Прилив ағынының қуаты

Жоғарыда айтылғандай, жағалауға жақын жерлерде және аралдар арасында приливтер энергия алуға болатын, едәуір күшті ағыстар тудырады. Оның қуаты үлкен болмағанымен, тұрғындарға электр энергиясының салыстырмалы бағасы қол жетімді. Энергия алуға қажетті құрылғылар, өзенді қозғалысқа келтіретін құрылғыға өте ұқсас.

Прилив ағысының қуаты бағалайтын теңдеу жылуэнергетикасында қолданылатын теңдеуге ұқсас (9-тарау). Мұнда судың тығыздығы су тығыздығынан 1000 есе үлкен екендігін ескеру қажет.

(9.2) теңдеу бойынша су ағынының қуаты:

(13.30)

Прилив немесе өзен ағысының жылдамдығы 3 м/с болған жағдайда, онда . Ағынның толық энергиясының тек белгілі бір бөлігі ғана пайдалы эенргияға айналуы мүмкін. Мұнда желэнергетикасындағыдай

ПӘК 60%-дан аспайды. Ал тәжірибеде 40%-ға ғана жеткізе аламыз.

Прилив ағысы жылдамдығы уақытқа байланысты келесі түрге өзгереді:

, (13.31)

Мұнда - табиға прилив периоды (жартытәуліктік үшін 12сағ. 25мин), ал - су ағысының максимал жылдамдығы.

Ослайша, ағынның 1 көлденең қимасынан алынатын электр қуаты ( ескергенде) орташа есеппен:

(13.32)

(13.33)

3 м/с максимал жылдамдықта, тура және кері ағыста жұмыс істей алатын құрылғы үшін . Аралдар арасында кездесетін максималды 5 м/с жылдамдықта жұмыс істейтін құрылғы үшін . 1000 ауданды бөгеу арқылы электр станциясының толық орташа қуатын таба аламыз, ол шамамен 14 МВт

13.6-сурет. Прилив ағыны турбинасының схемасы

Прилив ағысының энергиясын түрлендіру үшін қолданатын түрлі заманауи қондырғылар бар. Соның бірі 13.6-суретте көрсетілген. Мұндай қондырғыларды салуға жұмсалатын қаржы үлкен (1 кВт-қа шаққанда). Сондықтан мұндай қондырғылар басқа энергия көздері қымбат, прилив ағысының жылдамдығы өте жоғары, шалғай аймақтарда орнатылады

Прилив суының көтерілу қуаты

Прилив энергетикасының теориялық негіздері өте қарапайым. Мысалы, ПЭС бассейні биік толып, аз суда турбина арқылы босайды деп қарастырайық (13.7 сурет). Бассейн аз су кезінде су астында қалатын, тұрақты А ауданға ие болсын. Бассейндегі су массасы деп алайық. Оның ауырлық центрі аз су деңгейінен R/2 биіктікте орналасқан. Аз су кезінде бассейннен барлық су ағып кетеді. Приливтен максимум потенциалды энергияны су R/2 биіктіктен құлаған жағдайда ғана алуға болады. Мұндай жағдайда прилив энергиясы = . (13.34)

Егер энергия прилив периоды уақытында түрленсе, онда прилив уақытындағы орташа потенциалды қуат:

(13.35)

Ай бойынша прилив биіктігі максимальді және минимальді мәнге ие болады. Өзгерістің формасы синусойдалы сипатқа ие. Периоды жарты ай.

13.8-сурет. Приливтің синусойдалы бйіктігінің өзгеруі (а), ай бойғы прилив биіктігінің өзгеруі (б). Күннің орналасуы (S), Ай (M) және жер (E), осының нәтежиесінде приливтер айына 2 рет көтеріліп, төмендеп тұрады (в).

Бөлім.

Мұхиттың жылулық энергиясының өзгеруі.

Кіріспе.

Дүниежүзілік мұхит - күн сәулеленуінің үлкен және табиғи коллекторы. Онда жылы беткі сумен жұтылатын күн сәулесі мен аса салқын су арасындағы температураның айырмасы 20⁰C-қа дейін жетеді. Бұл басқа түрге айнала алатын, үздіксіз толықтырылатын жылулық энергияның қорын қамтамасыз етеді.

14.1 сур. Мұхит жылулық энергиясының өзгеруінің схемасы. Жылулық машина мұхитттың беткі және терең судың арасындағы температураның түсуін қолданады: 1 - жылы судың берілуі, 2 - буландырғыш; 3 - жұмыс денесін бертін сорғы; 4 - турбина; 5 - генератор; 6 - конденсатор; 7 - салқын судың берілуі; 8 - мұхит беті; 9 - мұхиттың терең жері.

OTEC мұхиттың жылулық энергиясының өзгеру термині - ocean termal conversion - сол жылулық энергияның бір бөлігінің жұмысқа,ары қарай электрэнергиясына айналуын білдіреді.

14.1 суретте сол өзгеруді жүзеге асыратын құрылғылардың бір схемасы көрсетілген. Негізінен, бұл белгілі бір тереңдіктен алынған T_c "салқын" су менбетінен алынған T_h=T_c+ΔT "ыстық" су температуралар арасындағы өзгерісті пайдаланып, қозғалысқа келетін жылулық машина. Жұмыс сұйықтығы (жұмыс денесі) тұйық схемада жүре отырып, буландырғыштың жылу алмастырғышындағы ыстық судың жылуын алады, бу фазасында генератормен жалғанған турбинаны іске қосады, содан соң салқын сумен салқындатылып тұатын конденсаторда конденсацияланады. Осымен айналым бітеді.

Төменде тек тұйық айналыммен жұмыс істейтін жүйелер қарастырылған. Басқа да жүйелерді елестетуге болады, мысалы, жұмыс денесі ретінде ашық айналыммен жұмыс жасайтын теңіз суын алуға болады. Алайда, осында және келесі параграфта көрсетілген физикалық және географиялық мәліметтер OTEC жүйелеріне қолданылады.

Алдымен идеал жүйеде жылы сумен берілетін P₀ - қуатты табудан бастайық. Q шығыны бар жылы судың ағыны T_h температурада жүйеге кіреді және одан T_c температурада(тереңдегі салқын судың температурасы) шығады деп есептейік. P₀ анықтауымен біз идеал жылу алмастырғышты болжайық. Осындай идеал жүйеде, ΔT= T_h -T_c болғандағы

P₀=c (14.1)

Термодинамиканың екінші басы негізінде жылулық ағынның өзгерісінен алуға болатын максималды механикалық қуат

P₁= (14.2)

мұндағы

= ΔT/ T_h (14.3)

T_h пен T_c = T_h - ΔT температуралар арасындағы төмендеуімен жұмыс істейтін Карно идеал машинасының КПД-сы. Нақты жүйе болғандағы шығу P₁-ге қарағанда төменірек болатыны сөзсіз. Шын жылулық машиналар Карно циклы бойынша жұмыс істемейді, дұрысы, олардың циклы Ренкин бу турбинасының идеал циклына жақын. Бұл өрнектер OTEC-тің мүмкіндіктері мен шектеулерін суреттеуге көмектеседі. (14.1)-ге сәйкес (14.3) жылулық энергия алмастырғышының идеал механикалық шығыс қуаты мынаған тең:

(14.4)

14.1 мысал. Керек су шығыны.ΔT=20⁰C болғанда, 1МВт-ты идеал жылулық машинадан алу үшін [(14.4)сәйкес]

тең шығынды қамтамасыз ету керек. Осылайша, мәнді қуатты алу үшін мұхиттағы температуралардың максималды төмендеу мүмкіндігі болған кездегі су ағыны қажет. Ол алдымен қымбат тұратын техникалық құралдарды қажет етеді.

P₁ΔT -ның квадратына тәуелді болғандықтан, OTEC идеясының экономикалық қызығушылығын тек ΔT>15⁰C болатын аудандарда туғызады. 14.2 суретте ондай аудандар тек тропиктерде бар екені көрсетілген. Осындай ауданның бірі үшін тереңдегі температураның өзгерісі 14.3 суретте белгіленген. OTEC проблемасының қарастырылуы Гавайи аралында (солтүстік ендігі 20⁰ , батыс ұзақтығы 160⁰), Науру аралында (солт. ендігі 00, шығыс ұз. 166⁰), Флорида жартылай аралының қасындағы Гольфстрим ағысында жүргізіліп жатыр. Тропикалық аудандарда T_h мен T_c мезгіл бойынша өзгермейді, ол жыл бойы өндірілетін энергияның тұрақтылығын қамтамасыз етеді.

Құбылмалы ауа райының тұрақтылығы - жаңартылатын энергия көзі ретінде OTEC-тің басты артықшылығы.

14.2 сур. Беткі және терең су арасындағы (1000м) ΔT орташа мезгілдік температураның айырмашылығы. ΔT ≥20⁰C болатын зоналар OTEC-ке сәйкес келеді. Барлық осы зоналар тропикте орналасқан.

Төменде OTEC-тің басқа да артықшылықтары жазылған:

1) Алмастырғыштарды таратуға болатын аудандарда өзгеретін ресурстар мәндеріне тек құрылғылардың өлшемдері шектеу қояды.

2) Экономикалық ақталған құрылғыларды жасау тек турбиналар мен жылуалмастырғыштар сияқты аса апробирленген құрылғыларды түзетуді қажет етеді.

Басты кемшіліктері - құрылғылардың бағасы мен масштабы. Егер P₁-дің қуатын ала алсақ, онда баға минималды болып қалатын еді, бірақ, сұйықтықтың тұтқырлығы мен жылу алмастырғыштардың жетілмегендігін(келесі екі параграфтарда сәйкес келетін бағалар көрсетілген) ескеруді қажет ету шектеулерді алып келеді.

14.3 сур. Науру аралынан (Тынық мұхитының орталығы, солт. ендігі 0⁰ , шығ. ұз.166⁰) алыстағандағы (L - жағадан бастап есептегендегі арақашықтық,м) (a) судың өзгеру температурасы мен (b) түп кескіні. Температуралық шарттар мен түп кескіні жағаға энергетикалық құрылғыларды орналастыруға мүмкіндік береді.

Экспериментальды мұхиттық термальды электростанцияны (OTEC- ті латынның OTEC- імен шатастырмау) жасауға кеткен шығын 40000 долл/кВт- ты құрады. §14.2-14.4- де көрсетілген талдау масштабты сериялық OTEC- ті экономикалық жағынан тиімді екенін көрсетеді.Сәйкес жұмыстар активті түрде АҚШ- та, Францияда және Жапонияда жүргізіліп жатыр.

OTEC жүйесі құнының өсу факторының бірі- ашық мұхитта оның қызмет көрсетуі мен энергияны жағаға беруінің қымбат болуы (§14.4). Алайда, түп кенеттен түсетін және OTEC құрылғыларын құрлыққа таратуға болатын жағажайлық аудандар бар. Ондай жердің бірі - Тынық мұхитының оңтүстік жағындағы Науру аралы. 14.3 суретте сол аралдың қасындағы түптің топографиясы бейнеленген.