Мировым океаном мы называем всю водную массу, которая находится на поверхности земли, за исключением вод на суше. Это воды рек, озер и подземные воды. Это не включает воду в континентальных ледниках, кристаллическую минеральную воду, биосферную воду и всю воду в атмосферных парах.
96,5% всей воды на планете Земля сосредоточено в мировом океане. Средняя глубина Мирового океана составляет примерно 3790 метров. Если бы все воды океанов распределились равномерно по всей поверхности Земли, уровень достиг бы высоты 2200 метров.
Мировые океаны и моря имеют свою систему течений, стратификацию наносов, соленость. Важна температурная стратификация в водоемах.
Верхний слой имеет широко колеблющуюся температуру и подвержен сезонным изменениям. Следующий слой, следующий за предыдущим, значительно более термически стабилен.
Однако грань между ними не является резкой. Двигается на глубинах от десятков до тысяч метров. Здесь наблюдается резкий скачок температуры.
В целом можно сказать, что она уменьшается с увеличением широты. Например, в тропиках он уже встречается на глубине в несколько десятков метров. Этот термический интерфейс принципиально влияет на степень течения водных масс.
Другим фактором, влияющим на океанские воды, является плотность воды. Это зависит от температуры и солености. От всех этих основных и других, более второстепенных свойств зависят возможности их энергетического использования и они прямо вытекают из них.
Энергия прилива
Волнение моря, которое проявляется в регулярных подъемах и падениях уровня моря, является результатом приливных сил Луны и Солнца. Так возникают приливы в Мировом океане.
Форма побережья оказывает большое влияние на высоту приливов. Высокие приливы образуются там, где бурлящая вода устремляется в узкие и длинные заливы. Самый высокий известный прилив наблюдается у берегов Новой Шотландии в США. Вода там поднимается на целых 20 м.
Ход приливных сил и, таким образом, приливов только по видимости закономерен. В течение лунных суток (т. е. за 24 ч 50 мин и 30 с) одно и то же место дважды сменяется отливом и дважды приливом.
Солнце и все неровности планеты Земля своим притяжением вмешиваются в этот устойчивый бег. В результате возникают неравномерности приливного ритма водных масс в разных местах Земли.
В определенный период возникает так называемый глухой прилив. Бывает и однодневный прилив.
При строительстве приливных электростанций необходимо учитывать все особенности того или иного места и все неровности, которые оно влечет за собой.
Во Франции и Италии приливные мельницы известны еще с 13 века. Приливная волна хлынула прямо в водоемы и во время отлива сбрасывалась на мельничные колеса. Однако неравномерность приливов доставляла немалые трудности, и не только древним мельницам. Проблемы возникли и у приливных электростанций, построенных позже.
Старейшей приливной электростанцией можно считать английскую гидростанцию на реке Ди в Честере мощностью 635 кВт. Она была построена в 1913 году.
Старая гидроэлектростанция города Честер
По-настоящему современная приливная электростанция начала работать только в 1966 году. Это французская приливная электростанция в Бретани, в устье реки Ранс.
В этих местах средняя высота прилива составляет 8,4 м. Водохранилище над электростанцией использует морфологическую форму русла реки и имеет площадь 22 км2. Кроме того, приливная вода для турбин также усиливается притоком реки.
Электростанция имеет мощность 240 МВт. Она оснащена 24 реверсивными турбинами, поэтому использует как приливы, так и отливы. Электростанция в устье реки Ранс работает 2250 часов в год и производит 540 миллионов кВтч электроэнергии.
Приливная электростанция на реке Ранс во Франции
Подробно про эту необычную ГЭС смотрите здесь: Приливная электростанция Ля Ранс во Франции
В 1984 году в Канаде в бассейне Аннаполиса была запущена первый генератор приливной электростанции с высотой приливов до 15,8 м. Ротор турбины постоянного тока с четырьмя лопастями имеет диаметр 7,6 м и мощность 17,8 МВт.
Серьезным недостатком приливных электростанций является то, что время их работы часто не совпадает с энергетическим пиком систем электроснабжения.
Другим недостатком является то, что места, подходящие для строительства этих электростанций, часто находятся довольно далеко от мест потребления вырабатываемой энергии.
Потери на междугородных линиях тогда настолько значительны, что строительство нецелесообразно.
Тем не менее, приливная энергия является перспективным источником энергии для будущего использования. Таким образом, ежегодно можно было бы получать от 7,2 до 11,8 трлн МДж электроэнергии. Таким образом, приливная энергия может сыграть важную роль в будущем.
Энергия прибоя
Характер морских волн существенно меняется, когда они достигают мелководья. Когда волны ударяются о морское дно, их длина и высота меняются. Он увеличивается, и гребни волн ломаются.
Сила прибоя во время больших штормов невероятна. Например, во Франции волны прибоя выбрасывали через каменный волнорез высотой 7 м валуны весом до 3,5 т и передвигали бетонный блок весом 65 т на расстояние 20 м.
Большая сила прибоя еще очень мало используется, в том числе и потому, что в местах сильного прибоя нет крупных городов и крупных промышленных предприятий.
В Японии была построена водяная турбина с вертикальным валом, пригодная для обоих направлений потоков воды. Ее лопасти самостоятельно раскрываются примерно на половину окружности в сторону против течения воды. Возникающий дисбаланс создает крутящий момент. Четырехлопастные турбины имеют диаметр до 700 мм и высоту до 150 мм.
Энергия морских течений
Океанические течения возникают в результате дифференциального нагрева поверхности моря солнцем. Для некоторых течений свой вклад в формирование вносят и разная соленость, плотность воды, рельеф морского дна и вращение Земли. Морские течения относительно постоянны и всегда текут в одном направлении.
Самое известное морское течение – Гольфстрим. Его скорость достигает 3,2 км/ч у дна и 8 км/ч на поверхности между Флоридой и мысом Хетеррас. Одна тысячная его энергии могла бы питать 35 процентов Флориды.
Другими течениями являются, например, Калифорнийское течение или течение Гумбольдта. Хотя океанские течения медленнее ветра, они несут гораздо больше энергии из-за плотности воды.
Карта океанских течений
США, Япония и Китай думают об использовании морских течений. Разрабатываются различные типы турбин, которые по своему принципу напоминают классическую ветряную электростанцию. Однако они передвигаются медленнее, поэтому рыба без проблем проходит через них.
Так одним из проектов предусмотрено использование больших турбин диаметром около 170 м, с двумя лопастями рабочего колеса, которые будут вращаться со скоростью 1 оборот в минуту.
Турбины должны быть закреплены стальными тросами к тяжелым анкерам на глубине от 30 до 130 м от поверхности. Их взаимное расстояние составило бы 100 м водопропускных труб для прохода крупных судов.
Однако все проекты, использующие океанские течения, сопряжены с большим риском. Гольфстрим может замедлиться, и возможные катастрофические последствия трудно предсказать.
Француз Морион предлагает погрузить в морское дно огромные диски, которые вращались бы с морским течением. Турбина имела бы диаметр более 100 м. Он предлагает разместить эти электростанции на побережье Франции, Японии и Пиренейских островов. Испытательный проект проводился у южного побережья Сицилии.
В мире существует значительный интерес к этому проекту еще и потому, что он не угрожает стабильности течений и не сопряжен с экологическими рисками.
В США когда-то была идея, что можно будет прокопать полуостров Флорида и повернуть Гольфстрим на север вдоль побережья США при полном использовании его энергии.
Благоприятный климат переместится из Европы в Америку, не так ли? Гольфстрим больше никогда не достигнет европейских берегов.
Реализация такого проекта повлекла бы за собой катастрофические последствия для всего европейского континента. На западе зимние температуры упадут до -43 °C, а климат будет похож на климат Аляски или Лабрадора.
Были сделаны и другие подобные предложения с потенциально ужасными последствиями. Существовал проект перекрытия Берингова пролива и строительства плотины между Гибралтаром и Африкой.
Однако, к счастью, их вовремя отзывали. Экологическое использование энергии морских течений еще ждет своего первооткрывателя.
Будущее морской энергетики связано с использованием сильных океанских течений, приводящих в движение приливные турбины
Тепловая энергия моря
Первое предложение использовать разницу температур в океане для выработки электроэнергии было в романе Верна «Двадцать тысяч миль под водой» 1870 года. Только в 1930 году первая электростанция, использующая тепловую энергию моря (22 кВт) была построена на Кубе французом Жоржем Клодом.
В Мировом океане содержится огромное количество тепловой энергии. Использование разницы температур между верхними и нижними слоями воды — один из способов получения электроэнергии из океанов.
Существуют системы преобразования тепловой энергии океана открытого и замкнутого цикла. В замкнутом цикле Ренкина используется теплообменная среда (например, аммиак), которая испаряет температуру поверхностной воды, образующийся пар приводит в действие турбину низкого давления, а более холодная морская вода снова конденсирует среду.
В открытых циклах в качестве рабочего тела используется морская вода, которая испаряется за счет снижения давления. После прохождения турбины и конденсации вода опресняется и становится пригодной для питья.
Специальный арктический вариант такой системы использует разницу между температурой теплой воды подо льдом 2 °C и холодным воздухом до 50 °C.
Энергия морских волн
Вся масса мировых морей находится в постоянном движении не только на поверхности, но и на значительных глубинах. Вертикальное движение частиц воды изменяет уровень моря, горизонтальное движение является причиной образования как локальных, так и океанических систем течений.
Важнейшим движением частиц воды на поверхности океанов и морей являются волны, имеющие различное происхождение.
Волны, вызванные ветром, приливным действием Луны и Солнца, волны перед устьями крупных рек, катастрофические волны цунами, являющиеся следствием подводных землетрясений. Подсчитано, что энергия, генерируемая волнами во всех мировых океанах, достигает значения 342 миллиарда МДж. Однако пока этот ресурс используется очень мало.
Однако первые шаги к практическому использованию морских волн уже сделаны.
Разработка электростанций с использованием морских волн происходит в основном в таких странах, как Япония, Великобритания, Ирландия, Норвегия и Дания.
Во всем мире были произведены различные прототипы силовых установок: подвижные буи, буферы уровня, нагнетатели и преобразователи с использованием гибких мембран.
Было подсчитано, что каждая волна открытого моря у берегов Великобритании непрерывно в течение года имеет мощность от 50 до 80 кВтч на метр своей длины.
Одним из многих решений является предложение по использованию трехсекционные понтоны. Они должны быть закреплены на дне и лежать на поверхности уровня моря. Движение волн будет передаваться водяному двигателю.
Другое интересное предложение известно как Pelamis. По сути, это серия поплавков, которые колеблются около оси под действием волн. Это движение преобразуется в электрическую энергию в генераторе системой гидравлических или механических устройств.
Система использования морских волн Pelamis обрабатывает колебательные движения длинных соединенных плеч на поверхности воды
Еще один способ способ использования волн был предложен в Японии. Калимайская электростанция похожа на танкер длиной 80 м и шириной 12 м. Морские волны сжимают воздух в камерах станции и приводят в движение 3 турбины с генераторами мощностью 200 кВт.
Модифицированная таким образом электростанция является многоцелевой, так как действует как волнорез перед гаванью и перед рыбными фермами.
У берегов Гавайев проводились эксперименты с миниэлектростанциями, размещенными в морских буях.