Энергетические ресурсы мирового океана
Реферат по географииученика гимназии №153010"МИФ" классаКузина Виталия.Тема: "Энергетические ресурсы Мирового Океана". План1.Вступление2.Минеральные ресурсы Океана3.Энергетические русурсы Океана1.Термальная энергия2.Энергия приливов1.ПЭС Ранс3.Энергия волн1.Установки с пневматическим преобразователем2.Волновая энергетическая установка "Каймей"3.Норвежская промышленная волновая станция4.Английский "Моллюск"5.Волновой плот Коккерела6."Утка Солтера"4.Энергия ветра5.Энергия течений1.Система "Кориолис"6."Соленая" энергия1.Схема работы гидроосмотической электростанции2.Схема работы подводной гидроосмотической станции4.ЗаключениеПроблема обеспечения электрической энергией многих отраслей ми-рового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем пяти-миллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидро-электростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. Гидроэнергетические ресурсы в раз-витых странах используются практически полностью:большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строи-тельства, уже освоены. Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энер-гией. Топливом для АЭС служит урановая руда – дорогостоящее и труд-нодобываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строи-тельство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и за-тратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство но-вых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды.С середины нашего века началось изучение энергетических ресур-сов океана, относящихся к "возобновляемым источникам энергии".Океан – гигантский аккумулятор и трансформатор солнечной энер-гии, преобразуемой в энергию течений, тепла и ветров. Энергия прили-вов – результат действия приливообразующих сил Луны и Солнца.Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующих систем океанской энергетики показывает, что они не приносят какого-либо ощутимого ущерба океанской среде. При проекти-ровании будущих систем океанской энергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию.Минеральные ресурсыОкеан служит источником богатых минеральных ресурсов. Они раз-деляются на химические элементы, растворенные в воде, полезные ис-копаемые, содержащиеся под морским дном, как в континентальных шельфах, так и за их пределами; полезные ископаемые на поверхности дна. Более 90% общей стоимости минерального сырья дает нефть и газ.Общая нефтегазовая площадь в пределах шельфа оценивается в 13 млн.кв.км (около ? его площади).Наиболее крупные районы добычи нефти и газа с морского дна – Персидский и Мексиканский заливы. Начата промысловая добыча газа и нефти со дна Северного моря.Шельф богат и поверхностными залежами, представленными мно-гочисленными россыпями на дне, содержащие металлические руды, а так же неметаллические ископаемые.На обширных площадях океана обнаружены богатые залежи желез-номарганцевых конкреций – своеобразных многокомпонентных руд, со-держащих так же никель, кобальт, медь и др. В то же время исследова-ния позволяют рассчитывать на обнаружение крупных залежей различ-ных металлов в конкретных породах, залегающих под дном океана. Термальная энергияИдея использования тепловой энергии, накопленной тропическими и субтропическими водами океана, была предложена еще в конце Х1Х в. Первые попытки ее реализации были сделаны в 30-х гг. нашего века и показали перспективность этой идеи. В 70-е гг. ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанских тепловых электро-станций (ОТЭС), представляющих собой сложные крупногабаритные со-оружения. ОТЭС могут размещаться на берегу или находиться в океане (на якорных системах или в свободном дрейфе). Работа ОТЭС основана на принципе, используемом в паровой машине (см. рис.1). Котел, запол-ненный фреоном или аммиаком – жидкостями с низкими температурами кипения, омывается теплыми поверхностными водами. Образующийся пар вращает турбину, связанную с электрогенератором. Отработанный пар охлаждается водой из нижележащих холодных слоев и, конденсиру-ясь в жидкость, насосами вновь подается в котел. Расчетная мощность проектируемых ОТЭС составляет 250 – 400 МВт.Учеными Тихоокеанского океанологического института АН СССР было предложено и реализуется оригинальная идея получения электро-энергии на основе разности температур подледной воды и воздуха, ко-торая составляет в арктических районах 26 ?С и более.По сравнению с традиционными тепловыми и атомными электро-станциями ОТЭС оцениваются специалистами как более экономически эффективные и практически не загрязняющие океанскую среду. Недав-нее открытие гидротермальных источников на дне Тихого океана рожда-ют привлекательную идею создания подводных ОТЭС, работающих на разности температур источников и окружающих вод. Наиболее привле-кательными для размещения ОТЭС являются тропические и арктиче-ские широты (см. рис.2 и рис.3).Энергия приливовИспользование энергии приливов началось уже в Х1 в. для работы мельниц и лесопилок на берегах Белого и Северного морей. До сих пор подобные сооружения служат жителям ряда прибрежных стран. Сейчас исследования по созданию приливных электростанций (ПЭС) ведутся во многих странах мира (см. таблицу1 и карту1).Два раза в сутки в одно и то же время уровень океана то поднима-ется, то опускается. Это гравитационные силы Луны и Солнца притяги-вают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13 м, как, на-пример, в Пенжинской губе на Охотском море.Приливные электростанции работают по следующему принципу:в устье реки или заливе строится плотина, в корпусе которой установле-ны гидроагрегаты. За плотиной создается приливный бассейн, который наполняется приливным течением, проходящим через турбины. При от-ливе поток воды устремляется из бассейна в море, вращая турбины в обратном направлении. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бас-сейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.В некоторых проектах предусмотрены двух- и более бассейновые схемы ПЭС с целью выравнивания выработки электроэнергии.С созданием особых, капсульных турбин, действующих в обоих на-правлениях, открылись новые возможности повышения эффективности ПЭС при условии их включения в единую энергетическую систему ре-гиона или страны.При совпадении времени прилива или отлива с периодом наиболь-шего потребления энергии ПЭС работает в турбинном режиме, а при совпадении времени прилива или отлива с наименьшим потреблением энергии турбины ПЭС либо отключают, либо они работают в насосном режиме, наполняя бассейн выше уровня прилива или откачивая воду из бассейна.В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электро-станции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт.Десятилетний опыт эксплуатации первой ПЭС позволил приступить к составлению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской (см. рис.4) и Тугурской на Охотском море.Использование великих сил приливов и отливов Мирового океана, даже самих океанских волн – интересная проблема. К решению ее еще только приступают. Тут многое предстоит изучать, изобретать, конструи-ровать.ПЭС РАНСВ 1966 г. во Франции на реке Ранс построена первая в мире прилив-ная электростанция, 24 гидроагрегата которой вырабатывают в среднем за год502 млн. кВт. час электроэнергии. Для этой станции разработан при-ливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропу-скное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС Ранс экономически оправдана. Годовые из-держки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений.Энергия волн Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э.Циолковским.В основе работы волновых энергетических станций лежит воздей-ствие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятни-ков, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую.В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попут-но крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащи-ты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хо-зяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире про-мышленная волновая станция мощностью 850 кВт.Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффек-тивно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже тради-ционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.Установки с пневматическим преобразователемВ волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое на-правление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэл-лса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неиз-менным направление своего вращения при смене направления воздуш-ного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направле-ние вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в раз-личных волноэнергетических установках.Волновая энергетическая установка"Каймей" Волновая энергетическая установка "Каймей" ("Морской свет") – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматиче-скими преобразователями – построена в Японии в 1976 г. Она использу-ет волнение высотой до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м,высотой в носовой части 7 м, в кормовой – 2,3 м, водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу; каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруо-ка. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км,Норвежская промышленная волновая станцияВ 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген по-строена промышленная волновая станция, состоящая из двух устано-вок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневма-тическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня вы-сотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему кла-панов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт.ч. Зим-ним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разра-батывается проект новой башни из железобетона.Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и ши-риной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, от-деленный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар площадью 5500 кв. м, уровень ко-торого 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"В Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры, в которых находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный по-ток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами.Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укреп-ленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин, укреплен-ных на каркасе диаметром 60 м и высотой 7 м. Теоретическая мощ-ность такой установки до 1200 кВт.Волновой плот КоккерелаВпервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испыта-ния опытных моделей океанских электростанций, в основе которых ле-жит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шар-нирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Кокке-рела длиной 100 м , шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.В СССР модель волнового плота испытывалась в 700-х гг. на Чер-ном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м . На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт."Утка Солтера" Проект, известный под названием "утка Солтера", представляет со-бой преобразователь волновой энергии (см. рис.5). Рабочей конструкци-ей является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количе-ства крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между по-плавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая элек-троэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплав-ков.В 1978 г. была испытана модель установки длиной 50 м, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт.Разработан проект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс.кВт.Подобные системы установлены у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнер-гии. Энергия ветраИспользование энергии ветра имеет многовековую историю. Идея преобразования энергии ветра в электрическую возникла в конце Х1Хв.В СССР первая ветровая электростанция (ВЭС) мощностью 100 кВт бы-ла построена в 1931 г. у города Ялта в Крыму. Тогда это была крупней-шая ВЭС в мире. Среднегодовая выработка станции составляла 270 МВт.час. В 1942 г. станция была разрушена.В период энергетического 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 энер-гии больше, чем расположенные на суше, поскольку ветры над океаном более сильные и постоянные.Строительство ВЭС малой мощности (от сотен ватт до десятков ки-ловатт) для энергоснабжения приморских поселков, маяков, опресни-телей морской воды считается выгодным при среднегодовой скорости ветра 3,5-4 м/с. Возведение ВЭС большой мощности (от сотен киловатт до сотен мегаватт) для передачи электроэнергии в энергосистему стра-ны оправдано там, где среднегодовая скорость ветра превышает 5,5-6 м/с. (Мощность, которую можно получить с 1 кв.м поперечного сечения воздушного потока, пропорциональна скорости ветра в третьей степени). Так, в Дании – одной из ведущих стран мира в области ветроэнергетики действует уже около 2500 ветровых установок общей мощностью 200 МВт.На тихоокеанском побережье США в Калифорнии, где скорость вет-ра 13 м/с и больше наблюдается в продолжение более 5 тыс, ч в году, работает уже несколько тысяч ветровых установок большой мощности. ВЭС различной мощности действуют в Норвегии, Нидерландах, Швеции, Италии, Китае, России и других странах.В связи с непостоянством ветра по скорости и направлению боль-шое внимание уделяется созданию ветроустановок, работающих с дру-гими источниками энергии. Энергию крупных океанских ВЭС предполага-ется использовать при производстве водорода из океанской воды или при добыче полезных ископаемых со дна океана.Еще в конце Х1Х в. ветряной электродвигатель использовался Ф.Нансеном на судне "Фрам" для обеспечения участников полярной экс-педиции светом и теплом во время дрейфа во льдах.В Дании на полуострове Ютландия в бухте Эбельтофт с 1985 г. дей-ствуют шестнадцать ВЭС мощностью 55 кВт каждая и одна ВЭС мощно-стью 100 кВт. Ежегодно они вырабатывают 2800-3000 МВт.ч.Существует проект прибрежной электростанции, использующей энергию ветра и прибоя одновременно (см. рис.6).Энергия течений Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энер-гии(см.карту1). Современный уровень техники позволяет извлекать энер-гию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 кв.м поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 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).Для океанской энергетики представляют интерес течения в проли-вах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок боль-ших размеров, представляющих угрозу судоходству.Система "Кориолис"Программа " Кориолис" предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных на-правлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эф-фективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система "Кориолис" общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксиро-вать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать су-доходству.Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуата-цию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе.Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт."Соленая" энергия Соленая вода океанов и морей таит в себе огромные неосвоенные запасы энергии, которая может быть эффективно преобразована в дру-гие формы энергии в районах с большими градиентами солености, ка-кими являются устья крупнейших рек мира, таких как Амазонка, Парана, Конго и др. Осмотическое давление, возникающее при смешении пре-сных речных вод с солеными, пропорционально разности в концентра-циях солей в этих водах. В среднем это давление составляет 24 атм., а при впадении реки Иордан в Мертвое море 500 атм. В качестве источни-ка осмотической энергии предполагается также использовать соляные купола, заключенные в толще океанского дна. Расчеты показали, что при использовании энергии, полученной при растворении соли среднего по запасам нефти соляного купола, можно получить не меньше энергии, чем при использовании содержащейся в нем нефти.Работы по преобразованию "соленой" энергии в электрическую на-ходятся на стадии проектов и опытных установок. Среди предлагаемых вариантов представляют интерес гидроосмотические устройства с полу-проницаемыми мембранами. В них происходит всасывание растворите-ля через мембрану в раствор. В качестве растворителей и растворов ис-пользуются пресная вода – морская вода или морская вода – рассол. Последний получают при растворении отложений соляного купола.Схема работы гидроосмотическойэлектростанцииВ гидроосмотической камере рассол из соляного купола смешивает-ся с морской водой. Отсюда проходящая через полупроницаемую мем-брану вода под давлением поступает на турбину, соединенную с элек-трогенератором (см. рис.7).Схема работы подводной гидроосмотическойстанцииПодводная гидроосмотическая гидроэлектростанция размещается на глубине более 100 м. Пресная вода подается к гидротурбине по тру-бопроводу. После турбины она откачивается в море осмотическими на-сосами в виде блоков полупроницаемых мембран остатки речной воды с примесями и растворенными солями удаляются промывочным насосом (см. рис.8).Морские водоросли как источник энергииВ биомассе водорослей, находящихся в океане, заключается огром-ное количество энергии. Предполагается использовать для переработки на топливо как прибрежные водоросли, так и фитопланктон. В качестве основных способов переработки рассматриваются сбраживание угле-водов водорослей в спирты и ферментация больших количеств водорос-лей без доступа воздуха для производства метана. Разрабатывается также технология переработки фитопланктона для производства жидко-го топлива. Эту технологию предполагается совместить с эксплуатацией океанских термальных электростанций. Подогретые глубинные воды ко-торых будут обеспечивать процесс разведения фитопланктона теплом и питательными веществами.Комплекс "Биосоляр" В проекте комплекса "Биосоляр" обосновывается возможность не-прерывного разведения микроводоросли хлорелла в специальных кон-тейнерах, плавающих по поверхности открытого водоема. Комплекс включает систему связанных гибкими трубопроводами плавающих кон-тейнеров на берегу или морской платформе оборудование для перера-ботки водорослей. Контейнеры, играющие роль культиваторов, пред-ставляют собой плоские ячеистые поплавки из армированного полиэти-лена, открытые сверху для доступа воздуха и солнечного света. Трубо-проводами они связаны с отстойником и регенератором. В отстойник от-качивается часть продукции для синтеза, а из регенератора в контейне-ры поступают питательные вещества – остаток от анаэробной перера-ботки в метантенке. Получаемый в нем биогаз содержит метан и угле-кислый газ (см. рис.9). Предлагаются и совсем экзотические проекты. В одном из них рас-сматривается, например, возможность установки электростанции прямо на айсберге. Холод, необходимый для работы станции, можно получать ото льда, а полученная энергия используется для передвижения ги-гантской глыбы замороженной пресной воды в те места земного шара, где ее очень мало, например в страны Ближнего Востока.Другие ученые предлагают использовать полученную энергию для организации морских ферм, производящих продукты питания.Взоры ученых постоянно обращаются к неисчерпаемому источнику энергии – океану.Океан, выпестовавший когда-то саму жизнь на Земле, еще не раз послужит человеку добрым помощником.Греческая армия была разбита. Преследуемые войсками персидского царя Артаксеркса П, потеряв-шие веру в свое спасение, остатки ее отрядов брели через пустыню. Но вот на горизонте заблестело мо-ре. Море, где их ждали корабли. Море, за которым лежала их любимая родина Море, по которому мож-но было уйти от персидской армии. И предводитель греков Ксенофонт, как гласит предание, воскликнул:"Море, море! Оно спасет нас!"Близок час, когда бурно растущее человечество обратит свои полные надежды взоры к морю и тоже воскликнет: "Море спасет нас! Море обеспечит нам обилие продуктов питания. Море даст нашей про-мышленности любое необходимое минеральное сы-рье. Море снабдит нас неисчерпаемыми источника-ми энергии. Море станет местом нашего обитания!" Список литературы1. Человек и океан. Громов Ф.Н Горшков С.Г. С.-П., ВМФ, 1996 г.- 318 с.2. Энергия, век двадцать первый. Володин В.В., Хазановский П.М."Детская литература", 1989 г. – 142 с.3. Большая советская энциклопедия (в 30-ти томах) т.18 – 633 с.4. Энциклопедический словарь юного техника. Сост. Зубков Б.В.,М.; "Педагогика", 1988 г. – 464 с.5. Энциклопедия для детей. М., "Аванта +", 1994 г. – 640 с.613