Виды и расчет волновой электростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Виды и расчет волновой электростанции

СОДЕРЖАНИЕ

электростанция альтернативный волновой морской

ВВЕДЕНИЕ

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1 ТИПЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

1.2 ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

2.1 ВИДЫ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ И ИХ РАЗВИТИЕ

3. МОРСКАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

3.1 ВИДЫ И УСТРОЙСТВО МОРСКИХ ВОЛНОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

3.1.1 ОБЩАЯ СХЕМА ВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

3.2 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И МОЩНОСТИ ВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

3.2.1 РАСЧЕТ РАБОТЫ НАСОСНОЙ СЕКЦИИ

3.2.2 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НАСОСНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

3.2.2 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Современные исследования энергетики показали, что запасы многих органических источников энергии истощаются с каждым годом в огромных объемах. В связи с этим в настоящее время поиск новых месторождений и новых видов топлива играет первостепенную роль в обеспечении энергией весь мир и отдельные жизненно важные объекты. Огромной проблемой становятся исследования в области влияния выбросов в атмосферу и другая активная деятельность человека. Последние десятилетия человечество изжило многомиллионные ресурсы планеты, что привело к кислотным дождям, истощению озонового слоя, высыханию и загрязнению Мирового Океана и другим экологическим проблемам. Кроме того, непрерывное увеличение энергопотребления лишь увеличивает загрязнение природной среды. Помимо загрязнения резкое сокращение органического топлива становится угрозой для жителей Земли уже через несколько десятилетий, что может привести к локальным войнам за ресурсы планеты. Такие прогнозы печальны, но решения последствий уже принимаются многими странами.

Подходящим подходом к дальнейшему развитию человечества является поиск новых источников энергии. В настоящее время ведутся поиски новых источников энергии. Такими примерами стали энергия Солнца, волн, ветра или альтернативные источники энергии (АИЭ). Их эксплуатация приводит к загрязнению окружающей среды не так сильно, как классические электростанции. К тому же, сама по себе энергия ветра, Солнца, приливов является чистой и бесконечной в рамках нынешних исследований. Переход на экологически чистое производство может вывести мир из пессимистического положения. Однако для этого необходимо приложить немало усилий и средств.

В курсовой работе приведены виды волновых электростанций и расчеты мощности волновой электростанции и других параметров.

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Большая часть ресурсов Земли истощена, месторождения опустошены. Новые разрабатываемые месторождения не меняют ситуацию в мировой энергетике, лишь оттягивая неминуемый исход. Ведь энергетика находится на первом месте в употреблении и преобразовании. От нее в решающей мере зависит экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, благополучие государств. Все это оказывает пагубное влияние в состояние нашей планеты в целом.

Классическое топливо вредно при переработке и добыче. Примером могут служить карьеры и гектары вырубленных лесов под добычу полезных ископаемых или постройку очередной электростанции на угле или газе.

Воспроизводство полезных ископаемых и органического газа достаточно медленно по сравнению с их добычей. Таким образом, данная проблема уже не новость и с каждым десятилетием она лишь будет актуальнее.

1.1 ТИПЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Все существующие виды топливной энергии в природе подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. Некоторые группы топлива, в свою очередь, подразделяются на две подгруппы, из которых одна подгруппа представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это топливо называется естественным; вторая подгруппа - топливо, которое получается путем переработки или обогащения естественного природного топлива: искусственное топливо.

Все виды органического природного топлива состоят из одних и тех же химических элементов. Разница между видами топлива состоит в том, что эти химические элементы содержатся в топливе в разном количестве.

Элементы, из которых состоит топливо, делятся на две группы.

- элементы, которые горят сами или поддерживают горение (углерод, водород и кислород);

- элементы, которые сами не горят и не способствуют горению (азот, вода).

Особое место от названных элементов занимает сера. Сера является горючим веществом и при горении выделяет определённое количества тепла, но ее присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства. Количество тепловой энергии, которое выделяет топливо при горении, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла (калорий), которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или при сгорании 1 м3 газообразного топлива, называется теплотворной способностью топлива или теплотой сгорания топлива. Теплота сгорания различных видов топлива имеет широкие пределы. Например, для мазута теплота сгорания составляет около 10000 ккал/кг, для угля 3000 - 7000 ккал/кг. Чем выше теплота сгорания топлива, тем топливо ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла потребуется меньше. К примеру, при проектировании, когда необходимо сравнить расход угля с расходом мазута и целесообразность строительства угольной или мазутной котельной необходимо учесть поправочный коэффициент на калорийность топлива.

Таким образом, несмотря на большое разнообразие топливных ресурсов и их количество, прогнозы специалистов показывают, что их хватит ненадолго в ближайшее время, а продолжающиеся поиски месторождений лишь ухудшают экологическую ситуацию в мире.

1.2 ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

Развитие индустриального общества опирается на постоянно растущий уровень производства и потребления различных видов энергии.

Как известно, в основе производства тепловой и электрической энергии лежит, как было сказано выше, процесс сжигания ископаемых энергоресурсов - угля, нефти или газа, а в атомной энергетике - деление ядер атомов урана и плутония при поглощении нейтронов.

Органические ископаемые ресурсы, даже при вероятном замедлении темпов роста энергопотребления, будут в значительной мере израсходованы в самом ближайшем будущем. Отметим также, что при сжигании ископаемых углей и нефти, обладающих сернистостью около 2,5%, ежегодно образуется до 400 млн. тонн сернистого газа и окислов азота, что составляет 70 кг вредных веществ на каждого жителя Земли в год.

Таким образом, даже сокращение потребления и экономичность полезных ископаемых не сможет помочь избежать энергетической катастрофы. Если в ближайшем будущем планета не станет непригодна для жизни, то критическая нужда в энергоресурсах обеспечена. Выход остается в поиске и внедрении возобновляемых источников энергии. Огромную важность играет борьба с отходами и выбросами в атмосферу тонн вредных и смертельно опасных продуктов сгорания.

Как уже известно, сгорание органического топлива вредно для окружающей среды. В настоящее время разрабатываются системы и устройства очистки выбросов в атмосферу продуктов сгорания. Среди устройств можно выделить следующие: фильтры на соплах Вентури; металлические лабиринтные фильтры. Из существующих методов очистки существуют следующие: адсорбционный метод, метод термического дожигания.

Однако все они не дают полноценной гарантии того, что извлекаемый воздух безопасен для здоровья и окружающей среды. Это связано с тем, что многие примеси, такие как частички пыли, мешают идентификации и извлечению вредных частиц. Кроме того, данные устройства несут крупные эксплуатационные затраты, высокую стоимость и необходимость в высококвалифицированном персонале.

2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

В настоящее время альтернативные источники энергии являются наиболее существенным решением энергетической и экологической проблем. Альтернативная энергетика основана на использовании возобновляемых источников энергии. Основная идея поиска альтернативных источников энергии заключается в использовании тех ресурсов планеты, которые дает природа. Их эксплуатация, в свою очередь, не оказывает негативного влияния на окружающую среду. Поэтому на данный момент уже существуют волновые электростанции, солнечные, ветряные, геотермальные и многие другие.

2.1 ВИДЫ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ И ИХ РАЗВИТИЕ

Наиболее явными из недостатков являются: недостаточное финансирование и непостоянство выдачи электроэнергии. Новизна, недостаточная осведомленность и ресурсное влияние многих энергетических трестов становятся препятствием перехода на чистую энергию. Многие производители предпочитают вредные и опасные для здоровья и окружающей среды источники энергии и виды топлива из-за их стабильности и готовности к эксплуатации.

Перебои энергии являются существенным недостатком. Солнечная активность, сила и направление ветра, скорость и мощность волновых потоков невозможно полноценно рассчитать и тем более пытаться ими управлять в собственных интересах в отличие от органического топлива.

Поэтому на многих объектах по-прежнему прокладываются силовые сети и самостоятельные дизель-генераторные электростанции.

АИЭ исследуются и модернизируются. Часть земной поверхности уже усеяна солнечными панелями, ветряками и другими устройствами для производства чистой энергии. Обеспокоенность состоянием нашей планеты затронула практически весь мир. Поэтому активность спасения экологии от разрушающих последствий человеческой деятельности стала задачей номер один.

3. МОРСКАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Как было сказано выше, основная идея альтернативных источников энергии заключается в использовании тех ресурсов планеты, которые дает природа. Их эксплуатация не оказывает такого существенного влияния на окружающую среду, как сжигание в больших количествах органического топлива или добыча и переработка полезных ископаемых.

К АИЭ относится и волновая электростанция. Волновая электростанция представляет собой устройство, перерабатывающее механическую энергию волн в электрическую. Водные электростанции являются новизной в производстве чистой энергии, и лишь немногие страны позволили себе их установку.

Рассмотрим основные преимущества волновых электростанций. К таким преимуществам относятся:

- Волны океанов и морей являются возобновляемым источников энергии.

- Преобразуется чистая электроэнергия.

- Большие волновые гидро-электростанции (ГЭС) производят огромное количество электричества.

Среди недостатков ГЭС выделяются:

- Могут представлять опасность для навигации, если не огорожены специальными сигнальными устройствами или не обозначены на карте.

- Если вода спокойна, то волновая ГЭС не производит электроэнергию.

К настоящему времени данные недостатки не существенны по сравнению с перспективами установки волновых электростанций. К тому же данный тип источников энергии совершенствуется и становится все более безопасным и функциональным.

3.1 ВИДЫ И УСТРОЙСТВО МОРСКИХ ВОЛНОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

В основе функционирования волновых ГЭС лежит воздействие на их механизмы. Среди них можно выделить поплавки, маятники, лопасти, оболочки и т.д. Механическая энергия в них преобразуется при помощи электрогенераторов в электрическую.

Волновая ГЭС представляет собой гигантскую параболическую камеру шириной около 30 метров. Под действием попадающей в трубу воды осуществляется возникновение мощных потоков воздуха. Данные потоки воздуха приводят в движение турбину. Стоит учитывать, что согласно подсчетам учёных Мировой Океан предоставляет суммарное количество электроэнергии до двух тераватт.

Среди видов волновых электростанции наибольшее развитие получили поплавковые.

В основе работы такой электростанции различные механические преобразователи, электрогенератор и накопитель энергии, размещены внутри герметичной капсулы - поплавка. Капсула - поплавок имеет форму цилиндра. Механический преобразователь энергии волн состоит из колебательной системы и механического привода, раскручивающего электрогенератор.

Маломощные поплавковые волновые электростанции служат для энергообеспечения прибрежных и островных поселений, аварийных систем жизнеобеспечения, глобальных и региональных систем навигации и связи и др.

Мощности маломощных поплавковых волновых электростанций достигают десятка кВт, мощных модульных (проекты) - до десятков МВт.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии. Считается, что эффективно 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 традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

3.1.1 СХЕМА ВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

На рис. 3.1 представлена общая схема волновой электростанции.

Рис. 3.1. Общая схема волновой электростанции

Она представляет многоярусное сооружение, состоящее из следующих компонентов:

1 - основание;

2 - трубопровод сброса воды, после отработки в гидротурбине;

3 - гидротурбина;

4 - гидрогенератор;

5 - высоковольтный кабель транспортировки выработанной электроэнергии;

6 - трансформаторы;

7 - вертолетная площадка;

8 - бытовые помещения;

9 - РУ « распредустройства»;

10 - кабель передачи выработанной электроэнергии от генераторов в распредустройства;

11 - генераторное отделение;

12 - турбинное отделение;

13 - компенсационная колонна;

14 - водовод;

15 - насосное отделение;

16 - неподвижные поршни насосной секции;

17 - насосная секция;

18 - направляющая клетка.

3.2 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И МОЩНОСТИ ВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Характеристики выбранной волновой электростанции следующие:

- Мощность гидроэлектростанции при волне в 1м -- 3600 Мвт

- Производительность одной насосной секции -- 9,085 мі/сек

- Общая производительность всех насосных секций -- 654,12 мі/сек

- Максимальный напор -- 326,4 м.

- Рабочее давление воды на лопасти гидротурбины -- 28,64 атм.

- Общее количество гидроагрегатов -- 12 по 300 мвт каждый

- Предельная высота волн, обеспечивающая работу секции -- 12м.

Данная электростанция существует и эксплуатируется по сей день.

3.2.1 РАСЧЕТ РАБОТЫ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ

Производим расчет объем одной секции (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Конструкция насосной секции

Основные компоненты таковы:

1- водовод;

2- цилиндр насосной секции;

3- нагнетательный клапан камеры «А»;

4- резиновые уплотнения;

5- нагнетательный клапан камеры «В»;

Объем одной секции равен:

Qнс = A•B•H = 7,5•7,5•13 = 731,25 м3;

Qвчнс = (8,5•8,5•2)-(1•0,5•8) •2=136,5 м3;

Таким образом, суммарный объем насосной секции, без вычета объема четырех рабочих цилиндров будет равен:

Qнс = 731,25+136,5 = 867,75 м3;

Объем четырех цилиндров равен:

Qрц = 4рR2h = 4•3,14•1,52•4 = 367,38 м3;

Таким образом, объем плавучей секции равен:

Qпл = 867,75-367,38 = 499,88 м3.

3.2.2 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НАСОСНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Производим основные расчеты производительности насосной секции. Итак, при волне в 1м тело, находящееся на плаву, поднимается вверх на 0,5 м, а затем опускается на 0,5 м. ниже спокойного уровня воды. Поскольку в водоводах будет создаваться противодавление, то ход поршня будет несколько меньшим. Условно выберем такую высоту волны, при которой общий ход поршня будет равен 1м. Тогда объем воды, вытесненный в водовод за один цикл из камеры “А” (рис. 3.2) равен:

Va = рR1Іh-рR22h, (3.1)

где: R1 -радиус цилиндра насосной секции 1,5 м; R2 -радиус водовода равный 0,4 м; h - высота волны равная 1 м. Находим результат по формуле (3.1)

Va = 3,14•1,5І•1-3,14•0,4І•1 =7,065-0,5024=6,5626 мі

Тогда объем воды вытесненный в водовод из камеры «В» будет равен:

Vв = рR1Іh. (3.2)

То есть,

Vв = рR1Іh = 7,065 мі

Суммарный объем воды камеры “А” и камеры “В” за один цикл равен:

Vs = Va+Vв = 6,5626+7,065 = 13,6276 мі.

Так как в одной насосной секции четыре цилиндра, то суммарный объем будет равен:

Vнс = Vs4 = 13,6276•4 =54,5104 мі.

Периодичность морских волн равна приблизительно 5-6 сек. Примем период между волнами равный 6 сек. Тогда производительность одной секции за одну секунду будет равна:

Qнс = 54,5104:6 = 9,085мі/сек.

Тогда общая производительность 72 насосных секций будет равна:

УQнс = 9,085•72 = 654,12 мі/сек

Выше в расчетах было показано, что давление в каждом цилиндре как при подъеме на волну, так и при спуске вместе с ней равно 82 т. Поскольку, каждые два цилиндра имеют выход в единый водовод, имеющий диаметр 0,8 м, то давление в водоводе будет равно 164 т. Площадь сечения водовода равна:

S = рRІ = 3,14•0,4І = 0,5024 мІ = 5024 смІ.

Таким образом, давление на каждый квадратный сантиметр будет равно: 164000:5024 = 32,64 атм.

3.2.3 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Методика расчетов волновой электростанции описана в статье [7]. В курсовом проекте рассмотрены основные формулы и пример расчета мощности волновой ГЭС при установленных параметрах.

Максимальная возможная мощность в одном цикле прилив-отлив, то есть от одного прилива до другого, выражается уравнением

 (3.3)

где с - плотность воды, g - ускорение силы тяжести, S - площадь приливного бассейна, R - разность уровней при приливе.

Как видно из нашей формулы (3.3), для использования приливной энергии наиболее подходящим можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур электростанций в некоторых местах может составлять 2-20МВт.

Энергия течения может быть рассчитана по формуле:

(3.4)

где m - масса воды, кг; с - плотность воды, кг/м3; A - сечение, м2; v - скорость, м/с; t - время работы.

Для массы воды, поступающей в волновую ГЭС - 103 кг и средней скорости потока - 1,8 м/с в Северно-Атлантическом течении решение по (3.4) будет иметь следующий вид: Вт

Т.е. наша волновая ГЭС вырабатывает 75816000000 Вт или 75816 МВт.

Полученное значение не точно, так как учитывается лишь среднее значение взятых величин. При производстве электроэнергии необходимо учитывать разные диапазоны значений исходных величин, которые меняются каждую секунду, а также изменение условий окружающей среды, состояние механизмов волновой ГЭС и другие факторы. Расчет таких примеров значительно усложняется при условии такого же усреднения. Современные системы контроля волновых ГЭС могут включать датчики скорости движения воды, давления и другие устройства, позволяющие принимать решения в условиях эксплуатации ГЭС.

Таким образом, установлено, что Мировой Океан содержит огромное количество чистой энергии течений, которую можно извлекать и использовать в личных целях без вреда окружающей среде.

ВЫВОДЫ

В результате можно сделать выводы о том, что энергия волн является неисчерпаемым источником энергии, а значит, ее можно использовать в сколь угодно количествах. Преобразователями механической энергии волн в электроэнергию чаще всего являются волновые электростанции или волновые ГЭС.

В курсовом проекте приведены примеры расчета количества энергии и производительности при выбранных исходных параметрах и сделаны выводы о целесообразности установки волновой ГЭС.

ЛИТЕРАТУРА

1. http://www.himikatus.ru/art/ch-act/0257.php.

2. Реферат “Альтернативные источники энергии”.

3. http://www.potram.ru/index.php%3Fpage%3D57.

4. http://altenergiya.ru/gidro/proekt-morskoj-volnovoj-elektrostancii.html.

5. http://studopedia.org/3-7638.html.

6. http://greenevolution.ru/enc/wiki/volnovaya-elektrostanciya/

7. http://dom-en.ru/pro2ect18/.

Размещено на Allbest.ru