По отношению к этимусловиям изменение температуры воздуха от + 15 до 0 °С повышает мощность потокапримерно на 6%, а при t = +30 °С энергия, заключенная в потоке,наоборот, снижается на 5%. При постоян­ной температуре воздуха 0°С изменениеатмосферного давления, напри­мер, от 103,7 до 97,3 кПа (от 770 до 730 мм рт. ст.) снижает энергию по­тока примерно на 6%.

  §1.3ПРИНЦИПЫПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И РАБОТЫ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

Воздушныйпоток, как и любое движущееся тело, обладает энергией движения, или запасомкинетической энергии. Последняя с помощью ветроколеса или другого рабочегооргана преобразуется в механическую энергию. В зависимости от назначенияветроустановки механическая энер­гия с помощью исполнительных механизмов(генератора, компрессора, электролизера и т.д.) может быть преобразована вэлектрическую, тепло­вую или механическую энергию, а также в энергию сжатоговоздуха. Согласно (3.7) — (3.9) секундная кинетическая энергия Е воздушногопотока с площадью поперечного сечения F, имеющего массу т,плот-яость р и скорость v, равна pFv3/2. Замечая, что F — ПR2, и сделав соот­ветствующиеподстановки, получим, Н*м/с,          

/>

/>

Рис1.1. Карусельный ветродвигатель-шторка

/>Рис   1. 2.   Моделькарусельного ветродвигателя с поворачивающимися лопастями

1 -     вертикальная ось; 2 — горизонтальныепланки; 3 — поворачивающиеся лопасти; 4 -ось лопасти

Следовательно, секундная энергия,или мощность воздушного потока, пропорциональна его плотности, плошалипоперечного сечения и кубу скорости.

Часть полной энергиипотока, воспринятой ветроколесом, которую вет­родвигатель преобразует вмеханическую энергию, оценивается коэффи­циентом использования энергии ветра

 />                                                                              

 который зависит от типа ветродвигателя и режима его работы.

Секундная работа илимощность, Н-м/с, развиваемая ветроколесом, оп­ределяется по формуле

Р= pv3F />

Так как плотность воздухаочень мала (в 800 раз меньше плотности воды), то для получения относительнобольших мощностей приходится применять ветродвигатели со значительнойповерхностью ветроколеса. Постоянные изменения скорости v приводят к тому, что мощность, раз­виваемаядвигателем, изменяется в очень больших пределах: от нуля во время штиля довеличины, в десятки раз превосходящей установленную мощность, на которуюрассчитывают ветродвигатель при расчетной ско­рости ветра. Для преобразованиякинетической энергии воздушного потока в меха­ническую энергию могут бытьиспользованы ветродвигатели различных типов. Первыми (примерно в XVIII в. до н.э.) появились, по-видимому вПерсии и Китае, двигатели с вертикальной осью вращения, как наиболее простые.Они получили название карусельных. Чтобы получить вращаю­щий момент на оси,лопасти, движущиеся навстречу ветру, должны быть прикрыты шторкой (рис. 4.3)или поворачиваться ребром к потоку (рис. 4.4). Для этого они укрепляются на осис помощью шарниров и на активном участке пути (в зоне А) фиксируются в нужномположении специальными устройствами (упорами).

/>

Рис. 1.3. Роторныйветродвигатель

/>

Рис. 1.4.  Барабанныйветродвигатель

Разновидностью двигателейкарусельного типа являются роторные двигатели, у которых рабочие поверхностивыполнены не плоскими, а криволинейными (рис. 4.5). Поэтому давление на них придвижении по направлению действия потока и против него разное, что и обусловлива­етвозникновение вращающего момента. Двигатели с плоскими рабочи­ми поверхностями,вращающимися относительно горизонтальной оси, получили название барабанных(рис. 4.6).

Все перечисленные типыдвигателей работают в результате наличия разности сил лобового давления,образуемых относительно оси враще­ния. При этом нетрудно показать, чтонаибольшую мощность двигатель развивает в том случае, когда рабочая плоскость,воспринимающая давле­ние ветра, движется по направлению потока со скоростью,примерно рав­ной 1/3 его скорости. Большинство из указанных типов двигателейимеет весьма простую конструкцию, но тем не менее они не нашли широкогораспространения из-за своей тихоходности, громоздкости, малого значе­ниякоэффициента использования энергии ветра ij (в лучших условиях он не превышает 0,18), большихтрудностей, возникающих при необходи­мости оборудования их системамиавтоматического регулирования разви­ваемой мощности и частоты вращения.

В последние годы в рядезарубежных стран (США, Канаде, Аргентине, Великобритании и др.) большоевнимание привлекли к себе ветродвига­тели с вертикальной осью вращения,предложенные в 30-х годах фран­цузским изобретателем Дарье. Этот ветродвигатель(рис. 4.7) отличает­ся тем, что его ветроприемное устройство — ротор состоит издвух-четы­рех изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении аэродинамичес­кийпрофиль. Лопасти, закрепленные в точках А и Б на оси вращения, изогнуты так,что образуют пространственную конструкцию, вращаю­щуюся под действием подъемнойсилы, возникающей на лопастях от ветрового потока. Это позволяет повыситьвеличину £ до 0,3—0,32. Пре­имуществами такого ветродвигателя являютсяего меньший относитель­ный вес на единицу мощности, чем у других типовдвигателей с верти-

/>

риc. 1.5. Ветродвигатель (ротор) системы Дарье:

1 -     лопасти; 2 — вал; 3 — растяжки; 4 — опора; 5 — привод

кальной осью вращения, большаябыстроходность. Кроме того, в отли­чие от двигателей с горизонтальной осьюсистема Дарье не нуждается в механизме ориентации по направлению ветровогопотока.

Более совершеннымидвигателями являются так называемые крыль-чатые ветродвигатели с горизонтальнойосью вращения ветроколеса, ра­бочий момент на котором создается за счетаэродинамических сил, воз­никающих на лопастях, которые в простейшихконструкциях представ­ляют собой плоскости. В современных агрегатах применяютлопасти, имеющие специальный аэродинамический профиль. Они появились при­мернов IV—III в. до н. э. в Александрии [321.

/>

Рис. 1.6. Принципиальная схемаветродвигателя крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения:

/ — редуктор; 2 — генератор; 3 — вертикальный вал

/>

Рис. 1.7. Принцип работы ветроколеса:

а — подъемная сила крыла Ру; б — план скоростейвоздушного потока и сил, действующих на лопасть

Такие ветродвигатели болеебыстроходные, имеют меньшую относительную массу, снабжены устройствами,автоматически регулирующими развиваемую мощность, ограничивающими частотувращения и ориентирующими ось вращения ветроколеса по направлению вектораскорости потока. Коэф­фициент использования энергии ветра у них примерно в 3раза выше, чем у двигателей карусельного, роторного и барабанного типов.

В большинстве странпроизводят и применяют только крыльчатые вет­родвигатели. Двигатели другихтипов изготовляют обычно кустарным пу­тем или производят в очень небольшихколичествах. Поэтому в дальней­шем мы будем рассматривать только агрегаты иустановки с двигателями крыльчатого типа. Основным рабочим органом такогодвигателя являет­ся ветроколесо с лопастями, расположенными по радиусам и поднекото­рым углом tp к плоскости вращения. Число лопастейможет быть различ­ным и зависит от назначения двигателя. При обтеканиивоздушным пото­ком крыла под ним создается зона повышенного давления, а надним, напротив, пониженного. Это обусловливает возникновение подъемной силы Pv, которая создает вращающий момент на ветроколесе

Электрические зарядныеветроагрегаты, предназначенныедля зарядки аккумуляторов с целью освещения жилищ чабанов, полевых станов, юртоленеводов, палаток и домиков различных экспедиций, а также для пита­ниясигнальных устройств, радиоузлов, приемников и телевизоров, обыч­но имеют мощность1 кВт и используются в неэлектрифицированных, удаленных от линийэлектропередачи и малонаселенных районах, где vv > 3,5 м/с. Агрегаты мощностью от 50 Вт до 1,5 кВтприменяют также в качестве энергоустановок для питания устройств катоднойзащиты ма­гистральных нефте- и' газопроводов, морских эстакад, питания автома­тическихметеостанций и опреснительных установок индивидуального пользования. Агрегатыснабжены аккумуляторными батареями низкого напряжения (6—24 В), которыеработают в буферном режиме.

Агрегат АВЭУ-2 (прежняя марка — АВЭС-0,1) имеетследующие узлы (рис. 5.26): ветроколесо 1 диаметром 2 м, головка 2, хвост 3, стойка 4 и электрический щиток с аккумуляторной батареей. Стойка головки при­крепленак опорному столбу 5 и растяжками 6, на котором укреплен ры­чаг ручногоуправления, с помощью которого, тормозя вал генератора, останавливают агрегат.

Ветроколесо имеет двеметаллические лопасти, поворачивающиеся в подшипниках втулки, закрепленной- навалу генератора. Центробежный регулятор работает по такому же принципу, как 'иагрегат «Беркут». В зависимости от скорости ветра и величины нагрузки частотавращения изменяется в диапазоне от 300  до 800 об/мин.

На стойке, несущей фермус хвостовым оперением, закреплен генера­тор с возбуждением от постоянныхмагнитов. В нем расположены трех­фазная неподвижная статорная обмотка и ротор ввиде восьмиполюсного постоянного магнита. Они размещены в корпусе изалюминиевого сплава. В зависимости от способа соединения обмоток генератор вырабатываетток напряжением 26 или 15 В.

Генератор соединен сэлектрическим щитком трехжильным кабелем, пропущенным сквозь трубу стойки,которая может поворачиваться в

Скорость ветра, м/с

Показатели —--------------------------------

4        5         6          7    8 и выше

Мощность, кВт   0,8    1,6       4,5     7,8      12 Qnpи H#Ј=50M-     5,9      11,3   14,1     16

Q при H #2 = 100 м -      4,6       9,7    12         15

Таблица 1

Полезная мощность и подача агрегата «Сокол», м3/чупорномшарикоподшипнике и направляющей втулке. Щиток имеет один-два селеновыхвыпрямителя, собранных по трехфазной двухполу-периодной схеме, амперметр дляконтроля работы агрегата, выключатели, предохранитель и зажимы дляприсоединения нагрузки к аккумулятор­ной батарее (рис. 5.27). Транзисторныйпреобразователь используется для питания телевизора.

/>

Рис.1.9. Электрическая схема агрегатаАВЭУ-2:

/ — ветроэлектроагрегат; 2 — электрощит;3 — преобразователь; 4 — телевизор; 5 — радиоприемник;  6 — аккумуляторныебатареи;   7 — электрическое освещение

/>

Рис. 1.10. Электрическийагрегат Д-4 для зарядки аккумуляторных батарей

Для предохранения батарейот перезаряда и выкипания электролита предусмотрена релейная автоматика,которая подключа­ет к генератору дополнительную нагрузку при достижениинапряжения аккумулятора 15 В и избытке мощности. Этим снижаются напряжение иток заряда до 0,5 — 1 А.

Агрегат работает саккумуляторными батареями 6СТ-128 или ЗСТ-84 напряжением 6,12 или 24 В.

Агрегат Д-4 представляет интерес как примервесьма прос­того по конструкции и устойчивого в работе устройства для полученияэлектрической энергии. Он имеет ветроколесо с регулятором частоты вра­щения,редуктор, генератор, опору с хвостом, опорный столб с растяж­ками и рычагоммеханизма ручного пуска и останова, а также электри­ческий щиток. Простейший поконструкции редуктор и генератор постоян­ного тока мощностью 750 Вт составляютголовку Колесо и ре­гулятор по принципу действия такие же, как у агрегата«Беркут».

ГЛАВА2

 

ВИДЫЭНЕРГИИ МИРОВОГО  ОКЕАНА

 

§2.1ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯОКЕАНСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

 

Резкоеувеличение цен на топливо, трудности с его полу­чением, сообщения об истощениитопливных ресурсов — все эти видимые признаки энергетического кризиса выз­валив последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникамэнергии, в том числе к энер­гии Мирового океана.

Естественно,этот интерес особенно велик в странах, не обладающих достаточными собственнымитопливными ресурсами, т. е. запасами нефти, газа, угля и пр. Напри­мер, вЯпонии осуществляется национальная программа «Солнечный свет», котораяпредусматривает к 2000 г. покрытие более 70 % всего энергетического потреблениястраны за счет новых источников энергии, в том числе — за счет энергии океана.В Англии на исследования в этой области  было выделено 13 млн. фунтовстерлингов. Предполагается, что наилучший прин­цип преобразования энергии волнляжет в основу буду­щих мощных волновых электростанций, способных обес­печитьзначительную часть (до 30 %) потребности этой страны в электроэнергии. ВНорвегии реализуется про­грамма по использованию энергии морских волн; па ис­следованияв этой области израсходовано 10 млн. крон. Ведется строительство двух опытныхволновых электро­станций, каждая из них будет ежегодно производить около 1,5млн. кВт-ч электроэнергии предположительной сто­имостью не более 0,6 крон за 1кВт-ч.

В разныхвидах аккумулирует энергию Мировой океан. Вопрос состоит в том, чтобы найтиоптимальные способы  ее использования.

Пооценкам разных авторов, доступная часть энергии Мирового океана, т. е. тачасть, которая может быть практически использована при современном уровне тех­никипреобразования, во много раз превышает уровень современного потребления энергиив мире, который определяется цифрой около 3-1020 Дж в год (44,8 % отэтой цифры покрываются нефтью; 32,4 — углем; 20 — газом; 2,8 % —энергией,   вырабатываемой   гидро-  и  атомными станциями). Больше всего вокеане тепловой энергии, по­скольку океан — гигантский тепловой аккумуляторэнер­гии Солнца.

Последнеедесятилетие характеризуется определен­ными успехами в использовании тепловойэнергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (OTEG — начальные буквы английских слов Ocean Thermal Energy Conversion, т. е. преобразование тепловойэнергии оке­ана — речь идет о преобразовании в электрическую энер­гию). Установкамини-ОТЕС смогла отдать в электриче­скую сеть 12—15 кВт, а на собственные нуждыпотре­била около 35 кВт. Опыт, полученный при разработке и опытной эксплуатацииустановок мини-ОТЕС и ОТЕС-1, позволил приступить к проектированию тепловыхокеан­ских станций на сотни мегаватт.

Запасы энергии градиента солености,или осмоса (греч. «толчок», «давление»), по некоторым оценкам, не усту­паюттепловой энергии океана. Осмотическая энергия — наиболее «таинственный», т. е.наименее очевидный вид энергии океана, поскольку наши органы чувств эту энер­гиюие воспринимают.

Энергиятечений Мирового океана по величине близка к энергии, получаемой от сжиганиявсех видов топлива на Земле в течение года (примерно 1020 Дж).Начаты ра­боты по использованию энергии Гольфстрима, самого мощного течения вМировом океане. Предполагается использовать около 1 % его энергии. Авторыпроекта считают, что эта цифра не должна заметно отразиться на общем  балансе  энергии  течения.

Пооценке Комиссии по экономии энергии и энерго­ресурсов Мировой энергетическойконференции (МИРЭК), сегодня важным энергетическим ресурсом является био­масса,так как дает 10 % мирового потребления первичной энергии. Ожидается, что онабудет играть такую же важ­ную роль в будущем обеспечении энергией при выработкетехнологического тепла и производства синтетических топлив. Синтетическоетопливо из биомассы можно сжи­гать на электростанциях, использовать натранспорте или в промышленности. Часть биомассы доставляет Ми­ровой океан,предполагается, что доля океана в поставке биомассы будет возрастать.Рассматривается создание энергетических плантаций, для которых в океане имеютсяочень широкие возможности. По оптимистическим оцен­кам, углеводородное топливоиз водорослей может произво­диться по цене, меньшей мировой рыночной цены нанефть.

Более трети поверхности Мировогоокеана (130 млн. км'") имеет дно, грунт которою пригоден для выращиваниябыстрорастущих водорослей, из которых можно легко получить горючие газы метан иэтан, широко исполь­зуемые для самых разных целей. В настоящее время обра­щеновнимание на выращивание бурой водоросли — весьма урожайной культуры (от 600 до1000 т с гектара в сыром весе). Бурая водоросль не имеет корней, поэтому длянее не очень важен состав грунта. Растет она в толще морской воды, но водадолжна быть достаточно богата питатель­ными солями и должно быть много солнца.

Имеютсяв Мировом океане и другие источники энер­гии. Например, обсуждался вопрос обиспользовании сероводорода — горючего газа с неплохой калорийностью.Сероводородом очень богато Черное море, и к тому же его количество тамнепрерывно возрастает. Есть сероводород и в других районах Мирового океана —общие запасы его очень велики (недостаток этого вида топлива — непри­ятныйзапах, но, возможно, будет найден способ его устранения).

Весьмаперспективный вид энергии Мирового океана — это энергия волн. В океане многовидов воли. Однако с точки зрения выработки электрической энергии заслу­живаютвнимания лишь три их типа: приливные волны, ветровые волны и зыбь. Ветровыеволны обладают боль­шой разрушительной силой, т. е. несут значительную энер­гию.Несколько миллионов штормов ежегодно случается в Мировом океане. По подсчетамакадемика Н. В. Мель­никова, 1 км2 водной поверхности с волнамивысотой около 5 м обладает мощностью около 3 млн. кВт. А штор­мовая погодаможет охватить площадь в несколько тысяч квадратных километров. Соответственноволновая мощ­ность Мирового океана оценивается цифрой около 3 млрд. кВт! Запасыэнергии ветровых волн и зыби огромны, но степень разработанности проблемы ееиспользования пока недостаточна, лишь в последнее десятилетие были сде­ланынекоторые шаги в деле практического использования энергии ветровых волн и зыби— для выработки электри­ческой энергии Значительно раньше началосьиспользование энер­гии приливных волн, отличающихся четкой регуляр­ностью: двараза в сутки в определенное время появля­ются приливные волны заранее известнойвысоты. Эти свойства — строгая периодичность и определенная вы­сота — позволилилюдям очень рано научиться использо вать их энергию: уже в XI в. строили мельницы, работа­ющие засчет энергии прилива (например, во Франции в г. Шербуре до сих пор действуетстарая мельница, ис­пользующая энергию приливных волн). В наши дни при­ливныеэлектростанции — самые мощные среди других волновых электростанций, но их можнопостроить не на любом участке побережья (и, как правило, не там, где особеннонужна энергия). У нас в стране, например, при­рода распорядилась так, что самыемощные приливы име­ются вдали от индустриальных центров или районов с большимпотреблением энергии. В Советском Союзе самые мощные приливы — у береговКамчатки, где общая энергия приливных волн равна примерно 1019   Джв год.

Ветровыеволны и зыбь хороши тем, что для использо­вания их энергии не надо искать особыхмест с благо­приятными географическими условиями, как для при­ливных волн. Онибывают на любой акватории — был бы ветер да пространство для разгона. Чтобыутилизировать энергию ветровых волн (и зыби), не надо строить больших и дорогихплотин, что также очень важное преимущество. Именно поэтому в разных странахведутся исследования по выбору наилучших способов преобразования энергииветровых волн и зыби. Созданы волноэнергетические уста­новки разных мощностей,использующие различные фи­зические  принципы  для  преобразования  энергии волн.

Почтиполвека назад академик В. В. Шулейкин от­метил три основных направления, покоторым шла кон­структорская мысль в решепии проблемы использования энергииповерхностных волн. На одно из первых мест он ставил использование энергиикачки: движение по­плавка передается поршням насосов. Если учесть, что поплавокможет иметь массу в сотни тонн, а размах коле­бательного движения принятьпорядка нескольких мет­ров, то, очевидно, таким путем может быть полученавесьма значительная мощность. Современные английские проекты использованияволновой энергии («утка» Солтера и «плот» Коккереля) основываются именно наэтом прин­ципе. Второй способ — использование ударного давле­ния: волны ударяютв подвижную деталь волновой ма­шины и отдают ей свою кинетическую энергию. Этотпринцип с успехом применялся в конце прошлого столе­тия в установках,использовавших энергию волн для на­качки воды.  Не потерял он своего значения ив наши дни (правда, для маломощных установок). Третий путь — использованиегидравлического тарана. По этому спо­собу была построена экспериментальнаяустановка на станции Морского гидрофизического института АН СССР в Крыму. Нынеэта идея в большем масштабе реализу­ется на острове Маврикий и в других местах.

Различныевиды энергии океана американский спе­циалист Д. Д. Айзеке предложил условнооценивать одной мерой — в метрах водяного столба 2. Эта величина на­зываетсяим плотностью потока, она характеризует сте­пень концентрации данного видаэнергии. С помощью этого понятия удобно сравнивать между собой различные видыэнергии в океане. Например, для теплового гради­ента (т. е. разности температурмежду теплым и холодным слоями) 20 °С плотность потока составляет 570 м водя­ногостолба, ее напор — как в грандиозном водохрани­лище, подпертом плотиной высотойболее полукилометра. А для градиента 12 °С плотность потока равна 210 м. Обецифры (210 и 570 м) рассчитаны с учетом КПД тепло­вой машины, работающей поциклу Карно. Такую плот­ность потока в океане имеет еще только энергияградиента солености (осмоса) — 240 м. Другие виды энергии океана имеютзначительно меньшие значения плотности потока. Так, для ветровых волн онасоставляет 1,5 м, а для океан­ских течений —лишь 0,05 м. Но, как сказал Д. Д.Ай­зеке, еще остаются неоткрытыми совершенно новые прин­ципы, простые исложные, обнаружив которые, можно использовать ресурсы океана, связанные сэнергией, для блага человечества.

§2.2ПРЕОБРАЗОВАНИЕТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА

ИДЕЯД'АРСОНВАЛЯ  И РАБОТЫ КЛОДА

В 20-егоды нашего века многие журналы мира обошел странный рисунок (рис. 27): из-подкиля судна в глубину уходила труба больше самого судна. Столь необычная трубапонадобилась французскому ученому Жоржу Клоду. для подъема из глубин океанахолодной воды. Клод в те годы начал экспериментальные работы по использованиютепла океана для получения электрической энергии. \ Но чтобы извлечьэнергию из теплой воды, одновременно необходима и холодная. Теплой воды сколькоугодно на поверхности океана в тропиках, а холодная вода (4—5 °С) есть толькона больших глубинах океана — около 1 км. Для ее получения оттуда и понадобиласьдлинная труба, которая оказалась самой уязвимой частью энерге­тическойустановки и отломилась во время шторма, а судно потерпело аварию.

Это былауже не первая попытка Клода использовать тепло океана для выработкиэлектрической энергии'. Перед опытом: с трубой на судне он испытывал энергети­ческуюустановку на берегу океана (Атлантического). Но чтобы с берега достать холоднуюводу, потребовалась труба длиной около 1,8 км (по другим данным, 2,5 км).Потери напора в длинной трубе были так велики, что на них шла значительнаячасть мощности, которую могла выработать установка. Слишком длинная трубапракти­чески не позволяла реализовать прекрасную идею. Длину трубы можно было бызначительно сократить, если смонти­ровать установку не на берегу, а на судне,трубу же опустить прямо с судна в глубину. Что и было сделано. Однакоконструкция не выдержала первого шторма.

Ноглавное было сделано — две недели установка проработала и дала мощность 22 кВтза счет тепла океана. Правда, на собственные нужды она потребила значительнобольше. Однако правильность принципа была доказана — и в этом заслуга Клода.Надо сказать, что соединить с судном трубу длиной более полукилометра — далеконе простое дело.

Удовлетворительно решить этот вопросудалось только в конце 80-х годов нашего века, когда была создана установкамини-ОТЕС.

Клодвместе с французским ученым Бушеро сделали несколько попыток по созданиюэнергетических тепловых установок в разных частях Атлантического океана: в за­ливеМантанзас на Кубе, на побережье Абиджана и в при­брежных водах Бразилии. Но ниразу им не удалось получить из океана больше энергии, чем установка потреб­лялана собственные нужды, и поэтому для своей работы она требовала дополнительнойэнергии от вспомогатель­ного источника. Эта печальная особенность отчасти быласвязана с малой мощностью установки, из-за чего различ­ные потери составлялислишком высокий процент в общем балансе. Потерь оказалось больше, чем первоначальнопредполагалось.

Первымобратил внимание на громадные запасы тепло­вой энергии в океане французскийученый Жак Д'Арсон-валь более 100 лет назад (1881 г.) и теоретически показалвозможность ее использования. Жоржа Клода называют его учеником, но между нимибыли серьезные разногласия в вопросе о выборе наилучшей жидкости в качестверабо­чего тела для океанической тепловой машины. Этот вопрос надо было решитьпрежде всего. Рабочая жидкость должна закипать при температуре нагревателя, апары ее после совершения работы в турбине должны сконденсироваться притемпературе холодильника.

Нагреватель— теплая вода из верхних слоев океана. Наиболее высокая температура водынаблюдается в Пер­сидском заливе в августе — более 33 °С (а самая высокаятемпература воды зафиксирована в Красном море —плюс 36 °С). Но на максимальнуютемпературу рассчитывать преобразователь нельзя: она встречается наограниченных участках Мирового океана, а обширные районы имеют температуруповерхностного слоя около 25 °С. Это доста­точно высокая температура, прикоторой кипят многие жидкости. Д'Арсонваль предложил применить в качестверабочей жидкости аммиак — жидкость с температурой кипения минус 33,4 °С,которая будет хорошо кипеть при 25 °С. При нормальной температуре (20 °С)аммиак — бесцветный газ с едким запахом. При повышении давления газообразныйаммиак снова превращается в жидкость. При 20 °С для этого давление надоповысить до 8,46 атм, но при 5 °С — значительно меньше.

Выбор аммиака в качестве вторичногорабочего тела связан с отличными термодинамическими свойствами его паров. Парыаммиака имеют низкий молекуляр­ный вес, достаточно боль­шой удельный объем и хо­рошиехарактеристики теп­лопередачи. Они обеспечи­вают турбине вращение с большойскоростью, что очень важно. Благодаря этим качествам аммиак широко2применяетсяв наши дни в энергетических установках, использующих тепло океан­ских вод. Приэтом схема тепловой энергетической^уста­новки должна быть замкнутой, т.е.^после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Циклнепрерывно повторяется, пока работает установка. Коли­чество рабочей жидкости,залитой в систему теплового преобразователя, практически не изменяется впроцессе работы. Замкнутый цикл имеет ряд преимуществ перед открытым циклом,предложенным Клодом, благодаря чему он получил широкое применение в наши дни вуста­новках OTEG.

Но Клодне захотел воспользоваться аммиаком. Он ре­шил в качестве рабочей жидкостииспользовать морскую воду. Чтобы добиться ее кипения при температуре поверх­ностныхвод в тропиках, создал в установке пониженное давление. Если понизитьатмосферное давление в 15 раз, т. е. примерно до 50 мм рт. ст., морская водазакипит при температуре не выше 27 °С. Образовавшийся пар пойдет в турбину,заставит ее вращаться и вращать элек­трогенератор. А потом пар поступит вхолодильник, где с помощью холодной глубинной воды превратится в прес­ную воду.Клод спускал ее в море: тогда она была никому не нужна. Такой цикл называетсяоткрытым, или не­замкнутым.

Схемаэнергетической установки, работающей по этому принципу, представлена на рис.2.2. По этой схеме была построена первая экспериментальна!!! установка Клода иБушеро.

Припрактической  реализации установки ее  авторы столкнулись с рядом специфическихтрудностей. Одна из первых — это создание низконапорной турбины.

Дело втом, что давление водяного пара, получаемого при не­высокой температуре вусловиях частичного вакуума, мало. Чтобы снять сколько-нибудь заметнуюмощность, турбина должна иметь большие размеры. С этим затрудне­нием Клоду иБушеро удалось справиться вполне удовле­творительно. Однако при первых жеиспытаниях обнаружив лась неожиданность. При нагреве из морской воды в боль­шомколичестве выделялся растворенный в ней воздух, что повышало давление в системеи нарушало процесс кипения. Для поддержания достаточного разрежения системуприходилось непрерывно откачивать, на что требо­валась дополнительная мощность.В результате умень­шался и без того небольшой КПД установки. С этой проблемойизобретателям не удалось справиться. Были и другие проблемы. Поэтому впоследующие годы основ­ное внимание ученых и инженеров обращалось на разра­боткутепловых преобразователей с замкнутым циклом. Итог их усилий — действующие нынесистемы OTEG.

Рис.2.2. Схема теплоэнергетп* ческой океанской установки от­крытого цикла

1 — испаритель, г — турбина, 3— генератор, 4 — конденсатор, 5 — пресная вода, в —теплая вода и, ч верхних слоев, 7 — холодная вода с больших глубин

/>

Нотеперь, спустя более полувека, внимание снова привлечено к открытому циклу.«Открытый цикл вызывает огромный интерес. Он устраняет все проблемы, касаю­щиесяобращения с аммиаком, фреоном и т. н. Пресная вода вырабатывается в качествепобочной продукции», — считают американские специалисты. В США разрабаты­ваетсяокеанская энергетическая установка, которая одно­временно с производствомэлектроэнергии будет давать пресную воду — один из самых ценных в наше времяпродуктов, особенно в жарких и индустриальных странах, где все острее ощущаетсяее недостаток.

Но остаются нерешенные проблемы, вчастности созда­ние больших низконапорных турбин и удаление из системыпреобразователя выделяющегося из морской воды воз­духа. Ближайшей задачейсчитается найти такой способ удаления воздуха, чтобы на него затрачивалось неболее 10 % вырабатываемой энергии. Для ее решения в схему энергетической  установки   включается   деаэратор — камера, в которой морская вода будетдегазироваться перед поступлением в нагреватель.

Теоретическиоба вида преобразователей — с откры­тым и закрытым циклом — имеют близкие иодинаково малые  коэффициенты  полезного  действия.

Примем температуру нагревателя T1=273+25=298 К, температурухолодильника T2=273+5=278 К. Согласно формуле Карно КПД будет равен

nk==(T1-T2)/T1=(298-278)/298=0,067,или 6,7 %,

Полученнаяцифра еще недавно считалась близкой к теоретическому пределу КПД для океанскойтепловой машины при принятых значениях температуры нагрева­теля и холодильника(как и для любой другой). Но не­давно было показано 2, что из-заспецифических особен­ностей преобразования энергии тепла в океане теоретиче­скийКПД теплового цикла в этом случае следует оценивать по формуле n0=(T1-T2)/(T1+T2)

Прималом значении разности температур ^T=T1— Т2 КПД океанской тепловой машины можетбыть вдвое меньше теоретического значения, вычисленного по фор­муле Карно, т.е.

n0=1/2nk

Поправкавесьма существенная. Фактически КПД пре­образователя в любом случае будет ещеменьше из-за неизбежных потерь в теплообменниках, насосах, трубо­проводах и др.Величина потерь будет зависеть от степени совершенства конструкции тепловоймашины. Для пре­образователей с замкнутым циклом реальным считается получениеКПД в пределах до 2—3 %. Эти цифры близки к КПД отвергнутого паровоза. Но онсжигал драгоценное топливо, а здесь энергия вырабатывается за счет даровоготепла океана, топлива не требуется.

Интересноотметить переоценку значения малых цифр КПД, происшедшую за последние полвека.Пятьдесят лет назад теоретическое значение КПД около7% считалось

ничтожным и едва ли заслуживающимвнимания. В наше же время строятся мощные океанские энергоцентрали с КПДпримерно в половину этой величины. Существен­ного улучшения КПД можно ожидатьтолько при исполь­зовании в океанских тепловых энергоцентралях большегоперепада температуры между нагревателем и холодильни­ком. Принципиально такаявозможность имеется. В раз­ных районах на дне океана обнаружены места, где раз­ностьтемпературы воды значительно превышает принятые.для расчета 20 °С. Например, втермальных впадинах на дне Красного моря температура воды достигает 60 СС,к тому же она ежегодно несколько повышается. А на дне Тихого океана бьютгидротермальные источники с тем­пературой более 350 °С, как в котле вполнесовременной ТЭЦ высокого давления. Вблизи от этих горячих источ­ников имеетсявода с низкой температурой, пригодная для холодильника. При использовании такойводы воз­можно получение КПД океанской установки, как у луч­ших наземных ТЭЦвысокого давления. Однако примене­ние горячих гидротермальных вод для выработкиэлектри­ческой энергии потребует особой технологии.

 

СИСТЕМЫОТЕС

 

Вавгусте 1979 г, вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическаяустановка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с поло­виноймесяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточнойработе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычновозникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составлялав среднем 48,7 кВт, максимальная — 53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установкаотдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точ­нее — на зарядкуаккумуляторов. Остальная вырабаты­ваемая мощность расходовалась на собственныенужды установки. В их число входят затраты энергии на работу трех насосов,потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Тринасоса потребовались из следующего расчета: один — для подачи теплой воды изокеана, второй — для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий — дляперекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. изконденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочей жидкости применяетсяаммиак,

Установкамини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод длязабора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м свнутренним диаметром 50 см. Труба сваривалась на берегу из 58 секций. Выборполиэтилена связан с тем, что он как будто не подвержен обрастанию и,следовательно коррозии (создание 700-метрового трубо­провода было самым труднымделом). Трубопровод при­креплен к днищу судна с помощью особого затвора,позволяющего в случае необходимости ого быстрое отсоеди­нение. Полиэтиленоваятруба одновременно используется и для заякоривания системы труба—судно.Оригиналь­ность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорныепостановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьмасерьезной пробле­мой.

Впервыев истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузкуполезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полу­ченныйпри эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро достроить более мощнуютеплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще болеемощ­ных систем подобного типа.

ОТЕС-1 — плавучая лаборатория: как имини-ОТЕС, она не предназначена для коммерческой выработки элек­трическойэнергии, хотя ее мощность достигает 1 МВт, т. е. в 20 раз больше, чем умини-ОТЕС. В качестве вто­ричного рабочего тела в ОГЕС-1 также применяетсяаммиак. Питательный насос забирает воду из поверх­ностного слоя океана стемпературой 27 °С и прогоняет ее через нагреватель аммиака, состоящий из 6304титано­вых трубок диаметром 2 см. Это — паровой котел уста­новки. Аммиакраспыляется в теплых трубках и вскипает. Пар аммиака идет в турбину и вращаетее, а оттуда, со­вершив работу, поступает в конденсатор — холодильник.Конденсатор также сделан из тонких трубок, охлаждаемых водой с температуройнемного более 4 °С. Там пары аммиака конденсируются и превращаются снова пжидкость, пере­качиваемую обратно и испаритель. Общая длина трубок вдвух теплообменниках (испарителе и конденсаторе) составляет 140 км.

Под установку ОТЕС-1 переоборудовантанкер с турбо-электрическим приводом. Электрическая силовая уста­новка танкерапозволяет с удобством использовать ее энергетические ресурсы во времяпроведения различных экспериментов для привода насосов и других целей. На этойустановке предполагается проверить некоторые эксплуатационные характеристикиОТЕС, чтобы в даль­нейшем их можно было использовать при создании опыт­ногообразца. Число вопросов, подлежащих изучению, достаточно велико. К нимотносятся, например, следую­щие. Какого типа теплообменники будут  оптимальнымии из какого материала их следует делать? Титан — дорог, нельзя ли его заменитьна алюминий или что-нибудь другое? Как быстро будут развиваться морскиеоргаппзмы-обрастатели в теплообменниках и в других частях системы и как с нимибороться? Как повлияют на состояние окру­жающей морской среды мощные установкитакого типа? Как лучше выполнить трубопровод для подъема хо­лодной воды?

Последнийвопрос становится традиционным для кон­структоров всех установок ОТЕС. Для OTEG-1 он был решен в пользу применениятрех параллельных поли­этиленовых труб диаметром 1 м каждая, длиной но 900 м.Трубы были доставлены на Гавайские острова секциями длиной по 27 м и сварены наберегу. Потом все три трубы были связаны вместе и уложены на тележки,установлен­ные на специальном рельсовом пути, спускающемся прямо в океан.Суммарная масса трубопровода достигла 450 т, укладка его на тележки былавыполнена с помощью лебедки. Для закрепления нижнего конца трубопровода вблизидна потребовалось 50 т балласта. А для поддержа­ния трубопровода в вертикальномположении его верх­ний конец окружен плавучим кольцом, имеющим буй, к которомуприкреплен прочный конец; с его помощью трубопровод можно несколько перемещать.Такой способ крепления верхнего конца трубы к днищу судна позволил очень быстро(за 2 часа) произвести постановку трубы в океане. Так же просто происходит и разъединениетрубопровода холодной воды с судном, если возникает сильное волнение или покакой-либо друюй при­чине.

Конструкторыустановки ОТЕС-1 ввели между трубо­проводом холодной воды и судном новуюдеталь, которая сделала всю систему более надежной. Речь идет о кардан­номподвесе трубы к судну. При наличии кардана судно может произвольно качаться наволнах при относительно малоподвижном длинном трубопроводе, если волны неслишком велики (не более 2 м). А если волнение увеличи­вается, судноотцепляется от трубы и уходит в укрытие.

Защелкадля быстрого разъ­единения судна с трубой была опробована еще в си­стемемини-ОТЕС. Применением карданного подвеса трубы и защелки решился старый спорсудна с трубой, начавшийся еще при Клоде. Надо сказать, что, видимо, труба всеже «победит» судно, в том смысле, что новые станции ОТЕС на мощность во многодесятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это — одна грандиозная тру­ба,в верхней части которой находится круглый машин­ный зал,, где размещены всенеобходимые устройства для преобразования энергии (рис. 29). Верхний конецтрубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25—50 м. Машинныйзал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установленытурбоагрегаты, работающие на па­рах аммиака, а также все остальноеоборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр,уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней частичто-то вроде маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов,не­обходимых для обслуживания системы и для связи с бе­регом. Это любопытныйэпизод из новейшей истории развития техники преобразования тепла океана.

Намечено окончание строительствановой, третьей по счету, экспериментальной станции ОТЕС, мощность которой будетнаходиться в пределах 40—100 МВт. При строительстве этой станции исполь­зуетсямодульный принцип, она собирается из отдельных блоков по 10 МВт каждый. Такойподход позволит легко наращивать мощность до желательной величины вустановленных пределах. Трубопровод холодной воды по-прежнему остается одним изнаиболее сложных узлов этой станции. Станции мощностью в 40 МВт требуетсятрубопровод диаметром 10 м и длиной 900 м. А для про­ектируемой коммерческойстанции OTEG на 400 МВт при той же длине трубопроводдолжен иметь диаметр 30 м. Каждую секунду насосы через него будут прокачи­ватьоколо 1500 м3 холодной воды. Столько же потре­буется прокачать итеплой воды. Суммарный расход воды в этой мощной установке получится, как v реки Нил, — 2600 м8/с,Полное водоизмещение корпуса станции на 400 МВт с заборной трубой оцениваетсяцифрой около 500 тыс. т. Станция должна устанавливаться в районах океана сглубинами более 1200 м. Для ее удержания в районе постановки требуется якорнаясистема с большой массой. В целом — поистине циклопическое сооружение,строитель­ство его предполагалось начать в 1985 г. Было также сообщение остроительстве станции типа ОТЕС в Японии, но значительно менее мощной.

Рис.2.3. Один из вариантов стан­ции ОТЕС на мощность в сотни мегаватт

I — платформа, 2 — труба холоднойводы, з — якорная система

/>

ТЕПЛОИЗ ХОЛОДА

 

Энергиюможно получать не только из теплых вод тропических или субтропических районовМирового оке­ана, но и из крайних северных или южных бассейнов пла­неты, т. е.из вод Арктики и Антарктики. Была бы только достаточная разность температур дляэффективной ра­боты тепловой машины. А разность там обычно есть, и иногда неменьше, чем в тропиках. Но не между слоями поверхностной и глубинной воды, какв тропиках.

Например,в Северном Ледовитом океане температура в поверхностном слое подо льдом близкак 0 °С. Ниже, на нескольких сотнях метров глубины, температура воды немногоповышается и доходит примерно до 0,6 °С. Там находится теплый промежуточныйслой, образовавшийся за счет притока вод атлантического происхождения. А глубженескольких сот метров температура воды снова понижается до минус 1 °С. Самаяхолодная вода встре­чается в Датском проливе близ Гренландии, где темпера­тураее падает до минус 2,2 °С; такая же холодная вода бывает и в море Уэддела вАнтарктике. Где же при подоб­ных условиях взять достаточно высокую разностьтемпе­ратур в  этих широтах планеты?

Напомощь энергетикам приходит холодный воздух.

Вомногих районах Арктики большую часть года темпера­тура воздуха ниже минус 10°С. Например, на Ново­сибирских островах в году бывает всего 2—4 дня с тем­пературойвоздуха выше минус 10 °С, на побережье моря Лаптевых таких дней от 10 до 14, ана архипелаге Север­ная Земля их только 10—12. В остальное время года здесьцарствуют морозы, временами значительно превыша­ющие минус 10 °С.

Навозможность использования энергетического по­тенциала высоких широт,по-видимому, первым обратил внимание в 1928 г. французский инженер Баржо. В ка­чественагревателя им предлагалась морская вода с тем­пературой,, близкой к 0 °С.Холодильником должен был служить морозный воздух. В качестве вторичногорабочего тела было предложено взять такое вещество, которое кипело бы при температуренесколько ниже 0 °С и конден­сировалось бы в жидкость при температуре минус 20°С. Баржо рекомендовал углеводородные соединения типа пропана, бутана илиизобутана. Для предотвращения потерь рабочего вещества предлагался замкнутыйцикл работы энергетической установки. Схема Баржо имеет много общего с идеейД'Арсонваля. Но, учитывая аркти­ческие условия, Баржо предлагал вызыватькипение ра­бочего тела путем разбрызгивания в нагревателе морской воды, чтобызамерзая, она отдавала рабочему телу свою скрытую теплоту льдообразования. Это— остроумное предложение, но, как лучше реализовать его, до сих пор неизвестно.

ПредложениеБаржо не было практически реализо­вано. Пятьдесят лет назад указывались минимумдве при­чины этого: малый КПД установки и практически не­приемлемые размерытеплообменника (нагревателя) для получения достаточной мощности из-за низкойрабочей температуры нагревателя.

Анедавно опубликована работа А. К. Ильина, где показана возможность практическойреализации пре­образования тепловой энергии океана в арктических районах 3.В ней отмечается не только важность наличия достаточного градиента температуры,но также и не­обходимость достаточной скорости ветра и скорости те­чения воды вокеане. Два последних условия, на которые раньше не обращалось должноговнимания, необходимы для обеспечения нормальной работы теплообменников.Благоприятные условия для работы энергетических уста­новок  имеются в  устье сибирских  рек.

Допустимаямаксимальная степень охлаждения воды в арктических силовых установкахопределяется неравен­ством

Тж-Тз=^Т<2К,

где Тж—температура морской воды, забираемой в нагре­ватель преобразователя; Т3— температура замерзания морской воды при данной солености.

Физический смысл этого неравенствазаключается в том, что морскую воду нельзя доводить до точки замерза­ния, какпредлагал в свое время Баржо. Если ола будет замерзать в теплообменнике,служащем нагрева! ел ем для вторичной рабочей жидкости, то образуется лед.который нарушит работу преобразователя.

Порасчетам Ильина, КПД энергетической установки мощностью около 50 кВт варктических условиях полу­чается в пределах 0,79—2,08 %. Речь идет о КПДисполь­зования тепла воды, что же касается КПД самой уста­новки, то ондостаточно высок и достигает 43 %. Эта цифра относится к аммиачной установкемощностью 1 МВт. На основании детальных расчетов автор приходит к вы­воду, чтов арктических районах океана зимой энергия, обусловленная разностью температурмежду морской во­дой подо льдом и атмосферным воздухом, может использо­ватьсядостаточно эффективно.

Имеетсяи другой путь использования тепловой энер­гии океана в высоких широтах. Речьидет о термоэлектри­ческих преобразователях, на перспективность применениякоторых для этой цели указывал академик А. Ф. Иоффе еще в 1932 г. В наше времяэтот вопрос исследуется в Тихоокеанском океанологическом институте. Порасчетам, при разности температур 10 °С и разности глубин 100 м прииспользовании термоэлектрических преобразователей энергии с КПД 1 % с 1 км2поверхности океана можно получить электрическую мощность около 100 МВт.Необходимым условием является наличие тече­ния со скоростью не менее 0,1 м7с.Отмечается, что «общая энергия Мирового океана, которую можно использоватьподобным образом, превышает 1020 Дж в год, т. е. сравнима

Сэнергией, получаемой от сжигания химического топлива на  Земном шаре  втечение  года».

Использованиеновых источников энергии весьма важно для развития энергетики Крайнего Севера.

§2.3.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬС КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ  МАГНИТАМИ

 

Фарадейоткрыл закон электромагнитной индукции с помощью постоянного магнита в видестержня, который он вводил (рукой) в катушку с медной проволокой. При каждомвводе или выводе магнита в катушку на концах ее обмотки наблюдалосьвозникновение электрического напряжения. Согласно закону электромагнитной индук­ции,величина возникающей электродвижущей силы прямо пропорциональна скоростиизменения магнитного потока через катушку и числу витков катушки.

Законэлектромагнитной индукции определил путь развития электрических машин. Ихглавный принцип: чтобы получить быстрые изменения магнитного потока, надовращать магнит при неподвижной катушке или, на­оборот, вращать катушку принеподвижном магните. Именно так действовала первая электрическая машина,изобретенная итальянцем Граммом более 100 лет назад и спустя примерно 50 летпосле открытия Фарадеем электро­магнитной индукции, — так называемое «КольцоГрамма». «Кольцом» она была названа по той причине, что в каче­стве якоря имелатороидальное кольцо из тонких железных проволок, вращавшееся на оси в полеподковообразного постоянного магнита. На кольце крепилось несколько катушек измедной проволоки. Кольцо приводилось во вращение рукой с помощью ременнойпередачи.

Грамм немог вращать магнит, поскольку 100 лет назад магниты должны были быть достаточнодлинными. Те­перь же новейшие магниты (типа РЗМ ) хорошо работают только прималой длине, поэтому конструктивно их просто привести во вращение. РЗМ —редкоземельные магниты, или магниты на основе редких земель, — самые сильные(но хрупкие) постоянные магниты. РЗМ сделаны на основе самария в соединении ско­бальтом  (SmCo5). Речь идет преимущественно об электрических машинахмалой мощности, когда желательно избежать применения коллектора или контактныхколец. Это важно для машин, длительно работающих в тяжелых условияхэксплуатации, без частых осмотров и своевре­менной профилактики, напримервелогенераторов, гене­раторов для тракторов и т. п. Для волновых энергетиче­скихустановок также удобнее бесконтактные генераторы, особенно для установок воткрытом море.

Электрическиемашины в своем развитии прошли гро­мадный путь, теория электрических машин —одна из наиболее разработанных глав современной электротехники. Но вращениеякоря или ротора и сегодня остается основ­ным принципом получения высокойскорости изменения магнитного потока и соответственно высокой электрическоймощности, необходимой современной индустрии. Однако в наше время развиваются ииные способы получения большой электрической мощности, не обязательно связанныес вращательным движением. Например, МГД-генераторы не имеют вращающихся частей.Струя раскаленной плазмы с большой скоростью пронизывает сильное магнитное поле(силовые линии поля расположены по нормали к струе), в плазме индуцируетсяэлектрический ток, отводящийся с помощью системы электродов.

Вместовращательного или прямолинейного движений для получения электрической энергииможно применить также колебательное движение. Так (или почти так), как этоделал Фарадей, только работу (движения) руки заменить работой волн. Мысль обиспользовании колеба­тельного движения,  естественно,  возникает  при  поискеспособов использования энергии поверхностных волн: как известно, волны являютсясамым наглядным при­мером колебательного движения. Можно по-разному выполнитьпреобразователь для работы в колебательном режиме. Схема одного из простей­ших(макета) изображена на рис. 5. Приемником энергии волн здесь служит тонкаяплоская плита (пластина) 1, в которую ударяют набегающие волны. Поддавлением волн плита совершает колебания относительно горизон­тальной оси 2.Ось может вращаться в подшипниках В. До сих пор это устройство оченьпоходило на первую волноэнергетическую установку в Ошен-Грове. Однако дальшеначинаются серьезные различия.

Колебанияплиты с помощью штанги 4 передаются не поршню гидравлического насоса, агенератору электри­ческой энергии. Он размещен подальше от поверхности воды,поэтому потребовалась достаточно длинная штанга. Нижний конец штанги болтамискреплен с плитой, а на ее верхнем конце укреплена перемычка (ярмо) 5 изтранс­форматорного железа с двумя магнитами 6. Перемычка с магнитамиявляется существенной частью колебатель­ного генератора, она соответствуетротору или якорю в обычном генераторе. Неподвижная часть генератора (статор)состоит из магнитопровода 7 П-образной формы, собранного из полосоктонкого трансформаторного железа. Применение трансформаторного железа длямагнитопро­вода и перемычки необходимо для уменьшения потерь на вихревые токи.На вертикальных стержнях (частях) магнитопровода насажены две катушки 8, каждаяимеет по 400 витков толстого медного изолированного провода. Катушки соединеныпоследовательно и включены на общую нагрузку. Вся конструкция связана сварнойрамой 9 из угловой стали (на ней укреплены и два под­шипника скольжения,поддерживающие ось), которая кре­пится к причалу. Под ударами волн плитапериодически совершает ко­лебания, т. е. качается. Качается и жестко связаннаяс ней штанга, поэтому перемычка с магнитами периоди­чески замыкает и размыкаетцепь магнитопровода. В тот момент, когда перемычка с магнитами замыкаетмаг-нитопровод, в нем появляется нарастающий магнитный поток, пересекающийвитки обеих катушек. А когда волна продвигает плиту дальше, перемычка смагнитами размы­кает магнитопровод, поэтому магнитный поток уменьша­ется, снова пересекая виткикатушек.

Рис. 2.4. Графики, поясняющиепроцесс  индукции

/>(Ф—изменение магнитного потока в цепимагнитопровода, Е— инду­цированная   электродвижущая сила)

Рис.2.5 Кинематическая схема преобразователяэнергии поверх­ностных волн с колеблющимися магнитами и приемником энергии волнв виде пластины

Позакону электромагнитной индукции в обоих случаях в цепи катушек возникаетэлектродвижущая сила, вызывающая элек­трический ток. Процесс индукции поясняетсяс помощью рис. 6.

Вкачестве примера оценим электрическую мощность, которая может быть получена врежиме колебаний с по­мощью описанного устройства при следующих условиях:период поверхностных волн Т=6 с; амплитуда поверх­ностных волн А-=1 м;размер постоянных магнитов в на­правлении качания перемычки (т. е. ярма) 6=0,05м (эта величина равна соответствующей стороне поперечного сечениямагнитопровода); полное число витков на двух катушках WB-=800; максимальное значение магнитногопотока через магнитопровод Ф=BS =1,7-105; максималь­ное значение индукции в сердечнике магнитопроводаg=8000 Гс; площадь поперечного сечениямагнитопровода S=19,6   см2.

Определимвремя, в течение которого магнитный поток в  сердечнике  будет  нарастать  отначального  значения, близкого к нулю, до максимальной величины, принятой врасчете (1,7 -105 силовых линий). Нарастание потока нач­нется приподходе перемычки с магнитами к магнитопро-воду и будет продолжаться до техпор, пока она не встанет точно под ним. Совпадение проекций плоскостей попереч­ногосечения вертикальных стержней магнитопровода с плоскостями магнитов наперемычке будет соответство­вать максимуму магнитного потока через сердечник;при дальнейшем движении перемычки магнитный поток будет уменьшаться.

При выходеперемычки с магнитами РЗМ за площадь проекций стержней магнитопровода магнитныйпоток снова примет значение, близкое к нулю. Для упрощения расчетов примемплощади поперечного сечения стержней магнитопровода и магнитов РЗМ одинаковыми,а скорость движения перемычки неизменной и равной максимальной скоростиорбитального движения частиц воды в волне при принятой амплитуде (А—1 м).Тогда длительность индук­ции, определяемая нами как время достижения магнит­нымпотоком своего максимального или минимального зна­чений,   определится  формулой

/>

Фактическионо будет несколько больше, так как рост магнитного потока начнется черезвоздушный зазор не­сколько раньше подхода кромки магнитов к краю стержня.Вычислим максимальное значение электродвижущей силы, возникающей на концахобмотки при принятых условиях. Согласно формуле Максвелла, она будет равна

/>

Для  определения  мощности    необходимо   вычислить квадрат эффективного значенияэлектрического напряже­ния за период поверхностной волны. Искомая величинаопределится   выражением од

/>

где   (w=2тс/=62,8 — угловая   частота   переменного тока,возбуждаемого в обмотках преобразователя (800 витков)

при   колебаниях   перемычки   с постоянными   магнитами РЗМ;

f=1/2t=(2-3,14-0,05)-1-10 Гц.

Чтобывычислить квадрат действующего значения электрического напряжения за периодповерхностной волны согласно приведенному выше интегралу, восполь­зуемся  подстановкой

sin2 wt = 1/2— 1/2 cos 2wt = 1/2(1 — cos 2wt). Подставляя принятые выше значения, получаем

/>

Чтобывычислить электрическую мощность, необхо­димо знать внутреннее сопротивлениеобмотки и сопротив­ление полезной нагрузки. Сопротивление обмотки пре­образователя,состоящей из 800 витков медной проволки диаметром 2,56 мм, равно примерно 1 Ом.Исходя из условия получения максимальной мощности, примем со­противлениеполезной нагрузки также в 1 Ом; в этом слу­чае  суммарная  электрическая  мощностьпреобразователя

Nэл=6,1/1+1=3,1   Вт.

Приравенстве сопротивления нагрузки внутреннему со­противлению генератораэлектрический КПД преобра­зователя составляет 50 %. Следовательно, на полезнойнагрузке выделится только половина от полученной цифры, т. е. всего 1,55 Вт.

По поводу этого расчета необходимосделать несколько замечаний. Если правильно выбрать размеры плиты, то за одинпериод поверхностной волны движимая ее энергией плита совершит дваполуколебания.

Первое —при прохождении гребня в направлении его движения, второе — при прохожденииложбины волны, в этом случае направление движения плиты будет прямопротивоположно направлению ее движения за счет гребня. Чтобы плита вдействительности совершала эти колебания, ее размер по вертикали апдолжен быть достаточно велик и составлять не менее 2,5 А (где А —амплитуда поверх­ностной волны). Это условие определяется необходимостьюиметь достаточную смоченную поверхность плиты во время прохождения ложбиныволны. При его выполнении по­лезная электрическая мощность преобразователя удво­ится,т. е. мы получим не 1,55, а около 3,1 Вт.

Фактическимощность была даже несколько больше при меньшей амплитуде поверхностных волн.Увеличение мощности произошло благодаря некоторым нелинейным эффектам, неучтенным в расчете 8. Речь идет прежде всего о силе притяжениямагнитов РЗМ к сердечнику пре­образователя из трансформаторного железа. Силаэта до­статочно велика; она не подчиняется закону синуса и за­висит от многихпараметров, в том числе от положения маг­нитов относительно сердечника.Существенную нелиней­ность вносит тангенциальная составляющая этой силы,изменяющаяся hj направлению и величине от нуля до максимума при колебанияхперемычки с магнитами РЗМ под действием волн. Максимальная величина тангенциаль­нойсоставляющей силы притяжения при применении двух магнитов РЗМ достигает 40 кг;цифра эта достаточно ве­лика для маленького макета. Она сравнима по своей ве­личинес силой давления both на плиту, которая также неподчиняется   гармоническому   закону.

Оценим величину  си ты  давления волн на  плиту  по формуле

F=KpuSa, />

где F— суммарная сила давления волн, кг; К=1 — коэф­фициент  обтекания   плиты   (приближенное   значение); ря=102 кгс2/м4— массовая плотность воды; Sn—0,5 м2 — площадь плиты;  Vc=lм/с — горизонтальная составляю­щая   волновой  скорости;

F=l*102*0,5*l2=50 кг.

Расчетсилы давления соответствует моменту, когда гребень волны набегает на плиту,стоящую неподвижно в положении равновесия. Принимается, что перед набега­ниемволны плита висит вертикально под действием силы тяжести и силы притяжениямагнитов РЗМ к торцам сер­дечника; в этот момент тангенциальная составляющаясилы притяжения  магнитов  равна   нулю.

Расчет показывает, что при принятыхпараметрах ве­личина силы волнового давления близка к силе статиче­скогопритяжения магнитов. Если сила волнового давления по какой-либо причинеуменьшится до 40 кг. то плита не сдвинется заметным образом or положения равновесия и акта индукциине произойдет. Это может случиться, на­пример, при прохождении ложбины волны,так как смо­ченная площадь плиты будет значительно меньше, чем во времяпрохождения гребня. Это свидетельствует о том, что у преобразователя имеетсяпорог срабатывания по орби­тальной скорости поверхностных волн; еслигоризонталь­ная составляющая орбитальной скорости и соответственно давлениеволн на плиту становятся ниже некоторой ве­личины,   то   колебания   плитыпрекращаются.   

/>

Рис.2.6. Осциллограммы электрическогонапряжения, возникающего на нагрузке при колебаниях плиты под действием волн

Поэтомупроцесс возбуждения электрических колебаний имеет существенно нелинейныйхарактер, что подтверждается осциллограммой, приведенной на рис. 7.Осциллограмма показывает электрическое напряжение, зарегистрирован­ное наомической нагрузке преобразователя во время его испытаний на морском причале.Импульсы электрического напряжения на нагрузке весьма далеки от синусоидаль­нойформы кривой; они имеют сложную форму, причем большие импульсы чередуются смалыми, что объясняется сложной   игрой   нелинейных   сил.

Наосциллограмме, соответствующей одному периоду поверхностной волны, можноувидеть всего четыре от­носительно больших импульса электрического напряже­ния.Первый импульс (считая слева направо) соответ­ствует выходу магнитов из-подторцов сердечника под давлением гребня подошедшей волны; максимальное значе­ниенапряжения достигает 3 В. После прохождения гребня давление волны на плитуослабевает и она возвращается в положение равновесия; магниты входят под торцысер­дечника. Процесс этот совершается быстрее их выхода, поэтому индуцируемоенапряжение достигает примерно 4,5 В. Третий импульс соответствует второмувыходу маг­нитов за счет прохождения ложбины волны, его макси­мальное значениенапряжения достигает лишь 2,5 В, По Окончании прохождения ложбины плита исвязанная с ней перемычка с магнитами снова возвращаются в по­ложение равновесия,при этом возбуждается четвертый импульс величиной  около  4  В.

Большиеимпульсы напряжения получаются, когда магниты входят в рабочий зазорсердечника. В этом случае направление момента тангенциальной составляющей силыпритяжения магнитов совпадает с моментом силы тяжести плиты и штанги; крометого, при окончании любой фазы волны (т. е. гребня или ложбины) направлениемомента силы давления от начинающейся новой фазы совпадает с моментами этихдвух сил. Поэтому возрастает скорость движения магнитов, увеличивается скоростьизменения магнитного потока через магнитопровод, возрастает ин­дуцируемая ЭДС инапряжение на нагрузке. Пики на­пряжения меньшей величины всегда наблюдалисьпри выходе перемычки с магнитами из положения равновесия. В этом случае моменттангенциальной составляющей силы притяжения противоположен моменту силыволнового давления. Естественно, что скорость движения магнитов меньше, меньшеиндуцируемая ЭДС и напряжение на нагрузке.

Наосциллограмме рис. 7 после второго импульса можно увидеть еще два импульсамалой амплитуды; их происхож­дение, возможно, связано с отраженными от берегавол­нами.

Во время проведения экспериментовотмечено влияние собственной частоты колебаний плиты на генерируемую мощность.

Приболее строгом анализе процесса преобразования энергии необходимо также учестьтак называемую пондеро-моторную силу (или силу Ампера). Она вызвана взаимо­действиеминдуцированного тока в обмотках с магнитным полем возбуждающих магнитов.Пондеромоторную силу можно  оценить  по  формуле

Fa=1,02BlI10 7 кг,

где В — магнитная индукция взазоре, Гс; I— суммарная длинапровода обмотки, см; / — ток через обмотку, А. Расчет показывает, что внашем случае значение силы Fa не превосходит 0,25 кг, поэтому в ориентировочном расчете ею можнопренебречь. Незначительность этой ве­личины свидетельствует, в частности, отом, что у пре­образователя имеются значительные возможности в смыслеувеличения   генерируемой   мощности.   Этого   можно   достигнуть  различными   путями.

Например,для увеличения генерируемой мощности в 10 раз можно увеличить магнитный поток в\/10, т. е. примерно в 3,16 раза; для этого потребуются два магнита РЗМплощадью по 6 J см2. При выполнении этогоусловия легко получить мощность в 30—40 Вт. Такой мощности вполне достаточно дляобеспечения энергоснабжения навигационного буя или буя для передачи информациио гидрофизических параметрах океана. Для увеличения мощности в 100 раз, т. е.для получения 300—400 Вт, магнитный поток при всех остальных неизменных данныхпотребуется увеличить в 10 раз; этого можно добиться применением нескольких пармагнитов РЗМ вместо одной. Такой способ удобнее, так как позволяет ввестиавтомати­ческую компенсацию силы статического притяжения маг­нитов, чтооблегчит условия работы преобразователя и по­зволит говорить о созданиигенераторов такого типа мощ­ностью до нескольких десятков   киловатт.

Вопрос стоит о цене киловатта взависимости от разме­ров установки. Преобразователи этого типа отличаютсяпростотой, но дорога основная часть — магниты РЗМ. Возможная область ихприменения — малая энергетика, т. е. небольшие силовые установки для отдельныхферм, рыбозаводов или совхозов, расположенных вблизи по­бережья.

Основноепреимущество устройств подобного типа —предельная простота устройства. Онивполне соответству­ют второму типу преобразователей приведенной выше клас­сификации.Преобразование идет по короткой схеме: волны — механический приемник энергииволн—генератор электрической энергии; эта схема отличается от идеальной (схемы I) введением лишь одного элемента —приемника энергии в виде плиты.

Одна изособенностей преобразователей с колебатель­ным движением заключается внеобходимости применения постоянных магнитов типа РЗМ (с другими известныминыне типами постоянных магнитов нужного эффекта не получится из-занедостаточности их остаточной индукции), но РЗМ — относительно дороги идефицитны, что скажется на их применении.

Длянормальной работы преобразователей рассмотрен­ного типа необходимо иметьнеподвижное основание, на чем можно было бы укрепить раму, поддерживающую го­ризонтальнуюось, относительно которой колеблется плита со штангой и магнитами. Подобноетребование не всегда

можно выполнить в условиях открытогоморя, однако име­ются способы обойти это затруднение. Первый из них за­ключаетсяв применении якоря. Он может обеспечить до­статочную неподвижность одной изчастей преобразова­теля, относительно которой будет колебаться вторая часть,несущая магниты или обмотки. В этом случае конструкция преобразователя должнанесколько измениться. Еще лучше вместо якоря использовать стабилизированный буй(типа «вехи Фрудл») с достаточной плавучестью. Можно решить эту задачу н напринципиально ином физическом принципе, использовав силы инерции вместо прямогодав­ления   волн   на   плиту.

Описанныйпреобразователь динамоэлектрического типа в колебательном режиме даетпеременный ток, час­тота которого колеблется так же, как и его эффективноезначение. Непосредственная подача такого тока потре­бителям вряд ли окажетсяприемлемой, поэтому перед подачей его параметры должны быть улучшены. Прощевсего это сделать с помощью аккумулятора того или иного типа.

         

 §2.4.ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Неоспорима роль энергии вподдержании и дальней­шем развитии цивилизации. В современном обществе труднонайти хотя бы одну область человеческой дея­тельности, которая не требовала бы– прямо или кос­венно – больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важныйпоказатель жизнен­ного уровня. В те времена, когда человек добывал пи­щу,собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДжэнергии. После овла­дения огнем эта величина возросла до 16 МДж: в при­митивномсельскохозяйственном обществе она составля­ла 50 МДж, а в более развитом – 100МДж.

        Завремя существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционныхисточников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старыйисточник был исчерпан.

        Солнцесветило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручилиогонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю.Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали болеекалорийного «корма».

Но и это был лишь этап. Угольвскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти.

И вот новый виток в наши дниведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новымкубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток,зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годомстоить нам все дороже.

В погоне за избытком энергиичеловек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-топоры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков.

Но времена изменились. Сейчас,начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика«щадящая». Построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит.Заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

Несомненно, в будущемпараллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие правагражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишкомбольшой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные вобращении.

Энергетика очень быстроаккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения,достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со Всем, и Всетянется к энергетике, зависит от нее.

Лабиринты энергетики.Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок, препятствий,неожиданных озарений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед.Тернист, непрост, непрям энергетический путь человечества. Но мы верим, что мына пути к Эре Энергетического Изобилия и что все препоны, преграды и трудностибудут преодолены.

Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчислимыальтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработатьдля этого эффективные и экономичные методы. Не так важно, каково ваше мнение онуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам,по-видимому. следует лишь согласиться с тем, что сказал ученый мудрец, имякоторого осталось неизвестным: «Нет простых решений, есть только разумныйвыбор».

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

 

1.   БаланчевадзеВ. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня изавтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.

2.   Шефтер  Я.И. Использование энергииветра 2 издание.., перераб, и доп. Энергоатомиздат.

3.   ШейдлинА. Е. Новая энергетика. – М.: Наука, 1987. – 463 с.

4.   ЮдасинЛ. С… Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990. – 207с.

5.   Вершинский Н. В.  Энергия океана – М.Наука,  1986 – 144с.

6.    Шулейкин В. В.  Физика моря –М. ОНТИ, 1938 – 314с.

                         СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

§1.1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ

§1.2. ВЕТЕР КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

§1.3. ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ЭНЕРГИИ И РАБОТЫВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

ГЛАВА 2 ВИДЫ ЭНЕРГИИ МИРОВОГО  ОКЕАНА

§2.1ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯОКЕАНСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

§2.2ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИОКЕАНА

ИДЕЯ Д'АРСОНВАЛЯ  И РАБОТЫ КЛОДА

§2.3.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ МАГНИТАМИ

§2.4.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.