Реферат: Энергетические ресурсы мирового океана
<img src="/cache/referats/5481/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1026">
Тема: «Энергетические ресурсы Мирового Океана”.
План
1.Вступление
2.Минеральные ресурсы Океана
3.Энергетические русурсы Океана
1.Термальная энергия
2.Энергия приливов
1.ПЭС Ранс
3.Энергия волн
1.Установки с пневматическим преобразователем
2.Волноваяэнергетическая установка „Каймей“
3.Норвежская промышленная волновая станция
4.Английский „Моллюск“
5.Волновой плот Коккерела
6.»Утка Солтера"
4.Энергия ветра
5.Энергия течений
1.Система «Кориолис»
6.«Соленая» энергия
1.Схема работыгидроосмотической электростанции
2.Схема работы подводнойгидроосмотической станции
4.Заключение
Проблемаобеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущихпотребностей более чем пятимиллиардного населения Земли становится сейчас всеболее насущной.
Основусовременной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однакоих развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, накоторых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видовтоплива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственнымитопливными ресурсами или испытывают в них недостаток. Гидроэнергетическиересурсы в развитых странах используются практически полностью:
большинство речных участков, пригодных для гидротехническогостроительства, уже освоены. Выход из создавшегося положения виделся в развитииатомной энергетики. На конец 1989 года вмире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однакосегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией.Топливом для АЭС служит урановая руда – дорогостоящее и труднодобываемое сырье,запасы которого ограничены. К тому же строительство и эксплуатация АЭСсопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчаспродолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развитияатомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды.
С серединынашего века началось изучение энергетических ресурсов океана, относящихсяк “возобновляемым источникам энергии”.
Океан –гигантский аккумулятор и трансформатор солнечной энергии, преобразуемой в энергиютечений, тепла и ветров. Энергия приливов – результат действияприливообразующих сил Луны и Солнца.
Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность каквозобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующихсистем океанской энергетики показывает, что они не приносят какого-либоощутимого ущерба океанской среде. При проектировании будущих систем океанскойэнергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию.
Минеральные ресурсыОкеан служитисточником богатых минеральных ресурсов. Они разделяются на химическиеэлементы, растворенные в воде, полезные ископаемые, содержащиеся под морскимдном, как в континентальных шельфах, так и за их пределами; полезные ископаемыена поверхности дна. Более 90% общей стоимости минерального сырья дает нефть игаз.
Общаянефтегазовая площадь в пределах шельфа оценивается в 13 млн.кв.км (около½ его площади).
Наиболеекрупные районы добычи нефти и газа с морского дна – Персидский и Мексиканскийзаливы. Начата промысловая добыча газа и нефти со дна Северного моря.
Шельф богат и поверхностными залежами,представленными многочисленными россыпями на дне, содержащие металлическиеруды, а так же неметаллические ископаемые.
На обширныхплощадях океана обнаружены богатые залежи железномарганцевых конкреций –своеобразных многокомпонентных руд, содержащих так же никель, кобальт, медь идр. В то же время исследования позволяют рассчитывать на обнаружение крупныхзалежей различных металлов в конкретных породах, залегающих под дном океана.
Термальная энергияИдеяиспользования тепловой энергии, накопленной тропическими и субтропическими водамиокеана, была предложена еще в конце Х1Х в. Первые попытки ее реализации былисделаны в 30-х гг. нашего века и показали перспективность этой идеи. В 70-е гг.ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанских тепловыхэлектростанций (ОТЭС), представляющих собой сложные крупногабаритные сооружения.ОТЭС могут размещаться на берегу или находиться в океане (на якорных системахили в свободном дрейфе). Работа ОТЭС основана на принципе, используемом впаровой машине (см. рис.1). Котел, заполненный фреоном или аммиаком – жидкостямис низкими температурами кипения, омывается теплыми поверхностными водами.Образующийся пар вращает турбину, связанную с электрогенератором. Отработанныйпар охлаждается водой из нижележащих холодных слоев и, конденсируясь вжидкость, насосами вновь подается в котел. Расчетная мощность проектируемыхОТЭС составляет 250 – 400 МВт.
УченымиТихоокеанского океанологического института АН СССР было предложено и реализуетсяоригинальная идея получения электроэнергии на основе разности температур подледнойводы и воздуха, которая составляет в арктических районах 26 °С иболее.
По сравнению страдиционными тепловыми и атомными электростанциями ОТЭС оцениваютсяспециалистами как более экономически эффективные и практически не загрязняющиеокеанскую среду. Недавнее открытие гидротермальных источников на дне Тихогоокеана рождают привлекательную идею создания подводных ОТЭС, работающих наразности температур источников и окружающих вод. Наиболее привлекательными для размещения ОТЭС являются тропические иарктические широты (см. рис.2 и рис.3).
Энергия приливовИспользование энергии приливов началось уже в Х1 в. дляработы мельниц и лесопилок на берегах Белого и Северного морей. До сих порподобные сооружения служат жителям рядаприбрежных стран. Сейчас исследования по созданию приливных электростанций(ПЭС) ведутся во многих странах мира (см. таблицу1 и карту1).
Два раза всутки в одно и то же время уровень океана то поднимается, то опускается.Это гравитационные силы Луны и Солнцапритягивают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самогоберега они могут достигать 13 м, как, например,в Пенжинской губе на Охотском море.
Приливныеэлектростанции работают по следующему принципу:
в устье реки или заливе строится плотина, в корпусе которойустановлены гидроагрегаты. За плотиной создается приливный бассейн, которыйнаполняется приливным течением,проходящим через турбины. При отливе поток воды устремляется из бассейна вморе, вращая турбины в обратном направлении. Считается экономическицелесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моряне менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районестроительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числатурбин, установленных в теле плотины.
В некоторыхпроектах предусмотрены двух- и болеебассейновые схемы ПЭС с целью выравнивания выработки электроэнергии.
С созданиемособых, капсульных турбин, действующих в обоих направлениях, открылись новыевозможности повышения эффективности ПЭС при условии их включения в единую энергетическую систему региона или страны.
При совпадениивремени прилива или отлива с периодом наибольшего потребления энергии ПЭСработает в турбинном режиме, а при совпадении времени прилива или отлива с наименьшимпотреблением энергии турбины ПЭС либо отключают, либо они работают в насосномрежиме, наполняя бассейн выше уровня прилива или откачивая воду из бассейна.
В 1968 г. на побережье Баренцева моря вКислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт.
Десятилетнийопыт эксплуатации первой ПЭС позволилприступить к составлению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской (см.рис.4) и Тугурской на Охотском море.
Использованиевеликих сил приливов и отливов Мирового океана, даже самих океанских волн –интересная проблема. К решению ее еще только приступают. Тут многое предстоитизучать, изобретать, конструировать.
ПЭС РАНС
В 1966 г. воФранции на реке Ранс построена первая в мире приливная электростанция, 24 гидроагрегатакоторой вырабатывают в среднем за год
502 млн. кВт. часэлектроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять трипрямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, чтообеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС Рансэкономически оправдана. Годовые издержки эксплуатации ниже, чем нагидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений.
Энергия волн
Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученымК.Э.Циолковским.
В основеработы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы,выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическаяэнергия их перемещений с помощьюэлектрогенераторов преобразуется в электрическую.
В настоящеевремя волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков,научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы дляволнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств.Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновыхустановок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. ВНорвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станциямощностью 850 кВт.
Созданиеволновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана сустойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, вкоторую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения.Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая имиэлектроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидаетсязначительное снижение ее стоимости.
Установки спневматическим преобразователемВволновых установках спневматическими преобразователямипод действием волн воздушный потокпериодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработанатурбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смененаправления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным инаправление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различныхволноэнергетических установках.
Волноваяэнергетическая установка «Каймей»
Волновая энергетическая установка«Каймей» («Морской свет») – самая мощная действующаяэнергетическая установка с пневматическимипреобразователями – построена в Японии в 1976 г. Она использует волнениевысотой до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м,
высотой в носовой части 7 м, вкормовой – 2,3 м, водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу; каждая паракамер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт.Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергияпередавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км,
Норвежскаяпромышленная волновая станцияВ 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция,состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетоннуюкамеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающийпоток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с нейгенератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт.ч. Зимним штормом в конце 1988 г. башня станции быларазрушена. Разрабатывается проект новой башни из железобетона.
Конструкциявторой установки состоит из конусовидного канала вущелье длиной около 170 м с бетоннымистенками высотой 15 м и шириной восновании 55 м, входящего в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины сэнергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу,увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар площадью5500 кв. м, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт.Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт. ч электроэнергии.
Английский «Моллюск»ВВеликобритании разрабатываетсяоригинальная конструкция волновойэнергетической установки типа «моллюск», в которой в качестве рабочихорганов используются мягкие оболочки –камеры, в которых находится воздух под давлением,несколько большим атмосферного. Накатомволн камеры сжимаются, образуетсязамкнутый воздушный поток из камер вкаркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами.
Сейчассоздается опытная плавучая установка из6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшиеразработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. ВШотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин, укрепленных на каркасе диаметром 60 м и высотой 7 м.Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.
Волновойплот КоккерелаВпервые конструкция волнового плота былазапатентована в СССР еще в 1926 г. В1978 г. в Великобритании проводилисьиспытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежитаналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами.Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновойплот Коккерела длиной 100 м, шириной 50м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.
В СССР модельволнового плота испытывалась в700-х гг. на Черном море. Она имеладлину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м идлиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт.
«Утка Солтера»
Проект,известный под названием «утка Солтера», представляет собой преобразователь волновойэнергии (см. рис.5). Рабочей конструкцией является поплавок («утка»),профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проектепредусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательноукрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение ивозвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятсяв действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Черезсистему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая вдвижение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностьюморя. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для болееэффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплавков.
В 1978 г. былаиспытана модель установки длиной 50 м, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт.
Разработанпроект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленныхна валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс.кВт.
Подобныесистемы установлены у западных берегов Британских островов, могут обеспечитьпотребности Великобритании в электроэнергии.
ЭнергияветраИспользование энергии ветра имеет многовековую историю. Идея преобразованияэнергии ветра в электрическую возникла в конце Х1Хв.
В СССР первая ветровая электростанция (ВЭС) мощностью 100кВт была построена в 1931 г. у города Ялта в Крыму. Тогда это была крупнейшаяВЭС в мире. Среднегодовая выработка станции составляла 270 МВт.час. В 1942 г.станция была разрушена.
В периодэнергетического кризиса 70-х гг. интерес к использованию энергии возрос.Началась разработка ВЭС как для прибрежной зоны, так и для открытого океана.Океанские ВЭС способны вырабатывать энергиибольше, чем расположенные на суше, поскольку ветры над океаном более сильные ипостоянные.
СтроительствоВЭС малой мощности (от сотен ватт до десятков киловатт) для энергоснабжения приморских поселков, маяков, опреснителей морской воды считаетсявыгодным при среднегодовой скорости ветра 3,5-4 м/с. Возведение ВЭС большоймощности (от сотен киловатт до сотен мегаватт) для передачи электроэнергии в энергосистему страны оправданотам, где среднегодовая скорость ветра превышает 5,5-6 м/с. (Мощность, которуюможно получить с 1 кв.м поперечного сечения воздушного потока, пропорциональнаскорости ветра в третьей степени). Так, в Дании – одной из ведущих стран мира вобласти ветроэнергетики действует уже около 2500 ветровых установок общеймощностью 200 МВт.
Натихоокеанском побережье США в Калифорнии, где скорость ветра 13 м/с и большенаблюдается в продолжение более 5 тыс, ч в году, работает уже несколько тысячветровых установок большой мощности. ВЭС различной мощности действуют вНорвегии, Нидерландах, Швеции, Италии, Китае, России и других странах.
В связи снепостоянством ветра по скорости и направлению большое внимание уделяетсясозданию ветроустановок, работающих с другими источниками энергии. Энергиюкрупных океанских ВЭС предполагается использовать при производстве водородаиз океанской воды или при добычеполезных ископаемых со дна океана.
Еще в концеХ1Х в. ветряной электродвигатель использовался Ф.Нансеном на судне«Фрам» для обеспечения участников полярной экспедиции светом и тепломво время дрейфа во льдах.
В Дании наполуострове Ютландия в бухте Эбельтофт с 1985 г. действуют шестнадцать ВЭСмощностью 55 кВт каждая и одна ВЭС мощностью 100 кВт. Ежегодно они вырабатывают2800-3000 МВт.ч.
Существуетпроект прибрежной электростанции, использующей энергию ветра и прибоя одновременно (см. рис.6).
Энергия теченийНаиболее мощные течения океана – потенциальныйисточник энергии(см.карту1). Современный уровень техники позволяет извлекатьэнергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 кв.мпоперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляетсяиспользование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн.куб.м/с, скорость до 1,8 м/с).
Дляокеанской энергетики представляютинтерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако созданиеокеанских электростанций на энергиитечений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданиемэнергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.
Система«Кориолис»Программа" Кориолис" предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 кмвосточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168м, вращающимися в противоположных направлениях.Пара рабочих колес размещается внутриполой камеры из алюминия, обеспечивающейплавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагаетсясделать достаточно гибкими. Вся система «Кориолис» общей длиной 60 кмбудет ориентирована по основному потоку;ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбинв каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к местуустановки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.
Полезнаямощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передачена берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды(США) на 10%.
Первыйопытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридскомпроливе.
Разработантакже проект турбины с рабочим колесом диаметром
12 м и мощностью 400 кВт.
«Соленая» энергияСоленаявода океанов и морей таит в себе огромные неосвоенныезапасы энергии, которая может бытьэффективно преобразована в другие формыэнергии в районах с большими градиентамисолености, какими являются устья крупнейших рек мира, таких как Амазонка,Парана, Конго и др. Осмотическое давление, возникающее при смешении пресныхречных вод с солеными, пропорциональноразности в концентрациях солей в этих водах. В среднем это давление составляет24 атм., а при впадении реки Иордан в Мертвое море 500 атм. В качестве источникаосмотической энергии предполагается также использовать соляные купола,заключенные в толще океанского дна. Расчеты показали, что при использованииэнергии, полученной при растворении солисреднего по запасам нефти соляного купола, можно получить не меньше энергии,чем при использовании содержащейся в нем нефти.
Работы попреобразованию «соленой» энергии в электрическую находятся на стадии проектов и опытных установок. Средипредлагаемых вариантов представляют интерес гидроосмотические устройства с полупроницаемымимембранами. В них происходит всасывание растворителя через мембрану в раствор.В качестве растворителей и растворов используются пресная вода – морская водаили морская вода – рассол. Последний получают при растворении отложений соляного купола.
Схема работы гидроосмотической электростанции
Вгидроосмотической камере рассол из соляного купола смешивается с морской водой.Отсюда проходящая через полупроницаемую мембрану вода под давлением поступаетна турбину, соединенную с электрогенератором (см. рис.7).
Схема работы подводной гидроосмотической станцииПодводнаягидроосмотическая гидроэлектростанция размещается на глубине более 100 м.Пресная вода подается к гидротурбине по трубопроводу. После турбины онаоткачивается в море осмотическими насосами в виде блоков полупроницаемыхмембран остатки речной воды с примесями и растворенными солями удаляютсяпромывочным насосом (см. рис.8).
Морские водоросли как источник энергииВ биомассеводорослей, находящихся в океане, заключается огромное количество энергии.Предполагается использовать для переработки на топливо как прибрежные водоросли, так и фитопланктон. Вкачестве основных способовпереработки рассматриваются сбраживание углеводов водорослей в спирты и ферментация больших количеств водорослейбез доступа воздуха для производстваметана. Разрабатывается также технология переработки фитопланктона для производстважидкого топлива. Эту технологию предполагается совместить с эксплуатацией океанскихтермальных электростанций. Подогретые глубинные воды которых будут обеспечиватьпроцесс разведения фитопланктона тепломи питательными веществами.
Комплекс «Биосоляр»В проектекомплекса «Биосоляр» обосновывается возможность непрерывного разведения микроводоросли хлорелла вспециальных контейнерах, плавающих по поверхности открытого водоема. Комплексвключает систему связанных гибкими трубопроводами плавающих контейнеров наберегу или морской платформе оборудование для переработки водорослей.Контейнеры, играющие роль культиваторов, представляют собой плоские ячеистыепоплавки из армированного полиэтилена, открытые сверху для доступа воздуха исолнечного света. Трубопроводами они связаны с отстойником и регенератором. Вотстойник откачивается часть продукции для синтеза, а из регенератора в контейнерыпоступают питательные вещества – остаток от анаэробной переработки вметантенке. Получаемый в нем биогаз содержит метан и углекислый газ (см.рис.9).
Предлагаются исовсем экзотические проекты. В одном из них рассматривается, например, возможность установки электростанциипрямо на айсберге. Холод, необходимый для работы станции, можно получать отольда, а полученная энергияиспользуется для передвижения гигантской глыбы замороженнойпресной воды в те места земного шара, где ее очень мало, например в страныБлижнего Востока.
Другие ученые предлагают использовать полученную энергию для организации морскихферм, производящих продукты питания.
Взоры ученыхпостоянно обращаются к неисчерпаемому источнику энергии – океану.
Океан,выпестовавший когда-то саму жизнь на Земле, еще не раз послужит человеку добрымпомощником.
Греческая армия была разбита. Преследуемые войсками персидскогоцаря Артаксеркса П, потерявшие веру в свое спасение, остатки ее отрядов брели через пустыню. Но вот на горизонте заблестело море. Море, где ихждали корабли. Море, за которым лежала их любимая родина Море, по которому можнобыло уйти от персидской армии. И предводитель греков Ксенофонт, как гласитпредание, воскликнул:
«Море, море! Оноспасет нас!»
Близок час, когда бурно растущеечеловечество обратит свои полные надеждывзоры к морю и тоже воскликнет: «Море спасет нас! Море обеспечит намобилие продуктов питания. Море даст нашей промышленности любое необходимое минеральное сырье. Мореснабдит нас неисчерпаемыми источникамиэнергии. Море станет местом нашего обитания!»
Список литературы
1.<span Times New Roman"">
— 318 с.
2.<span Times New Roman"">
3.<span Times New Roman"">
4.<span Times New Roman"">
М.;«Педагогика», 1988 г. – 464 с.
5. Энциклопедия для детей. М., «Аванта +»,1994 г. – 640 с.