Surse Regenerabile de Energiedocx

=== Surse regenerabile de energie ===

TEMA PROIECTULUI DE DIPLOMĂ

Absolvent: COJANU IONUT-DANIEL

Forma de învățământ: Ingineri zi – promoția [se menționează anul absolvirii]

Titlul temei:

ENERGIA VALURILOR

Datele inițiale:

[se menționează datele inițiale care au fost considerate în momentul stabilirii temei proiectului de diplomă și care reprezintă puncte de plecare în realizarea temei propuse]

Conținutul proiectului:

[se menționează principalele capitole ale proiectului și/sau principalele subiecte abordate în proiect]

Data eliberării temei: [data la care a fost eliberată tema proiectului de diplomă de către conducătorul științific]

CAP 1. SURSE REGENERABILE DE ENERGIE

Notiuni generale

In prezent, energia constituie o problemă importanta, sursele noi și regenerabile de energie având un rol însemnat în condițiile în care combustibilii fosili nu mai constituie rezerve sigure și ieftine de energie.

Noțiunea de „energie” a fost introdusă în secolul XVIII, în studiulfizicii, dar principiile științifice au început să se contureze abia la începutul secolului XIX, suferind multe modificări până în secolul XX, când Albert Einstein a arătat că între masa unui corp și energia sa există o relație de tipul: E = mc2.

Energia este unul dintre cele mai importante concepte fizice descoperite de om. De aceea, înțelegerea corectă a noțiunii de energie constituie a condiție necesară pentru analiza sistemelor energetice și a proceselor energetice. Din punct de vedere științific, energia este o mărime, ce indică capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic, când trece printr-o transformare din starea sa într-o altă stare aleasă ca stare de referință.

Trecerea curentului electric printr-un conductor sau aparat electric conduce la încălzirea acestuia, prin efect electrotermic tensiunea electrică la bornele unui conductor are formula:

U= = lucru mecanic efectuat pentru transportul sarcinii electrice/ sarcina electrica.

Energia electrica (W) degajata sub forma de caldura de aparatul electric este egala cu lucru mecanic efectuat pentru transportul sarcinii electrice: L= U∙q. Rezulta energia electrica: W=U∙q.

Dar sarcina electrica q=I∙t = intensitate ∙ timp, rezulta W=U∙I∙t.

Energia electrică degajată sub formă de căldură (notată cu W) are formula: W=U∙I∙t .

Energia degajată sub formă de căldură de un aparat electric este direct proporțională cu tensiunea (U), cu intensitatea și cu timpul funcționării aparatului (t).

Unitatea internațională de măsură a energiei electrice este: joule: J = W-s = watt • secundă

O altă unitate (folosită în practică) este: KWh (Kilo-Watt-oră), 1 KWh = 1000 Wh.

Ținând cont că: 1 oră =3600 secunde, iar J = W ∙ s , rezultă:

1 kWh =1000 Wh =1000 W • 3600 s = 3600000 J

Alte formule utile pentru energia electrica: W=U∙I∙t

Aplicand legea lui Ohm I= in formula W=U∙I∙t , obtinem W=R∙I2∙t .

Daca tinem cont de formula tensiunii, U= I∙R, rezulta: W= ∙t

Puterea electrica este egala cu raportul dintre energia transferata sub forma de caldura si timp P= .

Alte formule utile pentru puterea electrica:

P= U∙I

P= R∙I2

P=

Din formula pentru puteri P=, se poate deduce o alta formula utila pentru energia electrica: W= P∙t .

Unitatea internationala de masura a puterii electrice este watt (W), un multiplu al unitatii de masura a puterii este kilowatt ( 1kW = 1000W)

Din formula P= , deducem ca la o tensiune constanta cu cat este mai mica rezistenta electrica a unui conductor, cu atat are putere electrica mai mare si degaja mai multa energie sub forma de caldura.

Tipuri de energie;

energie neregenerabila, care este energia obtinuta din resurse epuizabile cum sunt combustibili nucleari si cei fosili.

energie regenerabila, prin care se intelege energia obtinuta de la soare, energie considerata inepuizabila, sub forma de energie electrica (conversie directa), termica (conversie directa), hidraulica, eoliana, sau cea provenita din biomasa.

La inceputuri oameni au utilizat energia inepuizabila, dar in ultimii 200 de ani a preferat utilizarea instalatiilor si dispozitivelor ce se bazau in mare parte pe fluxul de energie epuizabila. Astfel, cele mai utilizate procedee pentru obtinerea energiei electrice sunt cele bazate pe combustibili fosili (hidrocarburi, carbune, petrol, sau gaze naturale), formate din ramasite fosilizate ale plantelor si animalelor moarte. Teoria organica a formarii hidrocarburilor din aceste resturi organice a fost emisa de catre Mikhail Lomonosov, in 1757. Exista si o teorie anorganica a formarii titeiului, formulata in 1929 de chimistul Ludovic Mrazek.

In vorbirea curenta, termenul „ combustibil fosil” include si resursele naturale cu continut de hidrocarburi, dar care nu provin din surse animale sau vegetale. Acestea sunt denumite mai corect combustibili minerali.

Combustibilii fosili au facut posibila dezvoltarea impresionanta a industriei in ultimele secole si inlocuirea utilizarii pe scara larga a lemului si turbei pentru incalzire. „Combustibilul fosil” est termenul folosit pentru depozitele geologice subteranede materii organice formate din plante si animale putrezite, care s-au transformat in titei, carbune sau gaze naturale, sub actiunea caldurii si a presiuni din scoarta terestra, de-a lungul sutelor de milioane de ani.

Pentru a genera electricitate, energia degajata de arderea combustibililor fosili este folosita adesea pentru a pune in miscare o turbina. Generatoarele mai vechi foloseau, adesea, aburul obtinut prin arderea combustibililorpentru a pune in miscare turbina, dar in generatoarele moderne, se folosesc direct gazele de ardere ale combustibililor.

Analizand situatia din prezent ( secolele 20 si 21 ), necesitatea energiei provenita din combustibili fosili, mai ales pentru produse cum ar fi benzina, provenita din petrol, este una din cauzele majore ale conflictelor globale si regionale.

Arderea combustibililor fosili de catre omenire este cea mai importanta sursa a emisiilor de dioxid de carbon (fig. 1.1), care este unul din gazele cauzatoare ele efectului de sera, care impiedica dispersarea radiatiilor si contribuela incalzirea globala.

Figura 1.1 Emisiile anuale de dioxid de carbon, defalcate pe diferiti combustibili, in perioada 1990-2015 si rata crescada de utilizare a acestora.

Concentratia de CO2 din atmosfera in crestere, producand ingrijorare cu privire la gradul de retinere a radiatiei solare, va avea ca rezultat cresterea temperaturii medii a suprafetei terestre. Toate aceste efecte au dus treptat la alterarea calitatii aerului si a apei, cu efecte nocive asupra populatiei, care a inregistrat o crestere a morbiditatii si a mortalitatii la nivel mondial, din cauza intensificarii afectiunilor cardio-respiratorii, a stresului termic produs de valurile de caldura sau a raspandirii bolilor infectioase, motiv pentru care se pune accent, tot mai des, pe utilizarea surselor de energie regenerabila.

1.2 Energie regenerabila

1.2.1. Ce reprezinta energiile regenerabile ?

Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei  rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, a vânturilor, a apelor curgătoare, a proceselor biologice, energia luminii solare și a căldurii geotermale pot fi captate de către oameni cu ajutorul a diferite metode de captare. Sursele de energie regenerabile includ energia nucleară precum și energia generată prin arderea combustibililor fosili, așa cum ar fițițeiul,cărbunele și gazele naturale.Aceste resurse sunt, limitate la existența zăcămintelor respective și sunt considerate în general ne-regenerabile.

1.2.2 Marele rol al micilor energi.

Aspectul de energie “mica” este dat de gradul mare de dispersie al unor energii de tipul celor biologice, geotermale, a valurilor, eoliene sau solare. Privite mai atent “micile energii” sunt totusi mari, daca reusim sa le privim insumate, concentrate. Raspandirea lor mare in spatiu, precum si micimea purtatorilor suport, constrang la o instrumentare speciala, in cazul evaluarilor cantitative. Acest neajuns, ca si altele, a condus la nepreferarea lor, atat timp cat natura ofera cu generiozitate energii concentrate sau usor de concentrate.

Caracterul cvasiinepuizabil pledeaza pentru aducere in prim plana “energiilor mici” mai ales cand “marile energii” incep sa devina nesigure.

Dificultatile de concentrare, captare si valorificare a “micilor energii” sunt depasite print-ru effort global, instinctual de conservare al omenirii.

Criza energetica, cu tendinte de extindere in spatiu sit imp, face ca “micilor energii”sa li sa deschida drumul catre marea scena a vietii civilizate, deoarece o pauza, fie ea chiar si de scurta durata, nu poate fi acceptata de beneficiarii civilizatiei moderne.

Este sufficient sa ne gandim cum ar privy un detonator de utilaje si aparatura moderna, neputinta de a folosi aparatura si aceste utilaje din lipsa de energie. Omul nu poate concepe viata in afara ultimului cadru oferit de civilizatie.

1.2.3 Limitele si perspectivele abordarii noilor solutii energetice.

Indiferent ce decizii se iau in sensul dezvoltarii pe viitor nu trebuie stricat echilibrul naturii. Elementele noi ce ajuta la rezolvarea problemelor tehnice, se impune ca odata cu aprecierea si evaluarea beneficilor, sa se tina cont si de dezavantajele si riscurile ce se nasc odata cu primele. Un bun exemplu il reprezinta efectul deseurilor radioactive de la instalatiile nucleare de producere a energiei electrice sau soarta solului umbrit de oglinzile unei centrale solare, pentru a putea intelege ca limitele mentionate anterior decurg din niste realitati obiective destul de serioase.

Sectorul energetic al unei tari este mai rezistent cand exista multiple surse de producere a energiei, deci cand exista in functie mai multe sisteme de energie si este mai putin rezistent atunci cand exista un singur mod de producere a energiei.

Energiile regenerabile au fost folosite lunga perioada de timp in trecut, dar apoi nu au mai fost folosite in special din cauza densitatii reduse de energie ce le caracterizeaza starea bruta. In momentul in care omul a descoperit energii mari, concentrate in volume mici, le,a utilizat si si-a dezvoltat confortul sprijinindu-se pe acestea, lasandu energiile regenerabile de rezerva.

1.3 Hidroenergia, aspect generale.

Energia produsa de apa este una dintre cele mai valoroase resurse regenerabile de energie si, de asemenea, putea fi considerata resursa de energie cea mai ignorata, pana de curand. Energia mareelor regenerabila generata de ciclurile lunii, parcurile de energie bazate pe puterea valurilor au avantajul miscarii naturale repetitive asuprafetei apei, iar centralele hidroelectrice culeg energia cinetica produsa de gravitatie dela schimbarile ce au loc in diferitele niveluri ale apei.

Valurile sunt caracterizate ca find mișcări ritmice ale particulelor de apă în jurul unui punct imaginar de echilibru. Sub aspect genetic, se cunosc: valuri eoliene, navale,staționare, gravitațional libere, forțate de vânt mareice, anomobarice,.Valurile eoliene sunt cele care apar sub acțiunea frecării tangențiale ale maselor de aer în deplasare, cu presiunea normală față de apa marină. Pentru calculul energiei valurilor sefolosesc diferite modele de val. Un model de val, utilizat in mod frecvent, este cel a lui Gerstner, care presupune respectarea urmatoarelor legi:

-moleculele de apa descriu orbite circulare, mascandu-se cu viteza uniforma si inaceeasi perioada de timp

-razele orbitelor descresc exponential cu adancimea

-fiecareparticula fluida, in timpul miscarii, suporta presiunea din pozitia de repaus

-curbele de egala presiune (izobarele ) descriu trohoide circulare.

1.4 Analiza valurilor

1.4.1 Caracteristicile valurilor

Valurile au nevoie de timp pentru a se dezvolta, ele nu erup spontan din ocean.
Este nevoie de o oarecare viteză a vântului, care să bata pe o anumită distanță o
durată considerabilă de timp pentru a forma în sfârșit valurile. Există trei tipuri de
valuri:

valuri capilare (mici):

valuri dc marc;

valuri intense.

Valurile capilare apar in ape mici cand vantul este usor. Sub actiunea vantului, ele se transforma in timp in valuri de mare sau valuri intense (fig. 1.2). Valurile de mare sunt create atunci cand vantul bate o anumita perioada cu o anumita viteza. Ele tind ulterior sa devina mai lungi, drepte, dupa ce vantul inceteaza sa bata. Valurile intense reprezinta valurile care sunt miscate in orice directie in raport cu originea lor si nu sunt relatate la conditiile locale de vant, cu alte cuvinte, sunt valuri de mare care au fost lasate timp indelungat fara vant. Este o notiune putin confuza, fiindca apa nu lucreaza impreuna cu valurile, ci numai impreuna cu curentii de apa.

Fig. 1.2 Transformarea valurilor sub actiunea vantului

Valurile pot fi caracterizate in functie de perioada valului , acest lucru este prezentat in figura 1.3

Fig.1.3 Clasificarea valurilor in funtie de perioada

Conform energiei cumulativedistribuite in valurile oceanice, principiul de generare a fortelor si principiul fortelor de amortizare se schimba cand perioada valurilor creste. Cele mai mici valuri (valuri capilare) au perioade <0.1s si sunt generate de adieri mici de vant. Deoarece sunt atat de mici, ele sunt amortizate de mici, ele sunt amortizate de tensiunea superficiala a apei (v. fig.1.3). Cele mai raspandite valuri sunt valurile gravitationale, care au perioade cuprinse intre 1s si 30s. Sunt generate de vant si uragane si sunt amortizate de fortele gravitationale. Valurile cu perioade mai mari de 5 min sun valuri lungi su sunt generate de uragane intense si de cutremure de pamant si sunt linistite de fortele de gravitatie si de fortele Coriolis. Cele mai lungi valuri sunt mareele de 12 si 24 ore, generate de Soare si Luna.

Pentru a evidentia caracteristicile de baza ale valurilor, avem nevoie de 3 factori ce trebuie luati in considerare in analiza valurilor:

viteza vantului;

durata de batere a vantului intr-o singura directie;

distanta apei deschise, asupra careia bate vantul.

Toti factorii enumerati mai sus lucreaza impreuna pentru a crea valurile. Cu cat este mai ponderabila fiecare din aceste variabile in ecuatie, cu atat sunt mai mari valurile.

Un val oceanic superficial, are o forma sinusoidala (v. fig. 1.4), (cu creste si funduri care au forme identice si o lungime fixa de unda) si progresiv orbital cu particulele de apa in val miscandu-se pe o traiectorie orbitala cu un ciclu complet la trecerea unui val complet. Valurile sunt caracterizate de urmatoarele caracteristici: traiectorie (fig. 1.4) , adancimea apei (fig. 1.5).

Fig. 1.4 Traiectoria valurilor

a) adancimea ≥ ½ din adancimea valului

b) adancimea ≥1/20 din lungimea valului

Fig. 1.5 Valuri in ape cu adancimi mari (a) si mici (b)

Distanta dintre doua creste adiacente este diferita ca lungime de unda (L). Distanta pe verticala de la varful crestei pana la punctul inferior al fundului adiacent este definita ca inaltimea valului (H). Timpul necesar crestei pentru a ajunge din punctul A in punctul B este definit ca perioada valului (T). Numarul crestelor care trec prin punctul A sau punctul B in fiecate secunda este definita frecventa valului (f) (frecventa este o marime invers proportionale perioadei). In final viteza cu care creasta valului se misca orizontal pe suprafata oceanului este definita ca rapiditatea sau viteza de faza a valului (c).

Particulele de apa din val au diferite modele de miscare. Intr-un val normal este o miscare orbitala a particulelor de apa. Aceasta se demonstreaza cel mai bine folosind un dop plutitor pe apa. Cand valul creste, dopul de pluta se roteste pe loc (este atras de miscare orbitala). Aceasta este o miscare foarte pasiva, deoarece miscarea liniara a particulei valului slabit este foarte agresiva, de aceea este foarte distructiva, in imaginile din fig. 1.6 se demonstreaza miscarea orbitala a dopului de pluta care pluteste pe apa cand valul trece de la stanga la dreapta. Pozitia plutei, in realitate, este neschimbata, efectuana doar o usoara rotatie.

Fig. 1.6 Mecanismul miscarii orbitale a particulelor de apa

1.4.2 VALURILE SI VANTUL

Relația dintre vânt și valuri este foarte importantă, de aceea a fost elaborat un nou sistem de clasificare care a încorporat relațiile dintre valuri și viteza vântului. Acest sistem, numit Scara lui Beaufort, a fost elaborat în anul 1805 de amiralul Francis.

Fig. 1.7 Macanismul de formare a valurilor

In tabelul 1.1 sunt prezentate observatiile amiralului Beaufbrt al Marinei Britanice despre starile marii in functie de viteza vantului.

Tab. 1.1 Starile marii in functie de viteza vantului.

Deoarece vântul determină formarea valurilor de apă, este mai ușor de înțeles mecanismul formării lor. Pentru o mare perfect liniștită, vântul, practic, nu există. La o anumită viteză a vântului, straturile de la suprafață încep a se mișca, formând mici ondulații. Interesant este faptul
că aceste ondulații nu se mișcă exact în direcția vântului, ci sub un unghi de 70-80° față de direcția vântului. Ondulațiile la viteza minimă de 0,23 m/s cresc până la vălurele și încep să se miște în direcția vântului în fig. 1.7 evoluția formării valurilor sub acțiunea vântului. La o viteză a vântului de 7-11 km/h, aceste valuri se mișcă sub un unghi de 30° față de direcția vântului. Vântul atinge suprafața apei cu un anumit grad de turbulență și începe transferul de energie, valurilor. In funcție de durată și distanță, dimensiunile valurilor se măresc pătratic până la maxim. Atunci când valoarea maximă a dimensiunii valurilor este atinsă, ele se mișcă mai încet decât vântul.

Fig. 1.8 Spectrul de energie totală dezvoltată de valuri pentru diferite viteze ale vântului.

Atunci când viteza vântului crește, cantitatea de energie transferată apei crește cu mult mai rapid, proporțional cu puterea a 4“ a vitezei vântului. Diagrama din fig. 1.8 indică energia spectrului de energie pentru viteze ale vântului de 20, 30, 40 noduri. Suprafața de sub curbe reprezintă energia totală a stării mării. Scara verticală este amplitudinea valului măsurată (AxA) în nr. O influență majoră asupra formării valurilor are așa numitul parametru „Distanța de dezvoltare a valurilor ”. In
tabelul 1.1 sunt prezentați parametrii valului la diferite viteze ale vântului și distanța de dezvoltare a valurilor (scara Beaufort).

De asemenea, schimbarea direcției vântului asupra valurilor existente poate crea confuzie în mișcarea valurilor și, drept urmare, se formează noi valuri, care se suprapun peste cele existente, creând valuri mari. Dacă sistemul de valuri întâlnește în calea sa un curent, atunci pot avea loc două situații: dacă vântul și curenții de apă au aceeași direcție, valurile devin mai liniștite, creând valuri oceanice lungi. Mișcarea contradictorie a curenților de apă și a vântului conduce la formarea unor valuri mai mari și mai agresive.

Pe langa viteza vantului, temperatura este, de asemenea, un factor care formeaza valuri. Aerul cald care se misca deasupra apei are un unghi de atac asupra suprafetei mai mic decat aerul rece. Aerul rece care se misca deasupra apei deschise creeaza valuri mai rapide decat masele de aer cald.

1.4.3 Teoria valurilor

Valurile oceanice de suprafata sunt valuri mecanice, care se propaga de,a lungul interfetei „apa – aer”. Fortele de amortizare sunt produse de gravitatie si pot fi raportate la valuri gravitationale superficiale. Cand adie vantul, presiunea si fortele de frecare perturba echilibrul suprafetei oceanului. Aceste forte transfera energia vantului la apa formand valuri. In cazul unui plan monocromatic liniar in apele adanci particulele de la suprafata se misca pe traectorii circulare, creand valuri oceanice de suprafata ca o combinatie de miscari lungitudinale ( inainte si inapoi) si transversale (in sus si in jos). Daca valurile se propaga in ape mici (unde adancimea este mai mica1/20 lungimi ale valului) traiectorrle acestor particule sunt comprimate in elipse (fig. 1.9).

Fig. 1.9 Schema particulelor de apa in valurile apelor adanci propagarii valurilor.

Cand amplitudinea (inaltimea) valului creste, traiectoriile particulelor nu mai au forme alungite inchise, mai mult dupa trecerea fiecarei creste, particulele sunt deplasate putin mai inainte, comparativ cu pozitia anterioara, acest fenomen este cunoscut sub numele de impulsul Stokes.

Odata cu cresterea adancimii oceanului, raza miscarii circulare descreste. La o adancime egala cu o jumatate din lungimea valului λ , miscarea orbitala se reduce la zero. Viteza valului superficial este aproximata prin relatia:

c = ,

unde: – c este viteza de faza; λ- lungimea valului; d- adancimea valului; g- acceleratia de gravitatie.

In apele adanci unde d ≥ λ, atunci ≥ π si tangenta hiperbolicaatince l. c in m/s se aproximeaza cu 1.25 , unde se masoara in m. Aceasta expresie demonstreaza ca valurile cu diferite lungimi lucreaza la diferite viteze. Cele mai rapide valuri in timpul uraganelorsunt cele cu cea mai mare lungime. In consecinta, cand dupa uraganvalurile ajung la tarm, primele ajung valurile de lungime mare.

Miscarea valurilor oceanice poate fi captate de sisteme de energie a valurilor. Densitatea energetica (pe unitate de suprafata) a unur valuri sinusoidal regulate a apei pentru densitatea ρ, acceleratia de gravitatie g si lungimea valului h.

E = ρgh2 = ρga2

Viteza de propagare a acestei energi este viteza de grup. O aplicatie practica importanta a stiintei valurilor este solutionarea 3D a ecuatiei crestei valului in timp.

Ecuatiile care descriu apele mici sunt un set de ecuatii care descriu curgerea sub actiunea fortei superficiale orizontale in fluid. Aceste ecuatii pot fi utilizate in modelarile atmosferice si oceanice, dar sunt mai simple decat ecuatiile primitive. Modelele ecuatiilor apelor mici au doar un nivel vertical, deci ele nu pot compensa orice factor care variaza cu inaltimea. In general valurile mari contin mai multa energie. Energia valului este determinata de inaltimea valului, viteza vantului, lungimea valului si densitatea apei. Marimea valului este determinata de viteza vantului, de distanta la care vantul excita valurile, de adancime si de topografia locatiei. Miscarea valurilor este cea mai inalta la suprafata si se reduce exponential odata cu cresterea adancimii, inca energia valului este prezentata ca presiune a valurilor in apele adanci.

Energia potentiala a unui set de valuri este proportionala cu inaltimea si patratul perioadei valului. Valurile cu perioade mai mari au lungimi relativ mai mari si sunt mai rapide. Energia potentiala este egala cu energia cinetica (atucni cand poate fi convertita). Energia valului se exprima in kW/m (in locatii de tip „linie de tarm”) si se calculeaza cu relatia:

P = 0.5∙H2∙T,

unde H reprezinta inaltimea valului, Ț reprezinta perioada valului.

Calcularea enegiei produse val, excuzand valurile create de uragane mari, cele mai mari valuri au inaltimea de 15 m si au perioada de aprox. 15 sec, se estimeaza ca aceste valuri contin 1700 kW de energie potentiala pe fiecare metru de lungime a valului. Locatiile cu cel mai mare potential energetic al valurilor vor avea un flux de energie mai mic decat cel de mai sus, de aproximativ 50 kw/m.

Cate energie se poate obtine din val? Teoria liniara a valului presupune ca miscarea apei printr-un punct este sinusoidala. Perioada Ț pentru un val care trece prin acest punct poate fi exprimata prin:

T =

unde: λ este lungimea valului (m); g – gravitatia (kg/m2)

Energia care se obtine din val poate fi exprimata prin ecuatia:

P =

unde: a este amplitudinea (inaltimea) valului.

Conform tehnologiilor existente sunt trei tipuri de colectare a energiei valurilor:

cu ajutorul sistemelor cu geamanduri;

cu ajutorul sistemelor conturate fixate;

cu ajutorul coloanelor de apa oscilante.

Ecuatia valului este o ecuatie diferentiala care descrie evolutia valului armonic in timp. Ecuatia are forme usor diferite in functi de modul in care valul este transmis si de mediul prin care trece. Considerand ca un val unidimensional se misca de,a lungul unei axe x cu viteza v si amplitudinea a ( care in general depinde de x si ț) ecuatia este:

Tridimensional ecuatia va fi :

unde Δ este Laplacian

Solutia generala pentru ecuatia valului intr-o dimensiune a fost obtinuta de d’Alembert:

a(x,t) = F(x – vt) + G(x + vt)

Ecuatia poate fi privita ca doua pulsatii care trec prin lungimie x in directii diferite: F in directia +x, si G in directia –x. Daca vom substitui x cu directiile x, y, z, poate si descrisa propagarea tridimensionala a valului.

Valurile migratoare, sunt valurile care se misca , se mai numesc si valuri progresive si au disturbanta care variaza in functie de timpul t si de distanta:

y(z, t) = A(z,t) sin(kz – ωt + φ),

unde A(z, ț) este amplitudinea suprafetei valului; k este numarul si φ este faza .

Viteza de faza a acestuia va fi:

vp = = λ f ,

Ca si in cazul altor tipuri de unde, energia valurilor este proportionala cu patratul inaltimii lor. De exemplu, un val de 3 m inaltime are de 9 ori mai multa energie decat un val de 1m inaltime. Valurile mareice cauzate de eruptiile vulcanului subacvatic din Chile din mai 1960 au parcurs distanta de 6000 mile pana in Noua Zeilanda in 12 ore, atingand o viteza de aproximativ 900 km/h.

Relatia dintre viteza valurilor superficiale lungi si adancimea lor in apele mici se prezinta prin formula:

c2 = gd

unde: c este viteza valului; g este acceleratia caderii libere (9.8 m/s2); d- adancimea valului, m; – densitatea apei (=1); – densitatea aerului.

Relatia arata ca viteza valurilor creste odata cu cresterea adancimii valurilor si diferenta relativa a densitatilor mediilor. Pentru ocean cu adancimea de 4000m viteza va fi:

v ≈ = 20 km/s = 720 km/h.

In apele adanci, relatia intre viteza valurilor superficiale lungi si adancimea lor se prezinta prin formula:

l =

unde: l = tc pentru toate cazurile de valuri. Inlocuind in ecuatia de mai sus obtinem:

c = ∙ t = 0.641c (s)

unde: ț este perioada valului (s), f- frecventa valurilor; l- lungimea valurilor (m). Se poate calcula c si l prein perioada valurilor t (s):

c = 1.56t (m/s) = 5.62 (km/h), l = 1.56 t2 (m).

Aceste valuri cu perioada de 10 s, care se misca cu viteza de 56 km/h cu lungimea valului de aproximativ 156m, pot produce in 24 de ore valuri cu perioade de 17 s si lungimi de 450 m.

CAP 2. SOLUTII SI METODE DE CAPTARE A ENERGIEI VALURILOR

2.1 Elemente de proiectare pentru centrale electrice de larg

Pe baza studiilor realizate s-a precizat ca un front de captare in dreptul coastelor romanesti al Marii Negre, trebuie proiectat in larg, dincolo de linia neutral (linia corespunzatoare curbei batimetrice de la care inceteaza influenta valurilor asupra fundului marii). Aceasta pozitionare ar favoriza si alte folosinte: apararea costiera, adapostirea navelor, realizare de constructii hidrotehnice de larg .

Pentru cresterea investiilor c ear urma sa se faca in aceasta directive, merita sa fie analizata si posibilitatea de captare a energiei valurilor, concomitant cu cea eoliana si solara, in cadrul unor central cu instalatii mixte. Amenajarea unui front de asemenea centrale, in apele teritoriale ale Romaniei, dincolo de linia neutral, ar fi justificata nu numai de considerente energetice ci si economice.

Tinand seama de faptul ca energia valurilor si a vanturilor este maxina iarna, iar insolatia maxima , vara, captarea globala a acestot energii neconventionale conduce la o oarecareuniformizare a exploatarii instalatiilor. In urma studiilor efectuate a rezultat ca o centrala marinaechipata cu instalatii mixte de captare, poate fi conceputa dupa schema din figura 2.1.

In aceasta schema se poate observa ca blocul helio-eolian, furnizeaza energie electrica pentru excitarea generatorului electric liniar- principalul generator (actionat de valuri), pentru alimentarea instalatiilor auxiliare ale centralei – iar plusul, pentru valorificarea in ixterior. In cazul in care nu e nici soare, nici vant, iar acumulatoarele electrice sunt descarcate, generatorul liniar, care trebuie excitat cu energie din sursele exterioare, poate di totusi folosit, prin punerea in functiune a unui bloc auxiliar, care transforma o parte din energia valurilor, prin intermediul unei instalatii pneumatice, in energie electrica.

Avand in vedere folosirea complexa a amenajarilor de captare a energiei valurilor, dispunerea frontului de captare, trebuie sa tina seama nu numai de argumente de orgin energetic. O consideratie deosebita trebuie sa se acorde conditiilor impuse de navigatie, in sensul asigurarii accesului navelor cu pescaj pana la 20- 22 m in spatele frontului de captare. Aceste considerente obliga la respectarea unor distante minime fata de tarm, la tarmul Marii Negre aceasta distanta este in nord de aproximativ 12 km , in sud de aproximativ 5 km.

Eficienta frontului de captare in ceea ce priveste apararea costiera, conduce din punct de vedere economic, la reducerea substantiala a cheltuielilor ce se fac in mod continuu pentru efectuarea lucrarilor de protejare a tarmului. Socotind ca energia valurilor este proportionala cu patratul inaltimii valurilor, se observa usor cum, printr-un front de centrale marine, plasat la aproximativ 8 km in larg energia valurilor formate in spate, energia ce actioneaza distructiv asupra tarmului, este de 25 de ori mai mica decat in cazul inexistentei frontului mentionat, aceasta cand vantul ar bate cu viteza de 100 km/h (mare furtunoasa).

Deoarece, indiferent de procedeul adoptat, pentru infaptuirea practica a captarii energiei valurilor, fiind necesar sa se ajunga la doua sisteme mecanice, unul cvasifix, iar celalat mobil, constructia hidrotehnica propriuzisa trebuie sa asigure realizarea primului sistem mecanic, adica a celui cvasifix. Cum panta fundului submarin in dreptul coastelor romanesti ale Marii Negre este foarte mica si valurile pierd, intre linia neutrala si plaje, o buna parte a energiei lor, posibilitatea fundarii constructiilor de captare, in imediata apropiere a tarmului, apar clar nerationale si aceasta cu atat mai mult, ca cat si energia disponibila a valurilor din Marea Neagra este relativ redusa. Dintr-un inceput, trebuie sa ne asteptam la dificultatiile ce decurg din amplasarea acestor constructii in larg, acolo unde inevitabila involburare a apelor ridica probleme grele de ordin tehnic chiar celor mai incercati ingineri.