Виды возобновляемых источников энергии

Плоский коллектор, помимо прямой солнечной радиации, воспринимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, какие мы реально имеем в средней полосе. Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, как концентрирующий коллектор, но для конвекционного отопления этого и не требуется, здесь достаточно иметь низкопотенциальную теплоту. Солнечный коллектор располагается на фасаде, ориентированном на юг (допустимо отклонение до 30° на восток или на запад).

Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора.

Для дома, площадью 60 мІ , объем аккумулятора составляет от 3 до 6 мі. Разброс определяется качеством исполнения элементов гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в конкретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах:

- отопление и аккумулирование тепловой энергии (а);

- отопление от аккумулятора (б);

- аккумулирование тепловой энергии (в);

- отопление от коллектора (г).

В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается и через отверстия у потолка поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.

В средней полосе гелиосистема лишь частично обеспечивает потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60%.

4. ГЕЛИОСИСТЕМЫ НА ШИРОТЕ 60°

Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа, получившая наименование “Солар-91” и осуществляемая под лозунгом “За энергонезависимую Швейцарию!”, вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии.

Программа “Солар-91” осуществляется практически без поддержки государственного бюджета, в основном, за счет добровольных усилий и средств отдельных граждан, предпринимателей и муниципалитетов. Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2-3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20-30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВт/ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.

Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50-70%.

В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами.

Опыт эксплуатации свидетельствует, что Солнце уже в состоянии обеспечить энергопотребности, по меньшей мере, всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.

Автономная солнечная установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные по заказу фирмы Biral на крыше ее производственного корпуса в Мюнзингене, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии.

Современная концепция использования солнечной энергии наиболее полно выражена при строительстве корпусов завода оконного стекла в Арисдорфе, где солнечным панелям общей мощностью 50 кВт еще при проектировании была отведена дополнительная роль элементов перекрытия и оформления фасада.

КПД кремниевых фотопреобразователей при сильном нагреве заметно снижается и, поэтому, под солнечными панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Нагретый воздух работает как теплоноситель коллекторных устройств. Темно-синие, искрящиеся на солнце фотопреобразователи на южном и западном фасадах административного корпуса, отдавая в сеть 9 кВт электроэнергии, исполняют роль декоративной облицовки.

Один из крупных разделов программы “Солар-91” - развитие транспортных средств использующих солнечную энергию, так как автотранспорт “съедает” четверть энергетических ресурсов необходимых стране. Ежегодно в Швейцарии проводится международное ралли солнцемобилей “Тур де сол”. Трасса ралли, протяженностью 644 километра, проложена по дорогам северо-западной Швейцарии и Австрии. Гонки состоят из 6 однодневных этапов, длина каждого - от 80 до 150 километров.

Швейцарские граждане возлагают большие надежды на децентрализованное производство электрической и тепловой энергии собственными гелиоустановками. Это отвечает независимому и самостоятельному швейцарскому характеру, чувству цивилизованного собственника, не жалеющего средств ради чистоты горного воздуха, воды и земли. Наличие персональных гелиостанций стимулирует развитие в стране электроники и электротехники, приборостроения, технологии новых материалов и других наукоемких отраслей.

В июне 1985 года Урс Мунтвайлер, 27-летний инженер из Берна, провел по Дорогам Европы первое многодневное ралли легких электромобилей, оборудованных фотопреобразователями и использующих для движения солнечную энергию. В нем участвовало несколько швейцарских самодельщиков, восседавших в “поставленных на колеса ящиках из-под мыла” с прикрученными к ним сверху солнечными панелями. Во всем мире тогда едва ли можно было насчитать с десяток гелиомобилей.

Прошло четыре года. “Тур де сол” превратился в неофициальный чемпионат мира. В пятом “солнечном ралли”, состоявшемся в 1989 году, участвовало свыше 100 представителей из ФРГ, Франции, Англии, Австрии, США и других стран. Тем не менее, больше половины гелиомобилей принадлежало по-прежнему швейцарским первопроходцам.

В течение последующих пяти лет появилось понятие "серийный гелиомобиль". Гелиомобиль считается серийным, если фирма-изготовитель продала не менее 10-ти образцов, и они имеют сертификат, разрешающий движение по дорогам общего пользования.

5. ТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛИ

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится - нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Энергетика земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии.

Так, например, маленькая европейская страна Исландия- "страна льда" в дословном переводе - полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли - других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников, жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно.

Столица - Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч киловатт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт.

Суммарная мировая мощность ГеоТЭС составляет не менее 6 ГВт. Они вполне конкурентоспособны по сравнению с традиционными топливными электростанциями. Однако ГеоТЭС географически привязаны к месторождениям парогидротерм или к термоаномалиям, которые распространены отнюдь не повсеместно, что ограничивает область применения геотермальных установок. Наряду с ГеоТЭС, широкое распространение получили системы геотермального теплоснабжения. В России наиболее перспективным регионом для строительства ГеоЭС является Камчатка, располагающая уникальными геотермальными месторождениями. Там действует Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт(э). В 1999г. введены в эксплуатацию 3 блока по 4 МВт(э) Верхне-Мутновской ГеоЭС, начато строительство Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 250 МВт(э). В развитие геотермальной энергетики Камчатки определяющий вклад вносит специально созданное для этой цели ОАО «ГЕОТЕРМ», Калужский турбинный завод, разработавший и освоивший в производстве современное специализированное оборудование, поставляемое не только на Камчатку, но и за рубеж. Имеется опыт теплоснабжения малых городов, поселков, тепличных комплексов и т.п. с использованием геотермального тепла, прежде всего, на Камчатке, Курилах и Северном Кавказе. Как перспективные для внедрения геотермального теплоснабжения рассматриваются Омская и Тюменская области, западная часть Новосибирской области и северная часть Томской области. Основные проблемы геотермального теплоснабжения связаны с солеотложением и коррозионной стойкостью материалов и оборудования, работающих в условиях агрессивной среды. В этой связи представляет большой практический интерес внедрение двухконтурных систем теплоснабжения с использованием эффективного и коррозионно-стойкого современного теплообменного оборудования.

Геотермальные ресурсы земли

Геотермальные ресурсы классифицируются по четырем группам:

1) месторождения сухого пара - ресурсы сравнительно легко осваиваются, но встречаются редко;

2) месторождения влажного пара - распространены в большей степени, однако при освоении возникают проблемы, связанные с коррозией и повышенным содержанием солей;

3) горячая вода - ресурсы большие, используются главным образом для отопления в тепличном хозяйстве;

4) теплота сухих горных пород - ресурсы большие, однако технология использования находится в ранней стадии освоения.

По характеру скопления термальные воды делят на трещинно-жильные и пластовые. Трещинно-жильные термальные воды встречаются в горно-складчатых областях и характеризуются локальными выходами термальных источников и парогидротерм с температурой до 370 К и выше.

Пластовые термальные воды залегают в пределах континентальных платформ, краевых прогибов и горных впадин. Такие бассейны могут занимать площади в сотни тысяч и миллионы квадратных километров.

По степени минерализации различают : термальные воды с низкой минерализацией (до 10 г/л), которые могут использоваться без предварительной подготовки; термальные воды со средней минерализацией (10-35 г/л), требующие очистки; термальные воды с высокой термализацией (35-200 г/л и более), которые могут использоваться в двухконтурных схемах.

В относительно небольшом количестве в парогидротермах преобладает пар с температурой более 500 К, в остальных системах вода.

Активное использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Основными негативными факторами являются: повышенный уровень шума на выходе из скважины; загрязнение водоемов при сбросе в них термальных вод с повышенным содержанием солей; загрязнение окружающего воздуха попутными газами (bhS, СН, NH4); тепловое загрязнение окружающей среды; повышение влажности воздуха за счет испарения в градирнях.

Во многих странах проводятся исследовательские работы, направленные на очищение окружающей среды от последствий эксплуатации геотермальных месторождений. Разрабатываются звукогасители, методы закачки использованной воды в пласт, методы предотвращения выброса вредных газов.

Достоинства и недостатки геотермальной энергетики

Геотермальная энергия всегда привлекала людей возможностями полезного применения. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Геотермальная энергия своим "проектированием" обязана раскаленному центральному ядру Земли, с громадным запасом тепловой энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли запасено количество тепловой энергии, эквивалентное энергии примерно 300 млрд. т угля. Тепло центрального ядра Земли имеет прямой выход на поверхность Земли через жерла вулканов и в виде горячей воды и пара.

Кроме того, магма передает свое тепло горным породам, причем с ростом глубины их температура повышается. По имеющимся данным, температура горных пород повышается в среднем на 1 °С на каждые 33 м глубины (геотермическая ступень). Это означает, что на глубине 3-4 км вода закипает; а на глубине 10-15 км температура пород может достигать 1000-1200°С. Но иногда геотермическая ступень имеет другое значение, например, в районе расположения вулканов температура пород повышается на 1°С на каждые 2-3 м. В районе Северного Кавказа геотермическая ступень составляет 15-20 м. Из этих примеров можно сделать заключение о том, что имеется значительное разнообразие температурных условий геотермальных источников энергии, которые будут определять технические средства для ее использования, и что температура является основным параметром, характеризующим геотермальное тепло.

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.

Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Например, по имеющимся данным, в Западной Сибири имеется подземное море площадью 3 млн м2 с температурой воды 70-90°С. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, Казахстане, на Камчатке и в ряде других районов России.

В Дагестане уже длительное время термальные воды используются для теплоснабжения. За 15 лет откачано более 97 млн.м³ термальной воды для теплоснабжения, что позволило сэкономить 638 тыс.т, условного топлива.

В Махачкале термальной водой отапливаются жилые здания общей площадью 24 тыс.м², в Кизляре - 185 тыс.м². Перспективны запасы термальных вод в Грузии, которые допускают расход в сутки 300-350 тыс.м² с температурой до 80⁰ С. Столица Грузии находится над месторождением термальных вод с метановоазотным и сероводородным составом и температурой до 100°С.

Какие проблемы возникают при использовании подземных термальных вод? Главная из них заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) я химических соединений (аммиака, фенолов), что искдючает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Например, термальные воды Большебанного местарождения (на реке Банная, в 60 км от Петропавловска - Камчатского) содержат различных солей до 1,5 г/л, фтора - до 9 мг/л, кремниевой кислоты - до 300 мг/л. Термальное воды Паужетского месторождения в том же регионе (температура 44 - 200°С, давление на устье скважины 2-4 атм) содержат от 1,0 до 3,4 г/л различных солей, кремниевой кислоты - 250 мг/л, борной кислоты - 15 мг/л, растворенных газов: углекислого - 500 мг/л, сероводорода - 25 мг/л, аммиака -15 мг/л. Геотермальные воды Тарумовского месторождения в Дагестане (температура 185°С, давление 150-200 атм) содержат до 200 г/л солей и 3,5 -4 м³ метана в нормальных условиях на 1 м³ воды.

Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения. У нас в стране эксплуатируется экспериментальная Паужетская геотермальная электростанция (ГеоТЭС) установленной электрической мощностью 11 МВт, построенная в 1967 году на Камчатке.

Однако ее роль в энергообеспечении региона была незначительной. Кроме того, в 1967 году была введена в эксплуатацию экспериментальная ГеоТЭС мощностью 0,75 МВт на низкопотенциальном геотермальном месторождении (температура воды 80°С).

Итак, достоинствами геотермальной энергии можно считать практическую неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, времени суток и года, возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины. Недостатками ее являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы.

6. ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВОВ

Периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики.

Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива - малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня - стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря - условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже - во время отливов. Это результат осреднения больших рядов срочных наблюдений. Средняя высота прилива (или отлива) - осредненная величина, рассчитанная по большой серии данных об уровнях полных или малых вод. Оба этих средних уровня привязаны к местному футштоку.

Вертикальные колебания уровня воды во время приливов и отливов сопряжены с горизонтальными перемещениями водных масс по отношению к берегу. Эти процессы осложняются ветровым нагоном, речным стоком и другими факторами. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды - приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана (см. также ОКЕАН).

В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, «застаивается».

Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Объяснение происхождения приливообразующих сил.

Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно бульшую роль, чем массы тел.

Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли в 81,3 раза больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.

Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30-60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.

За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной - обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.

Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.

Неравенства величин прилива.

Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться: 1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны; 2) амплитудой прилива и 3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды. Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.

Полусуточный эффект.

Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе - вращению Земли вокруг своей оси - образуются два полных приливных цикла. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, - против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.

Полумесячное неравенство.

Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 14³/₄ суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой. До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными.

Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т.е. когда Луна находится в первой или последней четверти), их приливообразующие силы противодействуют, поскольку прилив, вызванный притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызванный Луной. В таких условиях приливы не столь высоки, а отливы - не столь низки, как если бы они были обусловлены только силой притяжения Луны. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом. В Атлантическом океане как сизигийные, так и квадратурные приливы обычно запаздывают на сутки по сравнению с соответствующей фазой Луны. В Тихом океане такое запаздывание составляет лишь 5 ч. В портах Нью-Йорк и Сан-Франциско и в Мексиканском заливе сизигийные приливы на 40% выше квадратурных.

Лунное параллактическое неравенство.

Период колебаний высот приливов, возникающий за счет лунного параллакса, составляет 27¹/₂ суток. Причина этого неравенства состоит в изменении расстояния Луны от Земли в процессе вращения последней. Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. Этот расчет справедлив для порта Нью-Йорк, где эффект пребывания Луны в апогее или перигее обычно запаздывает примерно на 1¹/₂ суток относительно соответствующей фазы Луны. Для порта Сан-Франциско разница в высотах приливов, обусловленная нахождением Луны в перигее или апогее, составляет только 32%, и они следуют за соответствующими фазами Луны с запаздыванием на двое суток.

Суточное неравенство.

Период этого неравенства составляет 24 ч 50 мин. Причины его возникновения - вращение Земли вокруг своей оси и изменение склонения Луны. Когда Луна находится вблизи небесного экватора, два прилива в данные сутки (а также два отлива) слабо различаются, и высоты утренних и вечерних полных и малых вод весьма близки. Однако с увеличением северного или южного склонения Луны утренние и вечерние приливы одного и того же типа различаются по высоте, и, когда Луна достигает наибольшего северного или южного склонения, эта разница максимальна. Известны также тропические приливы, называемые так из-за того, что Луна находится почти над Северным или Южным тропиками.

Суточное неравенство существенно не влияет на высоты двух последовательных отливов в Атлантическом океане, и даже его воздействие на высоты приливов мало по сравнению с общей амплитудой колебаний. Однако в Тихом океане суточная неравномерность проявляется в уровнях отливов втрое сильнее, чем в уровнях приливов.

Полугодовое неравенство.

Его причиной является обращение Земли вокруг Солнца и соответствующее изменение склонения Солнца. Дважды в год в течение нескольких суток во время равноденствий Солнце находится близ небесного экватора, т.е. его склонение близко к 0. Луна также располагается вблизи небесного экватора приблизительно в течение суток каждые полмесяца. Таким образом, во время равноденствий существуют периоды, когда склонения и Солнца и Луны приблизительно равны 0. Суммарный приливообразующий эффект притяжения этих двух тел в такие моменты наиболее заметно проявляется в районах, расположенных вблизи земного экватора. Если в то же самое время Луна находится в фазе новолуния или полнолуния, возникают т.н. равноденственные сизигийные приливы.

Солнечное параллактическое неравенство.

Период проявления этого неравенства составляет один год. Его причиной служит изменение расстояния от Земли до Солнца в процессе орбитального движения Земли. Один раз за каждый оборот вокруг Земли Луна находится на кратчайшем от нее расстоянии в перигее. Один раз в год, примерно 2 января, Земля, двигаясь по своей орбите, также достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелия). Когда эти два момента наибольшего сближения совпадают, вызывая наибольшую суммарную приливообразующую силу, можно ожидать более высоких уровней приливов и более низких уровней отливов. Подобно этому, если прохождение афелия совпадает с апогеем, возникают менее высокие приливы и менее глубокие отливы.

Методы наблюдений и прогноз высоты приливов.

Измерение уровней приливов осуществляется при помощи устройств различных типов.

Футшток - это обычная рейка с нанесенной на нее шкалой в сантиметрах, прикрепляемая вертикально к пирсу или к опоре, погруженной в воду так, что нулевая отметка находится ниже наиболее низкого уровня отлива. Изменения уровня считывают непосредственно с этой шкалы.

Поплавковый футшток. Такие футштоки используются там, где постоянное волнение или мелководная зыбь затрудняют определение уровня по неподвижной шкале. Внутри защитного колодца (полой камеры или трубы), вертикально установленного на морском дне, помещается поплавок, который соединен с указателем, закрепленным на неподвижной шкале, или пером самописца. Вода проникает в колодец сквозь небольшое отверстие, расположенное значительно ниже минимального уровня моря. Его приливные изменения через поплавок передаются на измерительные приборы.

Гидростатический самописец уровня моря. На определенной глубине размещается блок резиновых мешков. По мере изменения высоты прилива (слоя воды) меняется гидростатическое давление, которое фиксируется измерительными приборами. Автоматические регистрирующие устройства (мареографы) также могут применяться для получения непрерывной записи приливо-отливных колебаний в любой точке.

Таблицы приливов. При составлении таблиц приливов используются два основных метода: гармонический и негармонический. Негармонический метод всецело базируется на результатах наблюдений. Кроме того, привлекаются характеристики портовых акваторий и некоторые основные астрономические данные (часовой угол Луны, время ее прохождения через небесный меридиан, фазы, склонения и параллакс). После внесения поправок на перечисленные факторы расчет момента наступления и уровня прилива для любого порта является чисто математической процедурой.

Гармонический метод является отчасти аналитическим, а отчасти основан на данных наблюдений за высотами приливов, проводившихся в течение по меньшей мере одного лунного месяца. Для подтверждения этого типа прогнозов для каждого порта необходимы длительные ряды наблюдений, поскольку за счет таких физических явлений, как инерция и трение, а также сложной конфигурации берегов акватории и особенностей рельефа дна возникают искажения. Поскольку приливо-отливным процессам присуща периодичность, к ним применяется анализ гармонических колебаний. Наблюдаемый прилив рассматривается как результат сложения серии простых составляющих волн прилива, каждая из которых вызвана одной из приливообразующих сил или одним из факторов. Для полного решения используется 37 таких простых составляющих, хотя в некоторых случаях дополнительные компоненты сверх 20 основных пренебрежимо малы. Одновременная подстановка 37 констант в уравнение и собственно его решение осуществляется на компьютере.

Приливы на реках и течения.

Взаимодействие приливов и речных течений хорошо заметно там, где крупные реки впадают в океан. Высота приливов в бухтах, устьях рек и эстуариях может существенно возрастать в результате увеличения стока в маргинальных потоках, особенно во время половодий. Вместе с тем океанические приливы проникают далеко вверх по рекам в виде приливных течений. Например, на р.Гудзон приливная волна заходит на расстояние 210 км от устья. Приливные течения обычно распространяются вверх по реке до труднопреодолимых водопадов или порогов. Во время приливов течения в реках отличаются бульшими скоростями, чем во время отливов. Максимальные скорости приливных течений достигают 22 км/ч.

Бор. Когда вода, приходящая в движение под воздействием прилива большой высоты, ограничена в своем перемещении узким руслом, образуется довольно крутая волна, которая единым фронтом перемещается вверх по потоку. Это явление называется приливной волной, или бором. Такие волны наблюдаются на реках гораздо выше устьев, где сочетание силы трения и течения реки в наибольшей степени препятствует распространению прилива. Известно явление формирования бора в заливе Фанди в Канаде. Около Монктона (пров. Нью-Брансуик) р.Птикодиак впадает в бухту Фанди, образуя маргинальный поток. В малую воду его ширина 150 м, и он пересекает полосу осушки. Во время прилива стена воды протяженностью 750 м и высотой 60-90 см шипящим и бурлящим вихрем устремляется вверх по реке. Самый большой из известных боров высотой 4,5 м формируется на р. Фучуньцзян, впадающей в залив Ханьчжоу. См. также БОР.

Реверсивный водопад (меняющий направление на противоположное) - это еще одно явление, связанное с приливами на реках. Типичный пример - водопад на р.Сент-Джон (пров. Нью-Брансуик, Канада). Здесь по узкому ущелью вода во время прилива проникает в котловину, расположенную выше уровня малой воды, однако несколько ниже уровня полной воды в этой же теснине. Таким образом, возникает преграда, перетекая через которую вода образует водопад. Во время отлива сток воды устремляется вниз по течению через суженный проход и, преодолевая подводный уступ, образует обычный водопад. Во время прилива проникшая в ущелье крутая волна обрушивается водопадом в вышележащую котловину. Попятное течение продолжается до тех пор, пока уровни воды по обе стороны порога не сравняются и не начнется отлив. Затем опять восстанавливается водопад, обращенный вниз по течению. Средний перепад уровня воды в ущелье составляет ок. 2,7 м, однако при самых высоких приливах высота прямого водопада может превысить 4,8 м, а реверсивного - 3,7 м.

Наибольшие амплитуды приливов.

Самый высокий в мире прилив формируется в условиях сильного течения в бухте Минас в заливе Фанди. Приливные колебания здесь характеризуются нормальным ходом с полусуточным периодом. Уровень воды во время прилива часто поднимается за шесть часов более чем на 12 м, а затем в течение последующих шести часов понижается на ту же величину. Когда воздействие сизигийного прилива, положение Луны в перигее и максимальное склонение Луны приходятся на одни сутки, уровень прилива может достигать 15 м. Такая исключительно большая амплитуда приливо-отливных колебаний отчасти обусловлена воронкообразной формой залива Фанди, где глубины уменьшаются, а берега сближаются по направлению к вершине залива.

Ветер и погода.

Ветер оказывает существенное влияние на приливо-отливные явления. Ветер с моря нагоняет воду в сторону берега, высота прилива увеличивается сверх обычной, и при отливе уровень воды тоже превосходит средний. Напротив, при ветре, дующем с суши, вода сгоняется от берега, и уровень моря понижается.

За счет повышения атмосферного давления над обширной акваторией происходит понижение уровня воды, так как добавляется наложенный вес атмосферы. Когда атмосферное давление возрастает на 25 мм рт. ст., уровень воды понижается приблизительно на 33 см. Понижение атмосферного давления вызывает соответствующее повышение уровня воды. Следовательно, резкое падение атмосферного давления в сочетании с ветром ураганной силы способно вызвать заметный подъем уровня воды. Подобные волны, хотя и называются приливными, на самом деле не связаны с воздействием приливообразующих сил и не обладают периодичностью, характерной для приливо-отливных явлений. Формирование упомянутых волн может быть сопряжено либо с ветрами ураганной силы, либо с подводными землетрясениями (в последнем случае они называются сейсмическими морскими волнами, или цунами).

Использование энергии приливов.

Разработаны четыре метода использования энергии приливов, но наиболее практичным из них является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов. В настоящее время крупные приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове и в Приморье, во Франции в эстуарии р.Ранс, в Китае близ Шанхая, а также в других районах земного шара.

7. ЭНЕРИЯ ОКЕАНСКИХ ТЕЧЕНИЙ

Не так давно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и воли? "Смогут" - таково в 1974 году было заключение Комитета Мак-Артура, находящегося под эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами (Флорида). Общее мнение заключалось в том, что имеют место определенные проблемы, но все они могут быть решены в случае выделения ассигнований, так как "в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли".

8. ТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ОКЕАНА

Большое внимание приобрела "океанотермическая энергоконверсия" (ОТЭК), т.е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний.

Температура воды океана в разных местах различна. Между тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность воды нагревается до 27є C. На глубине в 2000 футов (600 метров) температура падает до 2-4є С. Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для получения энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой, производить электричество? Да, и это возможно.

Принцип действия этих станций заключается в следующем: теплую морскую воду (24-32 С) направляют в теплообменник, где жидкий аммиак или фреон превращаются в пар, который вращает турбину, а затем поступает в следующий теплообменник для охлаждения и конденсации водой с температурой 5-6 С, поступающей с глубины 200-500 метров. Получаемую электроэнергию передают на берег по подводному кабелю, но ее можно использовать и на месте (для обеспечения добычи минерального сырья со дна или его выделения из морской воды). Достоинство подобных установок - возможность их доставки в любой район Мирового океана. К тому же, разность температур различных слоев океанической воды - более стабильный источник энергии, чем, скажем, ветер, Солнце, морские волны или прибой. Первая такая установка была пущена в 1981 году на острове Науру. Единственный недостаток таких станций - их географическая привязанность к тропическим широтам. Для практического использования температурного градиента наиболее пригодны те районы Мирового океана, которые расположены между 20 с.ш. и 29 ю.ш., где температура воды у поверхности океана достигает, как правило, 27-28 С, а на глубине 1 километр имеет всего 4-5 С.

9. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ МОЛЕКУЛ ВОДЫ

Конечно, доступ к запасам электроэнергии ОТЕС предоставляет великолепные возможности, но (по крайней мере, пока) электричество не поднимает в небо самолеты, не будет двигать легковые и грузовые автомобили и автобусы, не поведет корабли через моря. Однако самолеты и легковые автомобили, автобусы и грузовики могут приводиться в движение газом, который можно извлекать из воды, а уж воды-то в морях достаточно. Этот газ - водород, и он может использоваться в качестве горючего. Водород - один из наиболее распространенных элементов во Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Помните формулу воды? Формула H2O значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Извлеченный из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии. Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относится к "водородной энергетике" будущего, так как полученный водород достаточно удобно хранить: в виде сжатого газа в танкерах или в сжиженном виде в криогенных контейнерах при температуре 423 градуса по Фаренгейту (-203 С).

Его можно хранить и в твердом виде после соединения с железо-титановым сплавом или с магнием для образования металлических гидридов. После этого их можно легко транспортировать и использовать по мере необходимости. Еще в 1847 году французский писатель Жюль Верн, опередивший свое время, предвидел возникновение такой водородной экономики. В своей книге "Таинственный остров" он предсказывал, что в будущем люди научатся использовать воду в качестве источника для получения топлива. "Вода, - писал он, - представит неиссякаемые запасы тепла и света". Со времен Жюля Верна были открыты методы извлечения водорода из воды. Один из наиболее перспективных из них - электролиз воды. (Через воду пропускается электрический ток, в результате чего происходит химический распад. Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает.) В 60-е годы специалистам из НАСА удалось столь успешно осуществить процесс электролиза воды и столь эффективно собирать высвобождающийся водород, что получаемый таким образом водород использовался во время полетов по программе "Аполлон".

Таким образом, в океане, который составляет 71 процент поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энергии - энергия волн и приливов; энергия химических связей газов, питательных веществ, солей и других минералов; скрытая энергия водорода, находящегося в молекулах воды; энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана; удивительная по запасам энергия, которую можно получать, используя разницу температур воды океана на поверхности и в глубине, и их можно преобразовать в стандартные виды топлива. Такие количества энергии, многообразие ее форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка. В то же время не возникает необходимости зависеть от одного - двух основных источников энергии, какими, например, являются давно использующиеся ископаемые виды топлива и ядерного горючего, методы получения которого были разработаны недавно.

Более того, в миллионах прибрежных деревень и селений, не имеющих сейчас доступа к энергосистемам, будет тогда возможно улучшить жизненные условия людей. Жители тех мест, где на море бывает сильное волнение, смогут конструировать и использовать установки для преобразования энергии волн. Живущие вблизи узких прибрежных заливов, куда во время приливов с ревом врывается вода, смогут использовать эту энергию. Для всех остальных людей энергия океана в открытом водном пространстве будет преобразовываться в метан, водород или электричество, а затем передаваться на сушу по кабелю или на кораблях. И вся эта энергия таится в океане испокон веков.

Не используя ее, мы тем самым попросту ее расточаем. Разумеется, трудно даже представить себе переход от столь привычных, традиционных видов топлива - угля, нефти и природного газа - к незнакомым, альтернативным методам получения энергии. Разница температур? Водород, металлические гидриды, энергетические фермы в океане? Для многих это звучит как научная фантастика. И тем не менее, несмотря на то, что извлечение энергии океана находятся на стадии экспериментов и процесс ограничен и дорогостоящ, факт остается фактом, что по мере развития научно-технического прогресса энергия в будущем может в значительной степени добываться из моря. Когда - зависит от того, как скоро эти процессы станут достаточно дешевыми. В конечном итоге дело упирается не в возможность извлечения из океана энергии в различных формах, а в стоимость такого извлечения, которая определит, насколько быстро будет развиваться тот или иной способ добычи. Когда бы это время ни наступило, переход к использованию энергии океана принесет двойную пользу: сэкономит общественные средства и самое главное, будет полезно для экологии всей планеты.

При современных темпах научно-технического прогресса существенные сдвиги в океанской энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия. Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, и не загрязняет окружающую среду, неиссякаема и свободна. Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух и образует ветры, вызывающие волны. Она нагревает океан, который накапливает тепловую энергию. Она приводит в движение течения, которые в то же время меняют свое направление под воздействием вращения Земли. Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системы Земля - Луна и вызывает приливы и отливы. Океан - это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромная кладовая беспокойной энергии. Здесь плещут волны, рождаются приливы и отливы, пересекаются течения, и все это наполнено энергией.

Некоторые из предлагавшихся океанских энергетических установок могут быть реализованы, и стать рентабельными уже в настоящее время. Вместе с тем следует ожидать, что творческий энтузиазм, искусство и изобретательность научно-инженерных работников улучшат существующие и создадут новые перспективы для промышленного использования энергетических ресурсов Мирового океана.

10. ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта.

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы - производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность - 5-6 тыс. ккал/м³ .