ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА
В гл. 4 мы обсуждали использование тепловой энергии океана. Однако с океаном связаны и другие формы энергии, в частности, механическая энергия волн, течений, приливов и кимическая энергия, обусловленная наличием градиента солености.
Преобразователи тепловой энергии океана (ОТЕС — Ocean Thermal Energy Converters) используют океан как огромный коллектор и тепловой аккумулятор солнечной энергии. Таким образом, океан является стабильным источником низкотемпературного теплового потока. Но океан также аккумулирует энергию, связанную с его взаимодействием с ветровыми потоками, которые инициируют образование волн. Волнение океана является более устойчивым и стабильным природным процессом, чем сами воздушные потоки, которые их вызывают. По оценкам Всемирного энергетического совета (World Energy Council), суммарная мощность волновых процессов в океанской среде оценивается в 2 ТВт, и она частично может быть преобразована в полезные виды энергии.
Ддя обсуждения проблем использования морских (поверхностных) воли воспользуемся следующей специальной терминологией и символикой:
длительность — интервал времени, в течение которого дует ветер; длина разгона волны (или разгон) — расстояние, на котором дует ветер;
глубина воды й
ускорение свободного падения g = 9,8 м/с2;
высота волны И, т. е. вертикальное расстояние между подошвой и гребнем волны; период Т, т. е. временной интервал между моментами прохождения гребнем волны фиксированной точки;
фазовая скорость волны, т. е. отношение длины волны к периоду; групповая скорость волны v, т. е. скорость распространения энергии волны;
длина волны А,, т. е. горизонтальное расстояние между последовательными гребнями волны, измеренное вдоль направления их распространения.
14.2.1.1. Скорость морских волн
Поверхностные морские волны характеризуются лишь незначительным горизонтальным перемещением воды. Плавающий объект дрейфует в направлении распространения волны со скоростью, составляющей примерно 1 % скорости распространения волны. Выделенный объем воды движется преимущественно в вертикальной плоскости по кругу так, что вблизи гребня волны он совершает короткое движение вперед и отступает назад практически на то же расстояние вблизи ее подошвы. Вблизи поверхности диаметр этого круга равен длине волны. С ростом глубины водоема он уменьшается, так что горизонтальное перемещение становится пренебрежимо малым уже при глубине, превышающей длину волны. В результате на глубокой воде (d УЖ) волны практически не взаимодействуют с дном и их поведение не зависит от глубины. Поэтому фазовая скорость волны является функцией только длины волны На глубокой воде (d » А)
(1)
Любая система, в которой скорость волны зависит от ее длины, называется дисперсной. Следовательно, глубокий океан является типичной дисперсной системой. Однако если глубина водоема невелика, то круговое движение отдельных объемов воды нарушается влиянием дна и волна теряет часть своей энергии. При А» d скорость волны становится независимой от А (система перестает быть дисперсной). Но при этом она становится зависимой от глубины d. На мелкой воде (А,» d)
|
(2) |
|
V = |
JgdV2.
Для промежуточных глубин имеет место переходный режим волновой скорости. На очень мелкой воде (при d ~ А/7) скорость движения гребня волны намного превышает скорость подошвы и волна обрушается.
Очевидно, что на мелкой воде скорость волны падает по мере уменьшения глубины. По этой причине волны имеют тенденцию выстраиваться параллель-
но берегу при подходе к нему. Если волна подходит к берегу под острым углом, движение ее части, которая ближе к побережью, замедляется, что позволяет более отдаленным частям волны нагнать ее.
При движении над береговым склоном волны, находящиеся дальше от берега, движутся быстрее, чем более близкие к берегу, поэтому длина волны уменьшается при приближении ее к побережью. Период волны, однако, при этом не изменяется.
Все перечисленное выше относится к фазовой скорости волны. Групповая скорость, т. е. скорость распространения энергии, отличается от фазовой скорости в дисперсной среде. Для двух предельных случаев (глубокая и мелкая вода) верны следующие соотношения: на глубокой воде (d>> X)
на мелкой воде (к» (!)
